Из чего состоит осциллограф. Осциллограф: устройство, принцип работы и основные характеристики

Что такое осциллограф и как он работает. Какие бывают типы осциллографов. Из каких основных блоков состоит осциллограф. Какие параметры сигналов можно измерять с помощью осциллографа. Как правильно использовать осциллограф для проведения измерений.

Что такое осциллограф и для чего он используется

Осциллограф — это электронный измерительный прибор, предназначенный для визуального наблюдения и измерения параметров электрических сигналов. Он позволяет отображать форму исследуемого сигнала на экране в виде графика зависимости напряжения от времени.

Основные задачи, для которых применяется осциллограф:

• Наблюдение формы электрических сигналов
• Измерение амплитуды, частоты, периода и других параметров сигналов
• Сравнение нескольких сигналов между собой
• Обнаружение искажений и аномалий в сигналах
• Анализ переходных процессов
• Отладка электронных устройств

Осциллографы широко используются в электронике, телекоммуникациях, медицине, автомобильной промышленности и многих других областях, где требуется анализ электрических сигналов.

Принцип работы осциллографа

Принцип работы осциллографа заключается в преобразовании исследуемого электрического сигнала в визуальное изображение на экране. Основные этапы этого процесса:

1. Входной сигнал подается на вертикальный усилитель осциллографа
2. Усиленный сигнал отклоняет электронный луч по вертикали
3. Одновременно генератор развертки отклоняет луч по горизонтали с постоянной скоростью
4. В результате на экране формируется график сигнала
5. Система синхронизации обеспечивает стабильное изображение

Таким образом, осциллограф преобразует изменение напряжения во времени в двумерное изображение на экране, где:

• По вертикальной оси (Y) откладывается напряжение
• По горизонтальной оси (X) откладывается время

Это позволяет наглядно отобразить форму и параметры исследуемого сигнала.

Основные типы осциллографов

Существует несколько основных типов осциллографов:

1. Аналоговые осциллографы

Используют электронно-лучевую трубку для отображения сигнала. Основные особенности:

• Непрерывное отображение сигнала в реальном времени
• Высокая скорость обновления экрана
• Ограниченные возможности по обработке сигнала
• Отсутствие цифровой памяти

2. Цифровые запоминающие осциллографы (DSO)

Преобразуют входной аналоговый сигнал в цифровую форму. Ключевые преимущества:

• Возможность сохранения и последующего анализа сигналов
• Автоматические измерения параметров
• Математическая обработка сигналов
• Подключение к компьютеру

3. Осциллографы смешанных сигналов (MSO)

Сочетают функции цифрового осциллографа и логического анализатора. Особенности:

• Наличие аналоговых и цифровых каналов
• Возможность анализа смешанных аналого-цифровых сигналов
• Синхронизация по сложным условиям

Основные блоки осциллографа

Типичный осциллограф состоит из следующих основных функциональных блоков:

1. Входные цепи

Обеспечивают подключение исследуемого сигнала и его предварительную обработку. Включают:

• Входные разъемы
• Аттенюаторы для ослабления сильных сигналов
• Усилители для усиления слабых сигналов

2. Система вертикального отклонения

Отвечает за отображение амплитуды сигнала. Основные компоненты:

• Усилитель вертикального отклонения
• Схемы масштабирования по вертикали

3. Система горизонтальной развертки

Формирует развертку луча по горизонтали. Включает:

• Генератор развертки
• Схемы управления скоростью развертки

4. Система синхронизации

Обеспечивает стабильное изображение на экране. Ключевые элементы:

• Схемы выделения синхроимпульса
• Схемы задержки запуска развертки

5. Экран

Служит для отображения осциллограммы. Может быть реализован на основе:

• Электронно-лучевой трубки (в аналоговых осциллографах)
• ЖК-дисплея (в цифровых осциллографах)

Основные параметры осциллографа

При выборе осциллографа следует учитывать следующие ключевые характеристики:

1. Полоса пропускания

Определяет максимальную частоту сигнала, который может быть корректно отображен осциллографом. Измеряется в герцах (Гц). Типичные значения:

• 20-100 МГц — для базовых моделей
• 200-500 МГц — для средней категории
• 1 ГГц и выше — для высокопроизводительных осциллографов

2. Частота дискретизации

Характеризует скорость преобразования входного сигнала в цифровую форму. Измеряется в выборках в секунду (С/с). Обычные значения:

• 1-2 ГС/с — для начального уровня
• 5-10 ГС/с — для среднего класса
• 20-100 ГС/с — для высокоскоростных моделей

3. Количество каналов

Определяет, сколько сигналов можно наблюдать одновременно. Типичные варианты:

• 2 канала — для простых задач
• 4 канала — оптимально для большинства применений
• 8 и более каналов — для сложных многоканальных измерений

4. Объем памяти

Влияет на длительность захватываемого сигнала при максимальной частоте дискретизации. Измеряется в точках на канал. Распространенные значения:

• 1-10 Мточек — базовый уровень
• 10-100 Мточек — средний класс
• 100 Мточек — 1 Гточка — продвинутые модели

Измерение параметров сигналов с помощью осциллографа

Осциллограф позволяет измерять различные характеристики электрических сигналов. Основные измеряемые параметры:

1. Амплитудные параметры

• Размах (Peak-to-Peak) — разность между максимальным и минимальным значением сигнала
• Амплитуда — максимальное отклонение от среднего уровня
• Среднеквадратическое значение (RMS) — эффективное значение переменного сигнала

2. Временные параметры

• Период — время одного полного цикла сигнала
• Частота — число колебаний в единицу времени
• Длительность импульса — время, в течение которого сигнал находится в активном состоянии
• Время нарастания/спада — время изменения сигнала между заданными уровнями

3. Фазовые соотношения

• Сдвиг фаз между сигналами
• Задержка распространения сигнала

4. Спектральные характеристики

• Спектр сигнала — распределение энергии по частотам
• Гармонические составляющие
• Уровень шума и помех

Современные цифровые осциллографы позволяют выполнять эти измерения автоматически, что значительно упрощает анализ сигналов.

Правила работы с осциллографом

Для получения корректных результатов измерений необходимо соблюдать определенные правила при работе с осциллографом:

1. Правильно выбирайте пробник с учетом измеряемого сигнала и входного импеданса осциллографа
2. Настраивайте масштаб по вертикали так, чтобы сигнал занимал большую часть экрана, но не выходил за его пределы
3. Устанавливайте скорость развертки, обеспечивающую отображение нужного количества периодов сигнала
4. Правильно выбирайте режим и уровень синхронизации для получения стабильного изображения
5. При измерении высокочастотных сигналов учитывайте полосу пропускания осциллографа и пробников
6. Периодически проводите калибровку осциллографа для обеспечения точности измерений
7. Соблюдайте меры безопасности при работе с высоким напряжением

Соблюдение этих правил позволит получать достоверные результаты и избежать ошибок при проведении измерений с помощью осциллографа.

Основы осциллографических измерений — Technical Support Knowledge Center Open

Operational «How to» Guides

Summary

Электронные технологии проникают во все области нашей жизни. Миллионы и миллиарды людей ежедневно пользуются мобильными телефонами, телевизорами, компьютерами и другими электронными устройствами. По мере совершенствования электронных технологий увеличивается быстродействие этого оборудования. Сегодня в большинстве современных устройств используются высокоскоростные цифровые интерфейсы. Инженеры должны иметь возможность правильно проектировать и достоверно тестировать компоненты своих высокоскоростных цифровых устройств. Контрольно-измерительное оборудование, которое используется инженерами в процессе разработки и испытаний, должно быть пригодно для работы в условиях высоких частот и высоких скоростей передачи данных. И осциллограф является примером именно такого рода приборов.

Description

Осциллографы — это мощные инструменты, которые доказали свою полезность при проектировании и тестировании электронных устройств. Эти приборы крайне необходимы для оценки состояния системы, с их помощью становится возможным определить, какие из компонентов работают корректно, а какие являются источником ошибок. Кроме того, они помогают узнать, функционирует ли новый компонент так, как было спроектировано. Осциллографы намного более функциональны по сравнению с мультиметрами, потому что они позволяют вам увидеть, как на самом деле выглядят электронные сигналы.

 

Осциллографы используются в самых различных сферах — от автомобильной промышленности до университетских научно-исследовательских лабораторий и оборонной и аэрокосмической отраслей. Специалисты доверяют осциллографам, которые помогают им более эффективно выявлять неполадки устройств и создавать продукты с широкими функциональными возможностями.

 

Что такое осциллограф и для чего он нужен инженерам?

Основным назначением осциллографа является точное визуальное представление сигналов. По этой причине целостность сигнала является очень важной характеристикой. Понятие целостности сигнала относится к способности осциллографа воспроизводить форму сигнала так, чтобы он максимально точно отображал исходный сигнал. Осциллограф с низкой целостностью сигнала бесполезен, потому что бессмысленно выполнять измерения, если осциллограмма на экране осциллографа отличается по форме и характеристикам от реального сигнала. При этом, однако, важно помнить, что осциллограмма на экране прибора никогда не будет точным представлением реального сигнала вне зависимости от того, насколько хорош осциллограф. Это происходит потому, что при подключении осциллографа к схеме, сам осциллограф становится частью этой схемы. Другими словами, имеет место некоторое влияние нагрузки. Производители приборов стремятся свести к минимуму воздействие нагрузки, но оно, в той или иной степени, существует всегда.

Как выглядит осциллограф

 

В большинстве случаев современные цифровые осциллографы похожи на осциллограф, показанный на рисунке 1. Вместе с тем, на рынке представлены самые различные модели осциллографов, поэтому ваш прибор может выглядеть совсем иначе. Несмотря на это, есть некоторые характерные признаки, свойственные большей части такого рода приборов.

 

Передняя панель большинства осциллографов может быть разделена на несколько основных частей: входы каналов, дисплей, органы управления системой горизонтального отклонения, органы управления системой вертикального отклонения и органы управления системой синхронизации (запуска). Если ваш осциллограф работает под управлением операционной системы, отличной от Microsoft Windows, то он, скорее всего, будет иметь набор функциональных клавиш для управления меню на экране.

Рис. 1. Передняя панель осциллографа Keysight серии InfiniiVision 2000 X

 

 

Сигналы подаются на осциллограф через входы каналов, которые являются разъемами для подключения пробников. Дисплей — это просто экран, на котором отображаются исследуемые сигналы. Блоки органов управления системами горизонтального и вертикального отклонения содержат регуляторы и клавиши, с помощью которых осуществляется настройка параметров горизонтальной (которая обычно представляет собой ось времени) и вертикальной (которая представляет напряжение) оси при отображении сигналов на экране дисплея. Органы управления системой запуска указывают осциллографу, при каких условиях он должен начинать захватывать данные.

 

Пример того, как выглядит задняя панель осциллографа, показан на рисунке 2. Как можно заметить, многие осциллографы имеют такие же возможности подключения, как и персональные компьютеры. Здесь и приводы CD-ROM, CD-RW и DVD-RW, и USB порты, и последовательные порты, а также разъемы для подключения внешнего монитора, мыши и клавиатуры.
 

Рис. 2. Задняя панель осциллографа Keysight серии Infiniium 9000
 

Назначение осциллографов

Осциллограф — это контрольно-измерительный прибор, который используется для отображения графика зависимости одной переменной от другой. Например, можно построить на дисплее график зависимости напряжения (ось Y) от времени (ось X). На рисунке 3 показан пример такого графика. Это может быть полезным, если вы хотите проверить какой-либо электронный компонент и определить, насколько корректно он функционирует. Если вы знаете, какая форма сигнала должна быть на выходе данного компонента, вы можете использовать осциллограф, чтобы удостовериться, что компонент на самом деле выдает правильный сигнал. Обратите внимание, что оси X и Y разбиты на деления и образуют сетку. Сетка позволяет проводить визуальные измерения параметров сигнала, хотя при использовании современных осциллографов большинство из этих измерений могут быть сделаны автоматически и более точно самим осциллографом.
 

Рис. 3. Изображение зависимости напряжения прямоугольного сигнала от времени на экране осциллографа

Возможности осциллографа не ограничиваются только построением графика зависимости напряжения от времени. Осциллограф имеет несколько входов, называемых каналами, и каждый из них способен работать независимо. Поэтому вы можете подключить канал 1 к одному устройству, а канал 2 — к другому. В этом случае осциллограф позволяет построить график зависимости напряжения, измеренного на канале 1, от напряжения, измеряемого на  канале 2. Такой режим называется режимом XY осциллографа. Этот режим полезен для графического представления вольт-амперных характеристик или построения фигур Лиссажу, по форме которых можно судить о разности фаз и отношении частот двух сигналов. На рисунке 4 показаны примеры фигур Лиссажу и значения разности фаз и отношения частот, которым они соответствуют.
 

Рис. 4. Фигуры Лиссажу
 

 

Типы осциллографов

Аналоговые осциллографы

Первые осциллографы были аналоговыми, в которых для отображения сигнала использовались электронно-лучевые трубки. Фотолюминесцентный люминофор, которым покрыт экран, светится при попадании на него электрона, и по мере того как загорается каждый последующий участок люминофора, вы можете видеть изображение сигнала. Система синхронизации (запуска) осциллографа необходима для того, чтобы изображение сигнала на экране выглядело стабильным. По окончании вывода на экран всей осциллограммы осциллограф ждет наступления следующего определенного события запуска (например, пересечения нарастающим фронтом сигнала заданного значения напряжения), а затем запускает развертку снова. Несинхронизированный запуск развертки бесполезен, потому что изображение сигнала на экране будет нестабильным (это верно также и для цифровых запоминающих осциллографов DSO и осциллографов смешанных сигналов MSO, о которых будет рассказано ниже).
 

Рис. 5. Пример аналогового осциллографа
 

Аналоговые осциллографы полезны, в первую очередь, потому, что свечение люминофора исчезает не мгновенно. Вы можете наблюдать несколько осциллограмм, которые накладываются друг на друга, что позволяет отслеживать глитчи и другие аномалии сигнала. Поскольку отображение сигнала происходит, когда электрон сталкивается с экраном, яркость отображаемой осциллограммы непосредственно связана с интенсивностью реального сигнала. Это позволяет рассматривать осциллограмму как трехмерный график (то есть, ось X — время, ось Y — напряжение, ось Z — интенсивность).

 

Недостаток аналоговых осциллографов состоит в том, что они не позволяют зафиксировать изображение на экране и хранить осциллограмму в течение длительного периода времени. Поскольку вещество люминофора быстро гаснет, часть сигнала может теряться. Кроме того, вы не можете выполнять автоматические измерения параметров сигнала. Вместо этого обычно приходится выполнять измерения с использованием сетки на дисплее. Аналоговые осциллографы могут отображать не все типы сигналов, так как существует верхний предел скорости вертикальной и горизонтальной развертки электронного луча. И хотя аналоговые осциллографы до сих пор используются многими инженерами, их не часто можно увидеть в продаже. Им на смену пришли более современные цифровые осциллографы.

 

Цифровые запоминающие осциллографы (DSO — digital storage oscilloscopes)

Цифровые запоминающие осциллографы (DSO или ЦЗО) были созданы для того, чтобы можно было компенсировать недостатки, присущие аналоговым осциллографам. В цифровом осциллографе подаваемый на вход сигнал оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). На рисунке 6 показан пример архитектуры одного из цифровых осциллографов компании Keysight Technologies, Inc.
 

Рис. 6. Архитектура цифрового осциллографа

Аттенюатор предназначен для масштабирования сигнала. Усилитель вертикального отклонения обеспечивает дополнительное масштабирование сигнала перед его подачей на АЦП. Аналого-цифровой преобразователь производит выборку и оцифровку входного сигнала. Эти данные затем сохраняются в памяти прибора. Система синхронизации осуществляет поиск событий запуска, а блок временной развертки определяет длительность интервала времени, отображаемого на экране осциллографа. Микропроцессор выполняет заданную пользователем дополнительную пост-обработку, после чего сигнал, наконец, воспроизводится на экране осциллографа.

 

Наличие данных в цифровой форме позволяет осциллографу выполнить множество измерений различных параметров сигнала. Кроме того, сигналы могут храниться в памяти сколь угодно долго. Данные могут быть распечатаны или переданы на компьютер с помощью флеш-накопителя или диска DVD-RW, а также через интерфейсы LAN и USB. В настоящее время программное обеспечение позволяет управлять осциллографом с компьютера с использованием виртуальной передней панели.

 

Осциллографы смешанных сигналов (MSO)

В цифровых осциллографах входной сигнал является аналоговым, и аналого-цифровой преобразователь производит его оцифровку. Вместе с тем, по мере развития технологий цифровой электроники существенно возросла необходимость одновременного наблюдения аналоговых и цифровых сигналов. В результате производители осциллографов начали выпускать осциллографы смешанных сигналов, которые способны отображать и аналоговые, и цифровые сигналы, и осуществлять запуск по ним. Как правило, типовой осциллограф смешанных сигналов содержит два или четыре аналоговых и большее количество цифровых каналов (рис. 7).

 

 

 

Рис. 7. Входные разъемы на передней панели осциллографа смешанных сигналов: четыре аналоговых канала и восемь или шестнадцать цифровых каналов

 

Преимущество осциллографов смешанных сигналов состоит в том, что они позволяют осуществлять запуск по комбинации аналоговых и цифровых сигналов и отображать их в едином масштабе времени.

 

Органы управления на передней панели

Как правило, для управления осциллографом используются регуляторы и клавиши на передней панели. В дополнение к органам управления на передней панели многие современные высокопроизводительные осциллографы теперь оснащаются операционными системами, в результате чего они ведут себя как компьютеры. Вы можете подключить к осциллографу мышь и клавиатуру и использовать их для настройки органов управления с помощью выпадающих меню и кнопок на дисплее. Кроме того, некоторые осциллографы имеют сенсорные экраны, поэтому для доступа к меню вы можете использовать стилус или прикосновение пальцами.

 

Перед началом измерений…

Когда вы приступаете к работе с осциллографом, прежде всего проверьте, что используемый входной канал включен. Для установки осциллографа в исходное состояние по умолчанию нажмите клавишу [Default Setup] (Настройки по умолчанию), если она есть. Затем, при ее наличии, нажмите клавишу [Autoscale] (Автоматическое масштабирование). Это позволяет автоматически настроить вертикальный и горизонтальный масштаб, так, чтобы сигнал отображался на дисплее наилучшим образом. Эти настройки могут рассматриваться в качестве отправной точки, и в них затем можно вносить необходимые изменения. Если сигнал вдруг будет потерян, или возникнут проблемы с отображением сигнала, рекомендуется повторить эти шаги. Передние панели большинства осциллографов включают, по крайней мере, четыре основных блока: органы управления системами вертикального и горизонтального отклонения, органы управления системой запуска и органы управления входными каналами.

 

Органы управления системой вертикального отклонения

Органы управления системой вертикального отклонения осциллографа обычно объединяются в блок, который обозначен как «Vertical». Эти элементы позволяют настраивать параметры отображения сигнала по вертикальной оси дисплея. Так, например, среди них есть регуляторы, с помощью которых задается число вольт на деление (коэффициент отклонения) по оси Y сетки экрана. Вы можете растягивать осциллограмму по вертикали, уменьшая значение коэффициента отклонения, или, наоборот, сжимать ее, увеличивая эту величину. Кроме того, в блок «Vertical» входят органы управления положением (смещением) сигнала по вертикали. Эти регуляторы позволяют просто перемещать всю осциллограмму вверх или вниз по дисплею. На рисунке 7 показан блок органов управления системой вертикального отклонения осциллографа Keysight серии InfiniiVision 2000 Х.
 

Рис. 8. Блок органов управления системой вертикального отклонения осциллографа Keysight серии InfiniiVision 2000 X

Органы управления системой горизонтального отклонения

Органы управления системой горизонтального отклонения на передней панели осциллографа обычно объединяются в блок, который обозначен как «Horizontal». Эти органы управления обеспечивают настройку горизонтального масштаба осциллограммы. Один из элементов этого блока позволяет задавать масштаб по оси X — число секунд на деление (или коэффициент развертки). Уменьшая величину коэффициента развертки, вы можете уменьшить интервал времени, отображаемый на экране. Еще один регулятор этого блока предназначен для управления положением (смещением) осциллограммы по горизонтали. Он позволяет перемещать осциллограмму по экрану слева направо и наоборот точно в нужное положение. На рисунке 9 показан блок органов управления системой горизонтального отклонения осциллографа Keysight серии InfiniiVision 2000 Х.
 

Рис. 9. Блок органов управления системой горизонтального отклонения осциллографа  Keysight серии InfiniiVision 2000 X

Осциллограф: принцип работы, графики, измерения

Осциллограф: принцип работы, графики, измерения

Осциллограф – основы

Содержание

• Осциллограф. График осциллографа.
• Типы волн
• Измерения формы волны
• Измерения формы сигналов при помощи цифрового осциллографа

Осциллограф — это, по сути, устройство для отображения графика — он рисует график электрического сигнала. В большинстве приложений график показывает, как сигналы изменяются во времени: вертикальная ось (Y) представляет напряжение, а горизонтальная ось (X) представляет время. Интенсивность или яркость дисплея иногда называют осью Z, как показано на рисунке 1. В осциллографах DPO ось Z может быть представлена цветовой градацией дисплея, как показано на рисунке 2.

Рис. 1. Компоненты X, Y и Z отображаемого сигнала.

Рис. 2. Два смещенных шаблона синхронизации с градацией интенсивности по оси Z.

Этот простой график может многое рассказать о сигнале, например:

• Значения времени и напряжения сигнала
• Частота осциллирующего сигнала
• «Движущиеся части» цепи, представленные сигналом
• Частота, с которой конкретная часть сигнала возникает относительно других частей
• Искажает ли неисправный компонент сигнал
• Какая часть сигнала является постоянным током (DC) или переменным током (AC)
• Какая часть сигнала представляет собой шум и меняется ли шум со временем

Общие сведения о сигналах и измерениях сигналов

Общий термин для паттерна, который повторяется во времени, — это волна. Звуковые волны, мозговые волны, океанские волны и волны напряжения — все это повторяющиеся паттерны. Осциллограф измеряет волны напряжения. Физические явления, такие как вибрации или температура, или электрические явления, такие как ток или мощность, могут быть преобразованы датчиком в напряжение. Один цикл волны — это часть волны, которая повторяется. Форма волны — это графическое представление волны. Форма волны напряжения показывает время по горизонтальной оси и напряжение по вертикальной оси.

Формы сигналов многое говорят о сигнале. Каждый раз, когда вы видите изменение высоты формы волны, вы знаете, что напряжение изменилось. Плоская горизонтальная линия говорит о том, что за этот промежуток времени изменений не произошло. Прямые диагональные линии означают линейное изменение — рост или падение напряжения с постоянной скоростью. Острые углы на осциллограмме указывают на внезапное изменение. На рис. 3 показаны распространенные формы сигналов, а на рис. 4 — источники распространенных сигналов.

Рис. 3. Распространенные формы сигналов.

Рис. 4. Источники распространенных сигналов.

Типы волн

Большинство волн могут быть классифицированы по следующим типам:

• Синусоиды
• Квадратичные и прямоугольные волны
• Пилообразные и треугольные волны
• Пошаговые и пульсирующие волны
• Периодические и непериодические
• Синхронные и асинхронные
• Комплексные волны

Синусоидальные волны

Синусоида является основной формой волны по нескольким причинам. Он обладает гармоничными математическими свойствами. Напряжение в сетевой розетке изменяется по синусоиде. Тестовые сигналы, создаваемые схемой генератора генератора сигналов, часто представляют собой синусоидальные волны. Большинство источников переменного тока генерируют синусоидальные волны (AC означает переменный ток, хотя напряжение тоже меняется. DC означает постоянный ток, что означает постоянный ток и напряжение, например, вырабатываемые батареей).
Затухающая синусоида — это особый случай, который вы можете наблюдать в схеме, которая колеблется, но со временем затухает.

Квадратичные и прямоугольные волны

Прямоугольная волна — еще одна распространенная форма волны. По сути, прямоугольная волна представляет собой напряжение, которое включается и выключается (или становится высоким и низким) через равные промежутки времени. Это стандартная волна для тестирования усилителей. Хорошие усилители увеличивают амплитуду прямоугольной волны с минимальными искажениями.

Телевидение, радио и компьютерные схемы часто используют прямоугольные волны для синхронизации сигналов. Прямоугольная волна похожа на квадратичную, за исключением того, что высокие и низкие временные интервалы не имеют одинаковой длины. Это особенно важно при анализе цифровых схем.

Пилообразные и треугольные волны

Пилообразные и треугольные волны возникают в схемах, предназначенных для линейного управления напряжениями, таких как горизонтальная развертка аналогового осциллографа или растровая развертка телевизора. Переходы между уровнями напряжения этих волн изменяются с постоянной скоростью. Эти переходы называются рампами.

Пошаговые и пульсирующие волны

Такие сигналы, как ступени и импульсы, возникающие редко или непериодически, называются одиночными или переходными сигналами. Шаг означает мгновенное изменение значения напряжения, схожее с тем, что можно увидеть при включении переключателя подачи питания.

Импульс указывает на мгновенное изменение напряжения, схожее с изменением напряжения, которое можно наблюдать при периодическом включении и выключении переключателя. Импульс может представлять собой один бит информации, проходящий через компьютерную цепь, или это может быть сбой или дефект в цепи.

Множество импульсов, проходящих вместе, создает последовательность импульсов. Компоненты компьютерной цепи взаимодействуют друг с другом с помощью импульсов. Импульсы могут быть в форме потока последовательных данных или в форме множественных каналов сигнализации, которые могут быть задействованы на шине параллельной передачи данных (значений).  Импульсы также распространены в рентгеновском, радиолокационном и коммуникационном оборудовании.

Периодические и непериодические сигналы

Повторяющиеся сигналы называются периодическими сигналами, а сигналы, которые постоянно изменяются, называются непериодическими сигналами. Неподвижное изображение аналогично периодическому сигналу, тогда как фильм аналогичен непериодическому сигналу.

Синхронные и асинхронные сигналы

Когда между двумя сигналами существует временная связь, эти сигналы называются синхронными. Сигналы блока синхронизации, данные и адресные сигналы компьютера являются примерами синхронных сигналов.

Асинхронные сигналы — это сигналы, между которыми не существует временной зависимости. Поскольку между прикосновения к клавише клавиатуры компьютера и блоком синхросигналов компьютера не существует временной корреляции, эти сигналы считаются асинхронными.

Комплексные волны

Некоторые формы сигналов сочетают в себе характеристики синусов, прямоугольных, ступенчатых и импульсов для продуцирования сигналов сложной формы. Информация о сигнале может быть встроена в виде изменений амплитуды, фазы и/или вариации частоты. Например, хотя сигнал на рис. 5 представляет собой обычный композитный видеосигнал, он состоит из множества циклов высокочастотных сигналов, встроенных в низкочастотный кадр.

Рис. 5. Составной видеосигнал стандарта NTSC – пример комплексной волны.

Рис. 6. Глазковая диаграмма последовательной передачи данных 622 Мбит/с.

В этом примере обычно наиболее важно иметь представление об относительных уровнях и соотношениях синхронизаций ступеней. Для анализа такого сигнала требуется осциллограф, захватывающий в цветоразностном режиме низкочастотные кадры и элементы сопряжения высокочастотных волн так, что становится возможным увидеть их общую комбинацию в картинке, которую можно интерпретировать визуально.

Осциллографы с цифровым люминофором лучше всего подходят для обзора комплексных волн, таких как видеосигналы, показанные на рис. 5. Их дисплеи предоставляют необходимую информацию о частоте появления информации или градуировке интенсивности, которая необходима для понимания того, что на самом деле происходит с формой волны.

Некоторые осциллографы позволяют особым образом отображать определенные типы комплексных волн. Например, телекоммуникационные данные могут отображаться в виде глазковой диаграммы или диаграммы созвездия.

Цифровые телекоммуникационные сигналы данных могут отображаться на осциллографе в виде особого типа волн, называемого глазковой диаграммой. Название происходит от сходства формы волны с некоей последовательностью глаз, как показано на рисунке 6. Глазковые диаграммы продуцируются, когда цифровые данные от приемника дискретизируются и применяются к вертикальному входу, в то время как скорость передачи данных используется для запуска горизонтальной развёртки. Глазковая диаграмма отображает один бит или интервал данных со всеми возможными краевыми передачами и наложенными состояниями.

Рис. 7. Диаграмма созвездия.

Диаграмма созвездия представляет собой сигнал, модулированный через схему цифровой модуляции, такой как квадратурная амплитудная модуляция или фазовая манипуляция.

Измерения формы волны

Для описания типов измерений, выполняемых с помощью осциллографа, используется множество терминов. В этом разделе описываются некоторые из наиболее распространенных измерений и терминов.

Частота и период

Если сигнал повторяется, то это – частота. Частота измеряется в герцах (Гц) и соответствует количеству повторений сигнала за одну секунду, называемому циклами в секунду. Повторяющийся сигнал также имеет период – количество времени, которое требуется сигналу для завершения одного цикла.

Период и частота обратны друг другу, так что 1/период равна частоте, а 1/частоту эквивалентна периоду. Например, синусоида на рис. 8 имеет частоту 3 Гц и период 1/3 секунды.

Рис. 8. Частота и период синусоиды.

Рис. 9. Амплитуда и фаза синусоидального сигнала.

Напряжение

Напряжение — это величина электрического потенциала или силы сигнала между двумя точками в цепи. Обычно одна из этих точек земля или ноль вольт, но не всегда. Напряжение на форме волны от его максимального значения до минимального – измерение между пиковых значений.

Амплитуда

Амплитуда – максимальное значение напряжения сигнала за период. Амплитуда относится к максимальному напряжению сигнала, измеренному от земли, или от нуля вольт. Форма волны, показанная на рис. 9, имеет амплитуду 1 В и напряжение от пика до пика 2 В.

Понять, что представляет собой эта величина, проще всего, взглянув на синусоиду. Изменение значения напряжения синусоидального сигнала можно представить в виде кругового движения. Учитывая, что круг составляет 360°, один период синусоиды также равен 360°, как это показано на рис. 9. Применяя термин “градус”, можно вывести понятие угла фазы синусоиды, когда необходимо определить точку в пределах периода волны.

Сдвиг по фазе обозначает, на какой угол относительно друг друга сдвинуты схожие сигналы. Сигнал на рис. 10 обозначенный как “ток”, на 90° отстаёт от сигнала, обозначенного как “напряжение”, поскольку обе волны приходят в одни и те же точки их циклов точно с разницей в 1/4 периода (360°/4 = 90°). Сдвиги по фазе – распространенное явление в электронике.

Рис. 10. Сдвиг фазы.

Измерения формы сигналов при помощи цифрового осциллографа

Современные цифровые осциллографы обладают функциями, значительно облегчающими измерения формы сигналов. В качестве органов управления эти приборы используют клавиши лицевой панели и/или экранные меню, через которые можно выбрать режимы полностью автоматических измерений, включающих в себя измерение амплитуды, периода, времени нарастания/спада импульса и многое другое. Большинство цифровых осциллографов могут рассчитать среднее и среднеквадратическое значения, коэффициент заполнения, а также выполнить целый ряд других математических операций. Результаты автоматических измерений отображаются на экране в текстовом формате. Обычно такие показания более точны, чем интерпретация графического изображения.

Полностью автоматические измерения позволяют узнать следующие характеристики сигналов:

• Период
• Частота
• Длительность положительного импульса
• Длительность отрицательного импульса
• Время нарастания
• Время спада
• Амплитуда
• Коэффициент ослабления
• Средняя оптическая мощность

• Коэф. заполнения для положит. импульсов
• Коэф. заполнения для отриц. импульсов
• Задержка
• Фаза
• Длительность пакета
• Пиковое значение
• Среднее значение
• Среднее значение за период
• Значение за часть периода

• Высокий уровень
• Низкий уровень
• Минимальное значение
• Максимальное значение
• Выброс положительного импульса
• Выброс отрицательного импульса
• Среднеквадратическое значение
• Среднеквадратическое значение за период
• Джиттер

Источник: tek. com

Что такое осциллограф?

Что такое осциллограф?
Далее: Задачи Вверх: Фон Предыдущий: Как переписать

Форма волны, сгенерированная генератором сигналов ШИМ, представляет собой изменяющаяся во времени форма волны. Для проверки работоспособности вашего Генератор сигналов ШИМ, вы должны иметь возможность построить график сигнала уровень напряжения как функция времени. Цифровой мультиметр (цифровой мультиметр) для этого использовать нельзя, нужен другой кусок электронное испытательное оборудование, которое называется осциллограф .

Осциллограф – это прибор, отображающий график изменяющийся во времени входной сигнал. В этой лаборатории используется аналог Tektronix. объем. Панель управления этого прицела показана на рисунке 4

Рисунок 4: Панель управления аналоговым осциллографом Tektronix

Аналоговый осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки. (ЭЛТ), генератор развертки и вертикальный усилитель, как показано на рис. 5. Генератор развертки заставляет электронный луч в ЭЛТ перемещаться по горизонтали через фосфоресцирующий экран. Вертикальный усилитель перемещает луч в вертикальном направлении в ответ на применяемый входной сигнал. Горизонтальное и вертикальное движение электронного луча отслеживает время входного сигнала вариации. Эта кривая появляется на осциллографе. экран.

На рис. 5 показан внутренний компоненты осциллографа, а также передняя панель осциллографа Tektronix, который вы, вероятно, будете использовать. Примечание что существует по существу три важных типа средства управления, которыми вы должны быть в состоянии пользоваться. Эти элементы управления являются

1. вертикальная шкала (вольт/дел)
2. шкала времени (мс/дел)
3. триггер

Вертикальная шкала управляет усилением по вертикали. усилитель звука. Он определяет, как далеко будет распространяться электронный луч. двигаться (в вертикальном направлении) в ответ на приложенное Напряжение. Шкала времени определяет, как быстро электрон луч проходит по экрану, а триггер определяет, когда электронный пучок начинает развертку.

Рисунок 5: Схема внутренних подсистем в аналоге осциллограф

К сожалению, ЭЛТ не похожи на лист бумаги. Когда пишешь на экране, люминофор будет излучать свет за только короткое время. Поэтому картина должна быть постоянно обновляется. У вас нет абсолютно никакой надежды на это происходит, если только сигнал, на который вы пытаетесь взглянуть, не постоянно повторяющиеся (мы называем такие формы волны периодический ). Многие интересные формы сигналов являются периодическими. С повторяющимся сигналом у вас есть некоторая надежда, что тот же самый изображение будет постоянно обновляться, чтобы ваши медленные глаза может это воспринять.

Самые ранние прицелы имели ручку, которая позволяла регулировать частота развертки в попытке соответствовать частоте входной сигнал. Как вы могли догадаться, это сделано с использованием область применения довольно сложная. К счастью, гораздо лучшая система вскоре появился, назвал запускает развертку .

Идея триггерной развертки заключалась в том, чтобы попытаться получить несколько разверток, чтобы начать с одного и того же места на осциллограмме каждый раз. Таким образом, все картинки будут выровнены. Когда осциллограф видит, что ввод проходит определенный уровень, он будет запустить горизонтальную развертку. Вскоре после зачистки завершится, цепь снова активируется и будет ждать следующего триггерное событие.

Эта система, конечно, имела ограничения. Сложный формы волны, например, которые имеют несколько волн в один период может легко запутать схему триггера. К запустить цепь, все пересечения триггера точка будет выглядеть одинаково, поэтому она выберет их случайным образом. Часто где-то в цепи присутствует другой сигнал с тот же период, но без лишних ударов. Наибольший объем позволит вам запустить развертку для одного канала из другой канал, чтобы вы могли синхронизироваться с очистителем сигнал.

триггер характеризуется как минимум тремя параметрами. Эти параметры

1. Триггерное событие
2. Триггерный канал
3. Уровень срабатывания

Триггерное событие обычно указывается либо как нарастающее (падающий) край. Это означает, что осциллограф начинает его развертка при повышении (падении) изменения напряжения. триггерный канал определяет, какой из входных данных осциллографа канал может быть использован в качестве источника триггерного сигнала. Уровень срабатывания определяет, насколько велик рост или спадающий край приведет к срабатыванию прицела.

О пятнадцать лет назад, следующее большое достижение в области осциллографов произошла технология. Этим достижением стал цифровой процессор . сфера . Цифровой запоминающий осциллограф (DSO) в основном компьютер, оптимизированный для сбора данных. В сердце DSO — это один или несколько высокоскоростных аналого-цифровых преобразователи. Эти АЦП производят выборку аналоговых напряжений и отображают их на экране компьютера. Цифровой прицел может многое вещи, которые не может сделать аналоговый прицел. прежде всего цифровой осциллограф оцифровывает форму волны и может удерживать ее экран навсегда. Таким образом, вы можете сделать снимок конкретный сигнал, а затем изучите его на досуге.

Первоначальная настройка цифрового прицела может быть пугает начинающего студента, потому что контроль панель выглядит очень сложной. Процедура настройки для область применения указана ниже (см. рис. 6) Если вы будете следовать этой настройке, вы сможете настроить охват должным образом.

Рисунок 6: Настройка осциллографа

То, что вы только что прочитали, является довольно поспешным введением в осциллографы, но этого должно быть достаточно, чтобы получить начал. В этой лабораторной работе вам понадобятся осциллографы. для захвата ШИМ-сигнала, генерируемого вашей системой. Вы будете необходимо использовать захваченную трассу для измерения рабочего цикла и период ШИМ-сигнала.

---

Далее: Задачи Вверх: Фон Предыдущий: Как переписать

Майкл Леммон 2009-02-01

Что такое осциллограф? | Tektronix

Осциллограф, ранее известный как осциллограф (неофициально осциллограф, осциллограф или о-скоп), — это инструмент, который графически отображает электрические сигналы и показывает, как эти сигналы изменяются во времени. Он измеряет эти сигналы, подключаясь к датчику, который представляет собой устройство, создающее электрический сигнал в ответ на физические раздражители, такие как звук, свет и тепло. Например, микрофон — это датчик, который преобразует звук в электрический сигнал.

Здесь мы расскажем все, что вам нужно знать об осциллографе, от того, как он работает, до того, как выбрать правильный.

История осциллографа

В 1897 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун изобрел электронно-лучевую трубку, а вместе с ней и первый осциллограф, который спустя десятилетия был расширен компанией A. C. Cossor. В 1934 году General Radio выпустила первый коммерческий осциллограф, и он стал первым, который использовался вне лаборатории. А в 19В 46 году Говард Воллум и Мелвин Джек Мердок основали компанию Tektronix, которая впоследствии стала мировым лидером в производстве осциллографов. С тех пор Tek продолжает выпускать инновационные новые технологии, в том числе первый цифровой осциллограф в 1971 году и первое программное решение для передачи осциллографа в облако — TekDrive — в 2020 году. на протяжении всей истории. Вы можете посетить веб-сайт музея Tek, чтобы увидеть полный список осциллографов в фильмах.

Для чего нужен осциллограф?

Оптические приборы часто используются при проектировании, производстве или ремонте электронного оборудования. Инженеры используют осциллограф для измерения электрических явлений и быстрого и точного решения задач измерения, чтобы проверить свои конструкции или убедиться, что датчик работает правильно.

Кто пользуется осциллографом?

Ученые, инженеры, физики, специалисты по ремонту и преподаватели используют осциллографы для наблюдения за изменением сигналов во времени. Автомобильный инженер может использовать осциллограф для сопоставления аналоговых данных от датчиков с последовательными данными от блока управления двигателем. Между тем, медицинский исследователь может использовать осциллограф для измерения мозговых волн. Нет недостатка в приложениях для этого мощного инструмента.

Как работает осциллограф?

Существует три основных системы осциллографов: вертикальная, горизонтальная и система запуска. Вместе эти системы предоставляют информацию об электрическом сигнале, поэтому осциллограф может точно восстановить его. На рисунке ниже показана блок-схема осциллографа.

Первая ступень ослабляет или усиливает напряжение сигнала для оптимизации амплитуды сигнала; это называется вертикальной системой, поскольку она зависит от управления вертикальным масштабом. Затем сигнал поступает в блок сбора данных, где аналого-цифровой преобразователь (АЦП) используется для выборки напряжения сигнала и преобразования его в значение цифрового формата. Горизонтальная система, которая содержит часы выборки, дает каждой выборке напряжения точную временную (горизонтальную) координату. Тактовая частота дискретизации управляет АЦП, а его цифровой выход сохраняется в памяти сбора данных в качестве точки записи. Система триггера обнаруживает указанное пользователем условие в потоке входящего сигнала и применяет его в качестве эталона времени в записи осциллограммы. Отображается событие, отвечающее критериям запуска, а также данные сигнала, предшествующие или следующие за событием.

Сравнение осциллографа с цифровым мультиметром и вольтметра

Осциллограф, цифровой мультиметр, вольтметр — в чем разница и взаимозаменяемы ли они? Вольтметр измеряет разность потенциалов между двумя узлами электрической цепи. Хотя цифровой мультиметр также измеряет напряжение, он также может измерять ток и сопротивление. А осциллограф показывает, как меняется напряжение во времени. Как правило, по мере того, как приложение становится более продвинутым, совершенствуется и прибор.

Что измеряет осциллограф?

Проще говоря, осциллограф измеряет волны напряжения. На экране осциллографа напряжение отображается вертикально по оси Y, а время отображается горизонтально по оси X. Интенсивность или яркость дисплея иногда называют осью Z. Полученный график может многое рассказать о сигнале, в том числе:

• Значения времени и напряжения сигнала
• Частота колебательного сигнала
• «Движущиеся части» цепи, представленные сигналом
• Частота, с которой возникает конкретная часть сигнала относительно других частей
• Независимо от того, искажает ли неисправный компонент сигнал
• Какая часть сигнала представляет собой постоянный ток (DC) или переменный ток (AC)
• Шумовая часть сигнала
• Изменяется ли шум со временем

Типы осциллографов

Существует два типа осциллографов: аналоговые и цифровые. Аналоговый осциллограф захватывает и отображает форму волны напряжения в ее исходной форме, в то время как цифровой осциллограф использует аналого-цифровой преобразователь для захвата и хранения информации в цифровом виде. Когда дело доходит до отладки и проектирования, большинство инженеров сегодня используют цифровые осциллографы. Цифровые осциллографы обычно делятся на пять категорий: от менее дорогих осциллографов общего назначения до более сложных осциллографов, которые, хотя и дороже, предлагают расширенные функции и большую точность, чем более простые модели.

 

• Цифровой запоминающий осциллограф (DSO). Это обычный цифровой осциллограф, который идеально подходит для низкочастотных или однократных высокоскоростных многоканальных приложений.
• Осциллограф с цифровым люминофором (DPO): DPO использует новый подход к архитектуре осциллографа и, в отличие от DSO, обеспечивает ось Z (интенсивность) в режиме реального времени. DPO являются лучшим универсальным инструментом проектирования и устранения неполадок для широкого спектра приложений и часто используются для расширенного анализа, тестирования маски связи, цифровой отладки прерывистых сигналов, повторяющегося цифрового проектирования и приложений синхронизации.
• Осциллограф смешанных сигналов (MSO): тип DSO, MSO предназначены для отображения и сравнения как аналоговых, так и цифровых сигналов. Это инструмент выбора для быстрой отладки цифровых схем с использованием мощного цифрового запуска, возможности сбора данных с высоким разрешением и инструментов анализа.
• Осциллограф смешанных доменов (MDO): Эти осциллографы обладают теми же возможностями, что и осциллографы смешанных сигналов, но также имеют встроенный анализатор спектра, добавляя отладку ВЧ к аналоговым и цифровым возможностям.
Цифровой стробоскопический осциллограф
• . Для высокоскоростного анализа сигналов стробоскопические осциллографы поддерживают анализ джиттера и шума с получением данных со сверхнизким джиттером. Его полоса пропускания и высокоскоростная синхронизация в 10 раз выше, чем у других осциллографов для повторяющихся сигналов.

Узнайте больше о типах осциллографов и характеристиках каждого из них, чтобы найти осциллограф, подходящий для вашего приложения.

Как выбрать лучший осциллограф

Когда дело доходит до выбора правильного осциллографа, необходимо учитывать ряд факторов, включая полосу пропускания, частоту захвата сигнала, частоту дискретизации, время нарастания, возможности запуска и цену. Точно так же, как скорость затвора, условия освещения и диафрагма камеры влияют на ее способность четко и точно захватывать изображение, характеристики осциллографа существенно влияют на его способность обеспечивать требуемую целостность сигнала. Чтобы узнать больше об этих критериях и о том, как они могут относиться к вашим приложениям, прочитайте наш подробный обзор того, как оценивать осциллограф.

Ресурсы осциллографов

Цифровые осциллографы — это ключ к решению современных сложных измерительных задач. Tektronix является мировым лидером в производстве осциллографов и предлагает широкий выбор осциллографов для удовлетворения потребностей даже самых сложных приложений. Купите осциллографы сегодня или обратитесь к представителю Tektronix, чтобы запросить демонстрацию осциллографа.