Осциллограф - Oscilloscope
An осциллограф, ранее называемый осциллограф,[1][2] и неофициально известный как объем или же o-scope, CRO (для электронно-лучевого осциллографа) или DSO (для более современных цифровой запоминающий осциллограф ), является разновидностью электронный испытательный прибор который графически отображает изменяющийся сигнал напряжения, обычно в виде откалиброванного двухмерного графика одного или нескольких сигналов как функции времени. Отображаемый форма волны затем можно проанализировать на предмет таких свойств, как амплитуда, частота, время нарастания, временной интервал, искажение, и другие. Первоначально для вычисления этих значений требовалось вручную измерить форму волны по шкале, встроенной в экран прибора.[3] Современные цифровые инструменты могут вычислять и отображать эти свойства напрямую.
Осциллограф можно настроить так, чтобы повторяющиеся сигналы можно было наблюдать на экране в виде постоянной формы волны. А запоминающий осциллограф может захватывать отдельное событие и отображать его непрерывно, чтобы пользователь мог наблюдать за событиями, которые в противном случае появлялись бы слишком быстро, чтобы увидеть их напрямую.
Осциллографы используются в науке, медицине, машиностроении, автомобилестроении и телекоммуникационной отрасли. Инструменты общего назначения используются для обслуживания электронного оборудования и лабораторных работ. Осциллографы специального назначения могут использоваться для анализа автомобильной системы зажигания или для отображения формы сигнала сердцебиения в виде ЭКГ, например.
Используемые ранние осциллографы электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) в качестве элемента отображения (отсюда их обычно называют CRO) и линейных усилителей для обработки сигналов. В запоминающих осциллографах использовались специальные запоминающие ЭЛТ для стабильного отображения одного краткого сигнала. Позднее CRO были в значительной степени вытеснены цифровыми запоминающими осциллографами (DSO) с тонкие панели дисплеев, быстрый аналого-цифровые преобразователи и цифровые сигнальные процессоры. DSO без встроенных дисплеев (иногда называемых дигитайзерами) доступны по более низкой цене и используют универсальный компьютер для обработки и отображения сигналов.
История
В Браун трубка была известна в 1897 г., а в 1899 г. Джонатан Зеннек снабдили его пластинами формирования луча и магнитным полем для заметания следа.[4] Первые электронно-лучевые трубки применялись экспериментально для лабораторных измерений еще в 1920-х годах, но страдали от плохой стабильности вакуума и катодных эмиттеров. В. К. Зворыкин описал в 1931 году постоянно герметизированную электронно-лучевую трубку с высоким вакуумом и термоэлектронным эмиттером. Этот стабильный и воспроизводимый компонент позволил Общее радио для изготовления осциллографа, который можно было бы использовать вне лаборатории.[3]После Вторая Мировая Война излишки электронных деталей стали основой возрождения Корпорация Heathkit, и комплект осциллографа за 50 долларов, сделанный из таких деталей, имел первый успех на рынке.
Особенности и использование
Описание
Аналоговый осциллограф, как показано на рисунке, обычно делится на четыре части: дисплей, элементы управления по вертикали, элементы управления по горизонтали и элементы управления запуском. Дисплей обычно ЭЛТ с горизонтальными и вертикальными контрольными линиями, называемыми сетка. ЭЛТ Дисплеи также имеют элементы управления для фокусировки, интенсивности и луча.
Вертикальная секция контролирует амплитуду отображаемого сигнала. Эта секция имеет ручку переключения вольт на деление (Вольт / деление), переключатель переменного / постоянного тока / заземления и вертикальный (первичный) вход для прибора. Кроме того, эта секция обычно оснащена ручкой вертикального положения луча.
Горизонтальная секция управляет временной разверткой или "разверткой" инструмента. Первичным элементом управления является селекторный переключатель «Секунды на деление» (Sec / Div). Также имеется горизонтальный вход для построения сигналов двойной оси X-Y. Ручка горизонтального положения луча обычно находится в этой секции.
Секция триггера контролирует начальное событие развертки. Триггер может быть настроен на автоматический перезапуск после каждого цикла или может быть настроен на реакцию на внутреннее или внешнее событие. Основными элементами управления этой секции являются переключатели источника и селектора связи, а также вход внешнего триггера (вход EXT) и регулировка уровня.
В дополнение к базовому прибору большинство осциллографов поставляются с пробником. Пробник подключается к любому входу прибора и обычно имеет резистор, в десять раз превышающий входное сопротивление осциллографа. Это дает коэффициент затухания 0,1 (–10X); это помогает изолировать емкостную нагрузку, создаваемую кабелем зонда, от измеряемого сигнала. Некоторые датчики имеют переключатель, позволяющий оператору при необходимости обойти резистор.[3]
Размер и портативность
Большинство современных осциллографов - это легкие портативные приборы, достаточно компактные, чтобы их мог переносить один человек. Помимо портативных устройств, рынок предлагает ряд миниатюрных инструментов с батарейным питанием для полевых сервисов. Осциллографы лабораторного класса, особенно более старые модели, в которых используются вакуумные трубки, обычно являются настольными устройствами или устанавливаются на специальных тележках. Осциллографы специального назначения могут быть в стойке или стационарно монтируется в специальный приборный корпус.
Входы
Измеряемый сигнал подается на один из входных разъемов, который обычно является коаксиальным разъемом, таким как BNC или же Тип УВЧ. Обязательные сообщения или же банановые пробки может использоваться для более низких частот. Если источник сигнала имеет собственный коаксиальный разъем, то простой коаксиальный кабель используется; в противном случае специальный кабель под названием "зонд ", поставляемый с осциллографом. Как правило, для повседневного использования испытательный провод с разомкнутым проводом для подключения к наблюдаемой точке неудовлетворителен, и, как правило, требуется пробник. Осциллографы общего назначения обычно имеют входное сопротивление 1 мегом параллельно с небольшой, но известной емкостью, например 20 пикофарад.[5] Это позволяет использовать стандартные пробники осциллографа.[6] Осциллографы для использования с очень высокими частотами могут иметь входы 50 Ом. Они должны быть либо подключены напрямую к источнику сигнала 50 Ом, либо использоваться с Z0 или активные зонды.
Менее часто используемые входы включают один (или два) для запуска развертки, горизонтальное отклонение для дисплеев в режиме X ‑ Y и осветление / затемнение трассы, иногда называемое Входы по оси z.
Зонды
Измерительные провода с разомкнутыми проводами (подвижные провода) могут улавливать помехи, поэтому они не подходят для сигналов низкого уровня. Кроме того, выводы имеют высокую индуктивность, поэтому они не подходят для высоких частот. Для сигналов низкого уровня лучше использовать экранированный кабель (например, коаксиальный кабель). Коаксиальный кабель также имеет меньшую индуктивность, но более высокую емкость: типичный кабель с сопротивлением 50 Ом имеет около 90 пФ на метр. Следовательно, прямой коаксиальный пробник длиной один метр (1x) нагружает цепь с емкостью около 110 пФ и сопротивлением 1 МОм.
Чтобы минимизировать нагрузку, используются зонды аттенюатора (например, зонды 10X). В типичном пробнике используется последовательный резистор 9 МОм, зашунтированный конденсатором малой емкости для создания RC-компенсированного делителя с емкостью кабеля и входом осциллографа. Постоянные времени RC настроены для соответствия. Например, резистор серии 9 МОм шунтируется конденсатором 12,2 пФ на постоянную времени 110 микросекунд. Емкость кабеля 90 пФ параллельно входу осциллографа 20 пФ и 1 МОм (общая емкость 110 пФ) также дает постоянную времени 110 микросекунд. На практике существует регулировка, позволяющая оператору точно согласовать низкочастотную постоянную времени (так называемая компенсация датчика). Согласование постоянных времени делает затухание независимым от частоты. На низких частотах (где сопротивление р намного меньше реактивного сопротивления C) схема имеет вид резистивного делителя; на высоких частотах (сопротивление намного больше реактивного) схема выглядит как емкостной делитель.[7]
В результате получился зонд с частотной компенсацией для умеренных частот. Он представляет собой нагрузку около 10 МОм, шунтированную на 12 пФ. Такой пробник является улучшением, но он не работает хорошо, когда шкала времени сокращается до нескольких времен прохождения кабеля или меньше (время прохождения обычно составляет 5 нс).[требуется разъяснение ] В этот период времени кабель выглядит как его характеристический импеданс, и отражения от несоответствия линии передачи на входе осциллографа и зонда вызывают звон.[8] В современном осциллографе используются линии передачи с низкой емкостью и сложные схемы формирования частоты, чтобы пробник 10X хорошо работал на нескольких сотнях мегагерц. Следовательно, есть другие корректировки для завершения компенсации.[9][10]
Пробники с ослаблением 10: 1 являются наиболее распространенными; для больших сигналов (и немного меньшей емкостной нагрузки) можно использовать пробники 100: 1. Существуют также пробники, которые содержат переключатели для выбора соотношения 10: 1 или прямого (1: 1), но последняя настройка имеет значительную емкость (десятки пФ) на конце пробника, потому что тогда емкость всего кабеля подключается напрямую.
Большинство осциллографов обеспечивают коэффициенты ослабления пробника, отображающие эффективную чувствительность на конце пробника. Исторически сложилось так, что некоторые схемы автоопределения использовали индикаторные лампы за полупрозрачными окнами на панели для освещения различных частей шкалы чувствительности. Для этого на разъемах пробника (модифицированные BNC) был дополнительный контакт для определения затухания пробника. (Определенное значение резистора, подключенного к земле, «кодирует» затухание.) Из-за износа пробников и несовместимости схем автоопределения осциллографов разных производителей масштабирование пробников с автоопределением не является надежным. Точно так же ручная установка ослабления пробника может привести к ошибке пользователя. Неправильная установка масштабирования датчика является распространенной ошибкой и приводит к ухудшению показаний в 10 раз.
Специальный пробники высокого напряжения формируют компенсированные аттенюаторы со входом осциллографа. Они имеют большой корпус зонда, и некоторые из них требуют частичного заполнения контейнера, окружающего последовательный резистор, летучим жидким фторуглеродом для вытеснения воздуха. На торце осциллографа есть коробка с несколькими настройками подстройки формы сигнала. В целях безопасности защитный диск удерживает пальцы пользователя подальше от исследуемой точки. Максимальное напряжение находится в нижних десятках кВ. (Наблюдение за скачком высокого напряжения может создать ступенчатую форму волны со ступенями в разных точках при каждом повторении, пока наконечник датчика не соприкоснется. До этого момента крошечная дуга заряжает наконечник датчика, а его емкость удерживает напряжение (разомкнутая цепь). напряжение продолжает расти, еще одна крошечная дуга заряжает наконечник.)
Существуют также токовые пробники с сердечниками, которые окружают проводник, по которому проходит ток, который необходимо исследовать. Один тип имеет отверстие для проводника и требует, чтобы провод был пропущен через отверстие для полупостоянного или постоянного монтажа. Однако другие типы, используемые для временного тестирования, имеют сердечник, состоящий из двух частей, который можно зажимать вокруг провода. Внутри зонда катушка, намотанная вокруг сердечника, подает ток на соответствующую нагрузку, и напряжение на этой нагрузке пропорционально току. Этот тип датчика определяет только переменный ток.
Более сложный зонд включает датчик магнитного потока (эффект Холла датчик) в магнитной цепи. Зонд подключается к усилителю, который подает (низкочастотный) ток в катушку, чтобы погасить воспринимаемое поле; величина тока обеспечивает низкочастотную часть формы волны тока вплоть до постоянного тока. Катушка по-прежнему улавливает высокие частоты. Есть объединяющая сеть, похожая на кроссовер громкоговорителей.
Органы управления на передней панели
Контроль фокуса
Этот элемент управления регулирует фокус ЭЛТ для получения наиболее резких и детальных трассировок. На практике при наблюдении очень разных сигналов фокус необходимо немного отрегулировать, поэтому это должен быть внешний контроль. Управление изменяет напряжение, подаваемое на фокусирующий анод внутри ЭЛТ. Плоские дисплеи не нуждаются в этом элементе управления.
Контроль интенсивности
Это регулирует яркость следа. Для медленных кривых на осциллографах с ЭЛТ требуется меньше, а для быстрых, особенно если они не часто повторяются, требуется большая яркость. Однако на плоских панелях яркость следа по существу не зависит от скорости развертки, поскольку внутренняя обработка сигнала эффективно синтезирует отображение из оцифрованных данных.
Астигматизм
Вместо этого этот элемент управления может называться «форма» или «форма пятна». Он регулирует напряжение на последнем аноде ЭЛТ (непосредственно рядом с отклоняющими пластинами Y). Для круглого пятна последний анод должен иметь тот же потенциал, что и обе Y-образные пластины (для центрированного пятна напряжения Y-образных пластин должны быть одинаковыми). Если анод сделать более положительным, пятно станет эллиптическим в X-плоскости, поскольку более отрицательные Y-пластины будут отражать луч. Если анод сделать более отрицательным, пятно станет эллиптическим в Y-плоскости, поскольку более положительные Y-пластины будут притягивать луч. Этот контроль может отсутствовать в более простых конструкциях осциллографов или даже может быть внутренним контролем. Это не обязательно для плоских дисплеев.
Искатель луча
Современные осциллографы имеют усилители отклонения с прямой связью, что означает, что кривая может отклоняться за пределы экрана. Их луч также может быть отключен без ведома оператора. Чтобы помочь в восстановлении видимого изображения, схема искателя луча отменяет любое гашение и ограничивает отклоненный луч видимой частью экрана. Схемы поиска луча часто искажают трассу при активации.
Сетка
Сетка представляет собой сетку линий, которые служат ориентирами для измерения отображаемой кривой. Эти отметки, независимо от того, расположены они непосредственно на экране или на съемном пластиковом фильтре, обычно состоят из сетки размером 1 см с более близкими отметками (часто 2 мм) по центральной вертикальной и горизонтальной оси. Ожидается, что на экране появится десять основных разделов; количество основных вертикальных делений варьируется. Сравнение разметки сетки с осциллограммой позволяет измерить как напряжение (вертикальная ось), так и время (горизонтальная ось). Частоту также можно определить путем измерения периода формы сигнала и вычисления его обратной величины.
На старых и более дешевых осциллографах с ЭЛТ сетка представляет собой лист пластика, часто с светорассеивающими маркировками и скрытыми лампами на краю сетки. Лампы имели регулировку яркости. На более дорогих инструментах на внутренней стороне ЭЛТ нанесена сетка, чтобы исключить ошибки параллакса; у лучших также было регулируемое краевое освещение с рассеивающей маркировкой. (Рассеивающие маркировки выглядят яркими.) Цифровые осциллографы, тем не менее, генерируют сеточные маркировки на дисплее так же, как и кривые.
Внешние сетки также защищают стеклянную поверхность ЭЛТ от случайного удара. Некоторые осциллографы с ЭЛТ с внутренней сеткой имеют немаркированный светофильтр из тонированного листового пластика для повышения контрастности следа; это также служит для защиты лицевой панели ЭЛТ.
Точность и разрешающая способность измерений с использованием сетки относительно ограничены; у лучших инструментов иногда есть подвижные яркие маркеры на следе. Это позволяет внутренним схемам выполнять более точные измерения.
И калиброванная вертикальная чувствительность, и калиброванное горизонтальное время устанавливаются в 1 – 2 – 5 – 10 шаги. Однако это приводит к некоторым неудобным интерпретациям второстепенных подразделений.
Цифровые осциллографы генерируют сетку в цифровом виде. Таким образом, масштаб, интервал и т. Д. Сетки можно изменять, и точность показаний может быть улучшена.
Элементы управления временной шкалой
Они выбирают горизонтальную скорость пятна ЭЛТ при создании следа; этот процесс обычно называют разверткой. Во всех современных осциллографах, кроме наименее дорогих, скорость развертки выбирается и калибруется в единицах времени на одно деление основной сетки. Обычно обеспечивается довольно широкий диапазон скоростей развертки, от секунд до пикосекунд (в самом быстром) на деление. Обычно плавно регулируемый элемент управления (часто ручка перед калиброванной ручкой переключателя) предлагает неоткалиброванные скорости, обычно более низкие, чем откалиброванные. Этот элемент управления обеспечивает диапазон несколько больший, чем калиброванные шаги, делая доступной любую скорость между шагами.
Контроль задержки
Некоторые аналоговые осциллографы более высокого класса имеют контроль задержки. Это устанавливает время после запуска, в течение которого схема развертки не может быть запущена снова. Это помогает обеспечить стабильное отображение повторяющихся событий, в которых некоторые триггеры могут создавать запутанные изображения. Обычно его устанавливают на минимум, потому что большее время уменьшает количество разверток в секунду, что приводит к более тусклому следу. Видеть Откладывать для более подробного описания.
Регулировка вертикальной чувствительности, связи и полярности
Чтобы приспособиться к широкому диапазону входных амплитуд, переключатель выбирает калиброванную чувствительность вертикального отклонения. Другой элемент управления, часто расположенный перед ручкой калиброванного селектора, предлагает плавно регулируемую чувствительность в ограниченном диапазоне от калиброванных до менее чувствительных настроек.
Часто наблюдаемый сигнал компенсируется устойчивой составляющей, и интерес представляют только изменения. Переключатель входной связи в положении «AC» подключает конденсатор последовательно со входом. При этом передаются только изменения (при условии, что они не слишком медленные ("медленно" означает видимые[нужна цитата ]). Однако, когда сигнал имеет фиксированное смещение, представляющее интерес, или изменяется довольно медленно, пользователь обычно предпочитает связь «постоянного тока», которая обходит любой такой конденсатор. Большинство осциллографов имеют вход постоянного тока. Для удобства, чтобы увидеть, где в настоящий момент отображается на экране вход нулевого напряжения, многие осциллографы имеют третье положение переключателя (обычно обозначается «GND» для заземления), которое отключает вход и заземляет его. Часто в этом случае пользователь центрирует трассу с помощью регулятора вертикального положения.
У лучших осциллографов есть переключатель полярности. Обычно положительный вход перемещает трассу вверх; Селектор полярности предлагает вариант «инвертирования», при котором положительный сигнал отклоняет дорожку вниз.
Контроль чувствительности по горизонтали
Этот элемент управления есть только в более сложных осциллографах; он предлагает регулируемую чувствительность для внешних горизонтальных входов. Он активен только тогда, когда прибор находится в режиме X-Y, т. Е. Внутренняя развертка по горизонтали выключена.
Контроль вертикального положения
Регулятор положения по вертикали перемещает всю отображаемую кривую вверх и вниз. Он используется для установки трассы без ввода точно по центральной линии координатной сетки, но также позволяет смещать по вертикали на ограниченную величину. При прямом подключении регулировка этого элемента управления может компенсировать ограниченную составляющую постоянного тока на входе.
Контроль горизонтального положения
Регулятор горизонтального положения перемещает дисплей в сторону. Обычно он устанавливает левый конец трассы на левом краю координатной сетки, но при желании может сместить всю трассу. Этот элемент управления также перемещает кривые режима X-Y в сторону в некоторых инструментах и может компенсировать ограниченную составляющую постоянного тока для вертикального положения.
Контроль двойного следа
* (См. Раздел Осциллографы с двумя и несколькими кривыми ниже.)
Каждый входной канал обычно имеет собственный набор элементов управления чувствительностью, связью и положением, хотя некоторые осциллографы с четырьмя трассами имеют минимальные элементы управления для третьего и четвертого каналов.
Осциллографы с двумя трассами имеют переключатель режима для выбора одного канала, обоих каналов или (в некоторых случаях) отображения X ‑ Y, который использует второй канал для отклонения по оси X. Когда отображаются оба канала, на некоторых осциллографах можно выбрать тип переключения каналов; в других тип зависит от настройки временной развертки. При ручном выборе переключение каналов может быть автономным (асинхронным) или между последовательными развертками. Некоторые аналоговые осциллографы Philips с двумя трассами имели быстрый аналоговый умножитель и отображали произведение входных каналов.
Осциллографы с несколькими кривыми имеют переключатель для каждого канала, чтобы включить или отключить отображение кривой канала.
Элементы управления отложенной разверткой
* (См. Раздел «Задержанная развертка» ниже.)
К ним относятся элементы управления разверткой с задержкой, которая откалибрована и часто также может изменяться. Самая низкая скорость на несколько шагов выше, чем самая низкая скорость основной развертки, хотя самая быстрая, как правило, такая же. Калиброванный многооборотный регулятор времени задержки предлагает широкий диапазон настроек задержки с высоким разрешением; он охватывает всю длительность основной развертки, и его чтение соответствует делениям сетки (но с гораздо большей точностью). Его точность также превосходит точность дисплея.
Переключатель выбирает режимы отображения: только основная развертка, с более яркой областью, показывающей продвижение развертки с задержкой, только развертка с задержкой или (в некоторых) комбинированный режим.
Хорошие электронно-лучевые осциллографы включают регулятор интенсивности развертки с задержкой, чтобы обеспечить более диммерную трассировку гораздо более быстрой развертки с задержкой, которая, тем не менее, происходит только один раз за основную развертку. Такие осциллографы также, вероятно, будут иметь управление разделением трасс для мультиплексированного отображения одновременно как основной развертки, так и развертки с задержкой.
Элементы управления запуском развертки
* (См. Раздел «Запуск по триггеру» ниже.)
Переключатель выбирает источник запуска. Это может быть внешний вход, один из вертикальных каналов осциллографа с двумя или несколькими трассами или частота линии переменного тока (сети). Другой переключатель включает или отключает режим автоматического запуска или выбирает однократную развертку, если она предусмотрена в осциллографе. Либо положение переключателя с пружинным возвратом, либо кнопка активирует одиночные проходы.
Регулировка уровня запуска изменяет напряжение, необходимое для генерации запуска, а переключатель наклона выбирает положительную или отрицательную полярность на выбранном уровне запуска.
Основные виды развертки
Запуск развертки
Для отображения событий с неизменяющимися или медленно (заметно) изменяющимися формами сигналов, но происходящих в моменты, которые могут быть неравномерно распределены, современные осциллографы запускают развертку. По сравнению с более старыми, более простыми осциллографами с непрерывно работающими генераторами развертки, осциллографы с синхронизированной разверткой значительно более универсальны.
Запуск развертки начинается в выбранной точке сигнала, обеспечивая стабильное отображение. Таким образом, запуск позволяет отображать периодические сигналы, такие как синусоидальные и прямоугольные волны, а также непериодические сигналы, такие как одиночные импульсы или импульсы, которые не повторяются с фиксированной частотой.
При срабатывании развертки прицел заглушает луч и начинает сбрасывать схему развертки каждый раз, когда луч достигает крайней правой стороны экрана. В течение некоторого времени, называемого откладывать, (расширяемый элементом управления на передней панели на некоторых более совершенных осциллографах), схема развертки полностью сбрасывается и игнорирует триггеры. По истечении времени задержки следующий триггер запускает развертку. Событием триггера обычно является входной сигнал, достигающий определенного пользователем порогового напряжения (уровня триггера) в указанном направлении (положительное или отрицательное - полярность триггера).
В некоторых случаях может быть полезно использовать переменное время задержки, чтобы развертка игнорировала мешающие триггеры, которые возникают перед наблюдаемыми событиями. В случае повторяющихся, но сложных сигналов, переменная задержка может обеспечить стабильное отображение, которое иначе не было бы достигнуто.
Откладывать
Задержка триггера определяет определенный период после запуска, в течение которого развертка не может быть запущена снова. Это облегчает получение стабильного обзора форма волны с несколькими ребрами, которые в противном случае могли бы вызвать дополнительные триггеры.[11]
Пример
Представьте себе следующую повторяющуюся форму волны:
Зеленая линия представляет собой сигнал, красная вертикальная частичная линия представляет положение триггера, а желтая линия представляет уровень триггера. Если бы осциллограф был просто настроен на запуск по каждому нарастающему фронту, этот сигнал вызвал бы три запуска для каждого цикла:
Предполагая, что сигнал достаточно высокий частота, возможно, прицел будет выглядеть примерно так:
На реальном осциллографе все триггеры будут одного и того же канала, поэтому все будут одного цвета.
Желательно, чтобы осциллограф запускался только по одному фронту за цикл, поэтому необходимо установить задержку немного меньшую, чем период сигнала. Это предотвращает запуск более одного раза за цикл, но позволяет запускать его по первому фронту следующего цикла.
Автоматический режим развертки
При запуске развертки может отображаться пустой экран, если нет триггеров. Чтобы избежать этого, эти развертки включают схему синхронизации, которая генерирует автономные триггеры, поэтому след всегда виден. В элементах управления это называется «автоматическая развертка» или «автоматическая развертка». Как только появляются триггеры, таймер перестает предоставлять псевдотриггеры. Пользователь обычно отключает автоматическую развертку при низкой частоте повторения.
Периодические развертки
Если входной сигнал периодический, частоту повторения развертки можно отрегулировать для отображения нескольких периодов формы волны. Ранние (ламповые) осциллографы и недорогие осциллографы имеют генераторы развертки, которые работают непрерывно и не откалиброваны. Такие осциллографы очень просты, сравнительно недороги и были полезны при обслуживании радио и некоторых телевизоров. Измерение напряжения или времени возможно, но только с дополнительным оборудованием, что довольно неудобно. Это в первую очередь качественные инструменты.
У них есть несколько (широко разнесенных) частотных диапазонов и относительно широкий диапазон непрерывного управления частотой в заданном диапазоне.При использовании частота развертки устанавливается немного ниже некоторой долей входной частоты, чтобы обычно отображалось не менее двух периодов входного сигнала (чтобы все детали были видны). Очень простое управление подает регулируемую величину вертикального сигнала (или, возможно, соответствующего внешнего сигнала) на генератор развертки. Сигнал запускает гашение луча и обратный ход развертки раньше, чем это могло бы произойти в режиме холостого хода, и дисплей становится стабильным.
Одиночные развертки
Некоторые осциллографы предлагают их. Пользователь вручную включает схему развертки (обычно с помощью кнопки или аналогичного средства). «Включен» означает, что он готов среагировать на триггер. После завершения развертки она сбрасывается и не выполняет развертку до повторного включения. Этот режим в сочетании с камерой осциллографа фиксирует однократные события.
Типы триггеров включают:
- внешний триггер, импульс от внешнего источника, подключенного к выделенному входу на осциллографе.
- крайний триггер, детектор фронта, который генерирует импульс, когда входной сигнал пересекает заданное пороговое напряжение в заданном направлении. Это наиболее распространенные типы триггеров; регулятор уровня устанавливает пороговое напряжение, а регулятор наклона выбирает направление (отрицательное или положительное). (Первое предложение описания также относится к входам некоторых цифровых логических схем; эти входы имеют фиксированный порог и реакцию полярности.)
- видео триггер, схема, извлекающая синхронизирующие импульсы из видео форматы, такие как PAL и NTSC и запускает базу времени для каждой строки, указанной строки, каждого поля или каждого кадра. Эта схема обычно находится в монитор формы волны устройство, хотя некоторые лучшие осциллографы включают эту функцию.
- отложенный триггер, который ждет заданное время после триггера по фронту перед запуском развертки. Как описано в разделе «развертки с задержкой», схема задержки запуска (обычно основная развертка) увеличивает эту задержку до известного и регулируемого интервала. Таким образом, оператор может исследовать конкретный импульс в длинной серии импульсов.
Некоторые недавние конструкции осциллографов включают более сложные схемы запуска; они описаны в конце этой статьи.
Задержанные развертки
Более сложные аналоговые осциллографы содержат вторую временную развертку для развертки с задержкой. Развертка с задержкой дает очень подробный обзор некоторой небольшой выбранной части основной временной развертки. Основная временная развертка служит управляемой задержкой, после которой начинается отсроченная временная развертка. Это может начаться, когда истечет задержка, или может быть запущено (только) после истечения задержки. Обычно развертка с задержкой устанавливается на более быструю развертку, иногда намного быстрее, например, 1000: 1. При экстремальных соотношениях дрожание задержек при последовательных основных развертках ухудшает отображение, но триггеры с задержкой развертки могут это преодолеть.
На дисплее отображается вертикальный сигнал в одном из нескольких режимов: основной временной развертке, или только временной развертке с задержкой, или их комбинации. Когда активна развертка с задержкой, основная кривая развертки становится ярче, а развертка с задержкой продвигается. В одном комбинированном режиме, доступном только на некоторых осциллографах, кривая изменяется с основной развертки на развертку с задержкой после начала развертки с задержкой, хотя при более длительных задержках видна меньшая часть быстрой развертки с задержкой. Другой комбинированный режим мультиплексирует (чередует) основной и отложенный развертки, так что оба появляются одновременно; их смещает контроль разделения следов. Таким образом, DSO могут отображать формы сигналов, не предлагая как таковую отложенную временную развертку.
Осциллографы с двумя и несколькими трассами
Осциллографы с двумя вертикальными входами, называемые осциллографами с двумя трассами, чрезвычайно удобны и широко распространены. мультиплекс входы, обычно переключаясь между ними достаточно быстро, чтобы отображать сразу две трассы. Реже встречаются осциллографы с большим количеством кривых; Среди них обычно четыре входа, но некоторые (например, Kikusui) предлагали при желании отображение сигнала запуска развертки. Некоторые осциллографы с несколькими трассами используют вход внешнего запуска в качестве дополнительного вертикального входа, а некоторые имеют третий и четвертый каналы с минимальными элементами управления. Во всех случаях входы, когда они отображаются независимо, мультиплексируются по времени, но осциллографы с двумя трассами часто могут добавлять свои входы для отображения аналоговой суммы в реальном времени. Инвертирование одного канала при их сложении приводит к отображению различий между ними, при условии, что ни один канал не перегружен. Этот разностный режим может обеспечить дифференциальный вход с умеренной производительностью.)
Каналы переключения могут быть асинхронными, то есть автономными, по частоте развертки; или это можно сделать после завершения каждого горизонтального сканирования. Асинхронное переключение обычно обозначается как «Chopped», а синхронизированное с разверткой обозначается как «Alt [ernate]». Данный канал попеременно подключается и отключается, что приводит к термину «прерванный». Осциллографы с несколькими трассами также переключают каналы либо в прерывистом, либо в альтернативном режимах.
В общем, режим с нарезкой лучше подходит для более медленных разверток. Возможно, что внутренняя частота прерывания будет кратной частоте повторения развертки, создавая пробелы на трассах, но на практике это редко является проблемой. Промежутки в одной трассе заменяются трассами следующей развертки. Некоторые осциллографы имели модулированную частоту прерывания, чтобы избежать этой случайной проблемы. Однако альтернативный режим лучше подходит для более быстрого сканирования.
Настоящие двухлучевые осциллографы с ЭЛТ действительно существовали, но не были распространены. Один тип (Cossor, Великобритания) имел пластину светоделителя в ЭЛТ и несимметричное отклонение после светоделителя. Другие имели две полные электронные пушки, что требовало жесткого контроля осевого (вращательного) механического выравнивания при изготовлении ЭЛТ. Типы светоделителей имели горизонтальное отклонение, общее для обоих вертикальных каналов, но осциллографы с двумя пушками могли иметь отдельные временные развертки или использовать одну временную развертку для обоих каналов. Многозарядные ЭЛТ (до десяти пушек) производились в последние десятилетия. У десяти пушек оболочка (баллончик) была цилиндрической по всей длине. (См. Также «Изобретение ЭЛТ» в История осциллографа.)
Вертикальный усилитель
В аналоговом осциллографе вертикальный усилитель получает сигнал [ы] для отображения и выдает сигнал, достаточно сильный, чтобы отклонить луч ЭЛТ. В лучших осциллографах он задерживает сигнал на доли микросекунды. Максимальный прогиб, по крайней мере, несколько превышает края сетки и, как правило, находится на некотором расстоянии от экрана. Усилитель должен иметь низкие искажения, чтобы точно отображать входной сигнал (он должен быть линейным), и он должен быстро восстанавливаться после перегрузок. Кроме того, его характеристика во временной области должна точно отображать переходные процессы - минимальное перерегулирование, округление и наклон плоской вершины импульса.
Вертикальный входной сигнал поступает на ступенчатый аттенюатор с частотной компенсацией для уменьшения сильных сигналов и предотвращения перегрузки. Аттенюатор питает один или несколько каскадов низкого уровня, которые, в свою очередь, питают каскады усиления (и драйвер линии задержки, если есть задержка). Последующие каскады усиления приводят к финальному выходному каскаду, который развивает большой размах сигнала (десятки вольт, иногда более 100 вольт) для электростатического отклонения ЭЛТ.
В осциллографах с двумя и несколькими трассами внутренний электронный переключатель выбирает выходной сигнал относительно низкого уровня одного канального усилителя раннего каскада и отправляет его на следующие каскады вертикального усилителя.
В автономном («срезанном») режиме генератор (который может быть просто другим режимом работы драйвера переключателя) заглушает луч перед переключением и разблокирует его только после того, как установятся переходные процессы переключения.
Частично усилитель проходит через схемы запуска развертки для внутреннего запуска по сигналу. Этот сигнал будет поступать от усилителя отдельного канала в осциллографе с двумя или несколькими трассами, причем канал зависит от настройки селектора источника запуска.
Эта подача предшествует задержке (если таковая имеется), что позволяет схеме развертки разблокировать ЭЛТ и начать прямую развертку, чтобы ЭЛТ мог показать событие запуска. Высококачественные аналоговые задержки добавляют осциллографу скромную стоимость и не используются в недорогих осциллографах.
Сама задержка исходит от специального кабеля с парой проводников, намотанных на гибкий магнитно-мягкий сердечник. Обмотка обеспечивает распределенную индуктивность, а проводящий слой рядом с проводами обеспечивает распределенную емкость. Комбинация представляет собой широкополосную линию передачи со значительной задержкой на единицу длины. Оба конца кабеля задержки требуют согласованного импеданса, чтобы избежать отражений.
X-Y режим
Большинство современных осциллографов имеют несколько входов для напряжений, поэтому их можно использовать для построения графика зависимости одного переменного напряжения от другого. Это особенно полезно для построения графиков кривых ВАХ (Текущий против Напряжение характеристики) для таких компонентов, как диоды, а также Узоры Лиссажу. Фигуры Лиссажу - это пример того, как осциллограф можно использовать для отслеживания фаза различия между несколькими входными сигналами. Это очень часто используется в радиовещание рисовать слева и справа стереофонический каналов, чтобы гарантировать, что стерео генератор является откалиброванный правильно. Исторически стабильные фигуры Лиссажу использовались, чтобы показать, что две синусоидальные волны имеют относительно простое соотношение частот, численно небольшое отношение. Они также указали разность фаз между двумя синусоидальными волнами одинаковой частоты.
Режим X-Y также позволяет осциллографу служить векторный монитор для отображения изображений или пользовательских интерфейсов. Многие ранние игры, такие как Теннис для двоих, использовал осциллограф в качестве устройства вывода.[12]
Полная потеря сигнала на экране XY CRT означает, что луч неподвижен и попадает в небольшое пятно. При слишком высокой яркости люминофор может сгореть. Такие повреждения чаще наблюдались в старых прицелах, поскольку ранее использовавшиеся люминофоры горели легче. Некоторые специализированные дисплеи XY значительно уменьшают ток луча или полностью закрывают дисплей, если нет входов.
Z вход
Некоторые аналоговые осциллографы имеют вход Z. Обычно это входной терминал, который подключается непосредственно к решетке ЭЛТ (обычно через конденсатор связи). Это позволяет внешнему сигналу либо увеличивать (если положительный), либо уменьшать (если отрицательный) яркость следа, даже позволяя ему полностью погаснуть. Диапазон напряжений, обеспечивающий отключение до яркого дисплея, составляет порядка 10–20 вольт в зависимости от характеристик ЭЛТ.
Пример практического применения: пара синусоидальных волн известной частоты используется для создания круговой фигуры Лиссажу, а более высокая неизвестная частота применяется к входу Z. Это превращает непрерывный круг в круг из точек. Количество точек, умноженное на частоту XY, дает частоту Z. Этот метод работает только в том случае, если частота Z представляет собой целочисленное отношение частоты X-Y, и только если она не настолько велика, что точек становится настолько много, что их трудно сосчитать.
Пропускная способность
Как и все практические приборы, осциллографы не реагируют одинаково на все возможные входные частоты. Диапазон частот, который может отображать осциллограф, называется его диапазоном. пропускная способность. Полоса пропускания применяется в первую очередь к оси Y, хотя развертки по оси X должны быть достаточно быстрыми, чтобы отображать сигналы с самой высокой частотой.
Полоса пропускания определяется как частота, на которой чувствительность составляет 0,707 чувствительности при постоянном токе или самой низкой частоте переменного тока (падение на 3 дБ ).[13] Отклик осциллографа быстро спадает при повышении входной частоты выше этой точки. В пределах заявленной полосы частот отклик не обязательно будет точно однородным (или «плоским»), но всегда должен находиться в диапазоне от +0 до –3 дБ. Один источник[13] говорит, что есть заметное влияние на точность измерений напряжения только на 20 процентах заявленной полосы пропускания. Спецификации некоторых осциллографов включают более узкий диапазон допуска в пределах заявленной полосы пропускания.
У датчиков также есть ограничения по полосе пропускания, и их необходимо выбирать и использовать для правильной обработки интересующих частот. Для достижения максимально ровного отклика большинство пробников необходимо «компенсировать» (регулировка выполняется с помощью тестового сигнала от осциллографа), чтобы учесть реактивное сопротивление кабеля зонда.
Другая связанная спецификация время нарастания. Это длительность самого быстрого импульса, который может определить осциллограф. Это связано с пропускной способностью примерно следующим образом:
Полоса пропускания в Гц x время нарастания в секундах = 0,35.[14]
Например, осциллограф, предназначенный для разрешения импульсов с временем нарастания в 1 наносекунду, будет иметь полосу пропускания 350 МГц.
В аналоговых приборах полоса пропускания осциллографа ограничена вертикальными усилителями и ЭЛТ или другой подсистемой отображения. В цифровых приборах частота дискретизации аналого-цифровой преобразователь (АЦП) является фактором, но заявленная аналоговая полоса пропускания (и, следовательно, общая полоса пропускания прибора) обычно меньше, чем у АЦП. Частота Найквиста. Это связано с ограничениями в усилителе аналогового сигнала, преднамеренным дизайном фильтр сглаживания который предшествует АЦП, или и то, и другое.
Для цифрового осциллографа практическое правило состоит в том, что непрерывная частота дискретизации должна быть в десять раз больше максимальной частоты, которую необходимо разрешить; например, скорость 20 мегагерц в секунду может быть применима для измерения сигналов до 2 мегагерц. Это позволяет спроектировать фильтр сглаживания с точкой понижения на 3 дБ на 2 МГц и эффективным срезом на 10 МГц (частота Найквиста), избегая артефактов очень крутого ("кирпичная стена") фильтр.
А стробоскопический осциллограф может отображать сигналы со значительно более высокой частотой, чем частота дискретизации, если сигналы точно или почти повторяются. Он делает это, беря одну выборку из каждого последующего повторения входной формы волны, причем каждая выборка находится в увеличенном временном интервале от события запуска. Затем отображается форма волны из собранных образцов. Этот механизм называется «выборкой за эквивалентное время».[15] Некоторые осциллографы могут работать либо в этом режиме, либо в более традиционном режиме «реального времени» по выбору оператора.
Другие свойства
Некоторые осциллографы имеют курсоры. Это линии, которые можно перемещать по экрану для измерения временного интервала между двумя точками или разницы между двумя напряжениями. Несколько старых осциллографов просто осветляли кривую в подвижных местах. Эти курсоры более точны, чем визуальные оценки, относящиеся к линиям сетки.
Осциллографы общего назначения лучшего качества включают калибровочный сигнал для настройки компенсации тестовых пробников; это (часто) прямоугольный сигнал с частотой 1 кГц с определенным размахом напряжения, доступный на испытательной клемме на передней панели. Некоторые лучшие осциллографы также имеют прямоугольную петлю для проверки и настройки токовых пробников.
Иногда пользователь хочет видеть событие, которое случается лишь изредка. Чтобы уловить эти события, некоторые осциллографы, называемые объемы хранения- сохранить самый последний разверток на экране. Первоначально это было достигнуто с помощью специального ЭЛТ "трубка для хранения », которая долгое время сохраняла образ даже очень непродолжительного события.
Некоторые цифровые осциллографы могут сканировать со скоростью до одного раза в час, имитируя полосу самописец То есть сигнал прокручивается по экрану справа налево. Большинство осциллографов с этой функцией переключаются из режима развертки в режим ленточной диаграммы примерно с одной разверткой в десять секунд. Это потому, что в противном случае область видимости выглядит разбитой: она собирает данные, но точка не видна.
Все современные осциллографы, кроме простейших, чаще используют дискретизацию цифрового сигнала. Образцы поступают на быстрые аналого-цифровые преобразователи, после чего вся обработка (и хранение) сигналов осуществляется в цифровом виде.
Многие осциллографы содержат сменные модули для различных целей, например, высокочувствительные усилители с относительно узкой полосой пропускания, дифференциальные усилители, усилители с четырьмя или более каналами, модули выборки для повторяющихся сигналов очень высокой частоты и специальные плагины, включая аудио. / ультразвуковые анализаторы спектра и каналы со стабильным напряжением смещения с прямой связью и относительно высоким коэффициентом усиления.
Примеры использования
Одно из наиболее частых применений прицелов - исправление проблем неисправное электронное оборудование. Например, где вольтметр может показать совершенно неожиданное напряжение, осциллограф может показать, что цепь колеблется. В других случаях важна точная форма или время импульса.
Например, в электронном оборудовании соединения между ступенями (например, электронные микшеры, электронные генераторы, усилители ) можно «зондировать» на предмет ожидаемого сигнала, используя осциллограф в качестве простого средства отслеживания сигналов. Если ожидаемый сигнал отсутствует или неверен, это означает, что какой-то предыдущий этап электроники работает неправильно. Поскольку большинство отказов происходит из-за одного неисправного компонента, каждое измерение может показать, что некоторые ступени сложного оборудования либо работают, либо, вероятно, не вызвали неисправность.
Как только неисправный каскад обнаружен, дальнейшее зондирование обычно позволяет квалифицированному специалисту точно определить, какой компонент вышел из строя. После замены компонента устройство может быть восстановлено в рабочем состоянии или, по крайней мере, устранена следующая неисправность. Этот вид поиска и устранения неисправностей типичен для радио и телевизионных приемников, а также для усилителей звука, но может применяться к совершенно другим устройствам, таким как электронные приводы двигателей.
Другое использование - проверка недавно разработанной схемы. Часто вновь разработанная схема ведет себя неправильно из-за ошибок конструкции, плохих уровней напряжения, электрических шумов и т. Д. Цифровая электроника обычно работает от часов, поэтому полезен осциллограф с двумя трассами, показывающий как тактовый сигнал, так и тестовый сигнал, зависящий от часов. Объемы памяти полезны для «фиксации» редких электронных событий, вызывающих неисправность.
Фотографии использования
Гетеродин
Гул переменного тока на звуке
Сумма низкочастотного и высокочастотного сигнала
Плохой фильтр по синусу
Двойная кривая, показывающая разные временные базы для каждой кривой
Автомобильное использование
Впервые появившись в 1970-х годах для анализа систем зажигания, автомобильные осциллографы становятся важным инструментом мастерской для тестирования датчиков и выходных сигналов на электронных устройствах. управление двигателем системы, торможение и стабильность системы. Некоторые осциллографы могут запускать и декодировать сообщения последовательной шины, такие как CAN-шина обычно используется в автомобильной промышленности.
Выбор
Для работы на высоких частотах и с быстрыми цифровыми сигналами пропускная способность усилителей вертикальной развертки и частота дискретизации должна быть достаточно высокой. Для универсального использования обычно достаточно полосы пропускания не менее 100 МГц. Значительно более узкая полоса пропускания достаточна только для звуковых частот. Полезный диапазон развертки составляет от одной секунды до 100 наносекунд, с соответствующим запуском и (для аналоговых приборов) задержкой развертки. Для стабильного отображения требуется хорошо продуманная и стабильная схема запуска. Главное преимущество качественного осциллографа - качество схемы запуска.[нужна цитата ]
Ключевые критерии выбора DSO (помимо входной полосы пропускания) - это глубина памяти и частота дискретизации. Ранние DSO в середине и конце 1990-х годов имели всего несколько килобайт памяти выборки на канал. Этого достаточно для отображения базовой формы сигнала, но не позволяет, например, детально изучить форму сигнала или проверить длинные пакеты данных. Даже современные DSO начального уровня (<500 долл. США) теперь имеют 1 МБ или более выборочной памяти на канал, и это стало ожидаемым минимумом для любого современного DSO.[нужна цитата ] Часто эта память сэмплов разделяется между каналами и иногда может быть полностью доступна только при более низких частотах дискретизации. При самых высоких частотах дискретизации память может быть ограничена несколькими десятками КБ.[16]Любой современный DSO с частотой дискретизации "реального времени" обычно имеет входную полосу пропускания в 5–10 раз по частоте дискретизации. Таким образом, DSO с полосой пропускания 100 МГц будет иметь частоту дискретизации от 500 Ms / s до 1 Gs / s. Теоретическая минимальная требуемая частота дискретизации при использовании интерполяции SinX / x в 2,5 раза превышает ширину полосы пропускания.[17]
Аналоговые осциллографы практически полностью вытеснены цифровыми запоминающими устройствами, за исключением использования исключительно на более низких частотах. Значительно увеличенные частоты дискретизации в значительной степени устранили отображение некорректных сигналов, известное как «наложение спектров», которое иногда присутствовало в первом поколении цифровых осциллографов. Проблема может возникнуть, например, при просмотре короткого участка повторяющейся формы сигнала, который повторяется с интервалами в тысячи раз длиннее, чем просматриваемый участок (например, короткий импульс синхронизации в начале определенной телевизионной строки) с помощью осциллографа. который не может хранить чрезвычайно большое количество выборок между одним экземпляром короткого раздела и другим.
Рынок бывшего в употреблении испытательного оборудования, особенно на онлайн-аукционах, обычно имеет широкий выбор старых аналоговых прицелов. Однако становится все труднее получить запасные части для этих инструментов, а услуги по ремонту у оригинального производителя, как правило, недоступны. Используемые инструменты обычно не калиброваны, а повторная калибровка компаниями, имеющими оборудование и опыт, обычно стоит больше, чем стоимость инструмента, бывшего в употреблении.[нужна цитата ]
По состоянию на 2007 год[Обновить], с полосой пропускания 350 МГц (BW), 2,5 гигасэмпла в секунду (GS / s), двухканальный объем цифрового хранилища стоит около 7000 долларов США.[нужна цитата ]
На самом низком уровне можно купить недорогой одноканальный DSO для хобби по цене менее 90 долларов по состоянию на июнь 2011 года. Они часто имеют ограниченную полосу пропускания и другие возможности, но выполняют основные функции осциллографа.
Программного обеспечения
Сегодня многие осциллографы имеют один или несколько внешних интерфейсов, позволяющих удаленно приборный контроль внешним ПО. Эти интерфейсы (или шины) включают GPIB, Ethernet, Серийный порт,USB и ВАЙ ФАЙ.
Виды и модели
В следующем разделе приводится краткое описание различных типов и моделей. Для подробного обсуждения обратитесь к другой статье.
Электронно-лучевой осциллограф (CRO)
Самый ранний и простой тип осциллографа состоял из электронно-лучевая трубка, вертикаль усилитель мощности, развертка, горизонтальный усилитель и источник питания. Теперь их называют «аналоговыми», чтобы отличить их от «цифровых» прицелов, которые стали обычным явлением в 1990-х годах и позже.
Аналоговые осциллографы не обязательно включают калиброванную опорную сетку для измерения размеров волн, и они могут не отображать волны в традиционном смысле линейного сегмента, проходящего слева направо. Вместо этого они могут использоваться для анализа сигналов, подавая эталонный сигнал на одну ось, а сигнал для измерения - на другую ось. Для колеблющегося эталонного и измерительного сигнала это приводит к сложной петлевой схеме, называемой Кривая Лиссажу. Форма кривой можно интерпретировать, чтобы идентифицировать свойства измерительного сигнала по отношению к опорному сигналу, и может быть использовано в широком диапазоне частот колебаний.
Двухлучевой осциллограф
Двухлучевой аналоговый осциллограф может отображать два сигнала одновременно. Особый двухлучевой ЭЛТ генерирует и отклоняет два отдельных луча. Аналоговые осциллографы с несколькими трассами могут моделировать двухлучевой дисплей с прерыванием и чередованием развертки, но эти функции не обеспечивают одновременное отображение. (Цифровые осциллографы реального времени обладают теми же преимуществами, что и двухлучевые осциллографы, но для них не требуется двухлучевой дисплей.) Недостатки двухканального осциллографа заключаются в том, что он не может быстро переключаться между графиками и не может захватывать два быстрых переходных процесса. События. Двойной луч осциллограф позволяет избежать этих проблем.
Аналоговый запоминающий осциллограф
Хранение трассировки - это дополнительная функция, доступная на некоторых аналоговых осциллографах; они использовали ЭЛТ для хранения с прямым обзором. Хранение позволяет образцу следа, который обычно распадается за доли секунды, оставаться на экране в течение нескольких минут или дольше. Затем можно намеренно активировать электрическую цепь, чтобы сохранить и стереть след на экране.
Цифровые осциллографы
В то время как аналоговые устройства используют постоянно меняющиеся напряжения, цифровые устройства используют числа, которые соответствуют образцам напряжения. В случае цифровых осциллографов аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует измеренные напряжения в цифровую информацию.
Цифровой запоминающий осциллограф, или сокращенно DSO, сегодня является стандартным типом осциллографов для большинства промышленных приложений, и благодаря низкой стоимости осциллографов начального уровня даже для любителей. Он заменяет метод электростатического накопления в аналоговых накопителях на цифровой объем памяти, который хранит образцы данных столько, сколько необходимо, без ухудшения качества и отображает их без проблем с яркостью, характерных для ЭЛТ-накопителей. Это также позволяет комплексную обработку сигнала высокоскоростным цифровая обработка сигналов схемы.[3]
Стандартный DSO ограничен захватом сигналов с полосой пропускания менее половины частоты дискретизации АЦП (называемой Предел Найквиста). Существует разновидность DSO, называемая цифровой стробоскопический осциллограф который может превышать этот предел для определенных типов сигналов, таких как сигналы высокоскоростной связи, где форма волны состоит из повторяющихся импульсов. Этот тип DSO намеренно производит выборку на гораздо более низкой частоте, чем предел Найквиста, а затем использует обработку сигнала для восстановления составного изображения типичного импульса.[18]
Осциллографы смешанных сигналов
Осциллограф смешанных сигналов (или MSO) имеет два типа входов, небольшое количество аналоговых каналов (обычно два или четыре) и большее количество цифровых каналов (обычно шестнадцать). Он обеспечивает возможность точной временной корреляции аналоговых и цифровых каналов, что дает явное преимущество перед отдельным осциллографом и логическим анализатором. Обычно цифровые каналы могут быть сгруппированы и отображены в виде шины, при этом каждое значение шины отображается в нижней части дисплея в шестнадцатеричном или двоичном формате. На большинстве MSO триггер можно установить как по аналоговым, так и по цифровым каналам.
Осциллографы со смешанной областью
Осциллограф со смешанной областью (MDO) - это осциллограф с дополнительным ВЧ-входом, который используется исключительно для выделенного БПФ. анализатор спектра функциональность. Часто этот РЧ-вход предлагает более широкую полосу пропускания, чем обычные аналоговые входные каналы. В этом отличие от функции БПФ обычных цифровых осциллографов, которые используют обычные аналоговые входы. Некоторые MDO допускают временную корреляцию событий во временной области (например, конкретный пакет последовательных данных) с событиями, происходящими в частотной области (например, радиочастотные передачи). ).
Портативные осциллографы
Портативные осциллографы полезны для многих приложений тестирования и полевого обслуживания. Сегодня ручной осциллограф - это обычно цифровой стробоскопический осциллограф, используя жидкокристаллический отображать.
Многие ручные и настольные осциллографы имеют общую почву опорного напряжения для всех входных каналов. Если более чем один измерительный канал используется в то же время, все входные сигналы должны иметь один и тот же источник опорного напряжения, а общий опорный по умолчанию является «землей». Если нет дифференциального предусилителя или внешнего изолятора сигналов, этот традиционный настольный осциллограф не подходит для плавающих измерений. (Иногда пользователь осциллографа ломает контакт заземления в шнуре питания настольного осциллографа, пытаясь изолировать общий сигнал от заземления. Эта практика ненадежна, поскольку вся паразитная емкость приборного шкафа подключается к цепи . Также существует опасность разрыва заземления, и инструкции по эксплуатации настоятельно не рекомендуют этого.)
Некоторые модели осциллографа имеют изолированные входы, где терминалы опорного сигнала уровня не соединены между собой. Каждый входной канал можно использовать для выполнения «плавающих» измерений с независимым опорным уровнем сигнала. Измерения могут быть сделаны без связывания с одной стороны входа осциллографа к общему сигнальной цепи или заземления в качестве ссылки.
Доступная изоляция классифицируется, как показано ниже:
| Категория перенапряжения | Рабочее напряжение (эффективное значение переменного / постоянного тока относительно земли) | Пиковое мгновенное напряжение (повторяется 20 раз) | Тестовый резистор |
|---|---|---|---|
| CAT I | 600 В | 2500 В | 30 Ом |
| CAT I | 1000 В | 4000 В | 30 Ом |
| CAT II | 600 В | 4000 В | 12 Ом |
| CAT II | 1000 В | 6000 В | 12 Ом |
| CAT III | 600 В | 6000 В | 2 Ом |
Осциллографы на базе ПК
Некоторые цифровые осциллографы полагаются на платформу ПК для отображения и управления прибором.Это может быть автономный осциллограф с внутренней платформой ПК (материнская плата ПК) или внешний осциллограф, который подключается через USB или же LAN на отдельный ПК или ноутбук.
Связанные инструменты
Большое количество приборов, используемых в различных областях техники, на самом деле представляют собой осциллографы с входами, калибровкой, элементами управления, калибровкой дисплея и т. Д., Специализированными и оптимизированными для конкретного применения. Примеры таких приборов на базе осциллографов включают: мониторы формы сигнала для анализа уровней видео в телевизионные постановки и медицинские устройства, такие как мониторы жизненно важных функций и приборы для электрокардиограммы и электроэнцефалограммы. При ремонте автомобилей используется анализатор зажигания, чтобы показать формы искры для каждого цилиндра. Все они по сути являются осциллографами, выполняющими основную задачу по отображению изменений одного или нескольких входных сигналов с течением времени в Икс‑Y отображать.
Другие инструменты преобразуют результаты своих измерений в повторяющийся электрический сигнал и включают осциллограф в качестве элемента отображения. Такие сложные системы измерения включают анализаторы спектра, транзисторные анализаторы и рефлектометры во временной области (TDR). В отличие от осциллографа, эти инструменты автоматически генерируют стимул или изменяют параметр измерения.
Смотрите также
- Рисунок глаз
- Фонодейк
- Теннис для двоих, осциллографическая игра
- Рефлектометрия во временной области
- Вектороскоп
- Монитор формы волны
Рекомендации
- ^ Как электронно-лучевой осциллограф используется в радиотехническом обслуживании В архиве 2013-05-24 в Wayback Machine, Национальный институт радио (1943)
- ^ "Электронно-лучевой осциллограф 274A, оборудование DuMont Labs, Allen B" (на немецком). Radiomuseum.org. В архиве из оригинала от 03.02.2014. Получено 2014-03-15.
- ^ а б c d Куларатна, Нихал (2003), "Основы осциллографов", Цифровые и аналоговые приборы: тестирование и измерения, Институт инженерии и технологий, стр. 165–208, ISBN 978-0-85296-999-1
- ^ Мартон, Л. (1980). «Фердинанд Браун: забытый предок». В Suesskind, Чарльз (ред.). Успехи электроники и электронной физики. 50. Академическая пресса. п. 252. ISBN 978-0-12-014650-5. В архиве из оригинала от 03.05.2014.
впервые встречается в паре более поздних работ Ценнека (1899a, b).
- ^ Значение 20 пикофарад типично для полосы пропускания осциллографа около 100 МГц; Например, входное сопротивление Tektronix 7A26 с частотой 200 МГц составляет 1 МОм и 22 пФ. (Tektronix (1983 г., п. 271); смотрите также Tektronix (1998 г., п. 503), «типичная модель пассивного пробника с высоким Z 10X».) В осциллографах с меньшей полосой пропускания использовались более высокие емкости; входное сопротивление Tektronix 7A22 с частотой 1 МГц составляет 1 МОм и 47 пФ. (Tektronix 1983 г., стр. 272–273) В осциллографах с большей полосой пропускания используются меньшие емкости. Входное сопротивление Tektronix TDS510A с частотой 500 МГц составляет 1 МОм и 10 пФ. (Tektronix 1998, п. 78)
- ^ Пробники рассчитаны на определенный входной импеданс. У них есть настройки компенсации с ограниченным диапазоном, поэтому их часто нельзя использовать с разными входными сопротивлениями.
- ^ Свадьба и Роберж (1969)
- ^ Коббе и политики (1959)
- ^ Tektronix (1983 г., п. 426); Tek утверждает, что резистивный коаксиальный кабель 300 МГц при 30 пФ на метр; схема имеет 5 корректировок.
- ^ Zeidlhack & White (1970)
- ^ Джонс, Дэвид. "Учебное пособие по задержке срабатывания триггера осциллографа". EEVblog. В архиве из оригинала 28 января 2013 г.. Получено 30 декабря 2012.
- ^ Нозовиц, Дэн (2008-11-08). "'"Теннис для двоих", первая в мире графическая видеоигра ". Retromodo. Gizmodo. В архиве из оригинала от 07.12.2008. Получено 2008-11-09.
- ^ а б Вебстер, Джон Г. (1999). Справочник по измерениям, приборам и датчикам (иллюстрированный ред.). Springer. С. 37–24. ISBN 978-3540648307.
- ^ Спитцер, Фрэнк; Ховарт, Барри (1972), Принципы современного приборостроения, Нью-Йорк: Холт, Райнхарт и Уинстон, стр.119 , ISBN 0-03-080208-3
- ^ «Архивная копия» (PDF). В архиве (PDF) из оригинала от 02.04.2015. Получено 2015-03-20.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
- ^ Джонс, Дэвид. "Учебное пособие по DSO". EEVblog. В архиве из оригинала 28 января 2013 г.. Получено 30 декабря 2012.
- ^ «Минимальная требуемая частота дискретизации для осциллографа с полосой пропускания 1 ГГц» (PDF). keysight.com. Keysight Technologies. В архиве (PDF) из оригинала 16 июня 2013 г.. Получено 30 декабря 2012.
- ^ Грин, Лесли (21 июня 2001 г.), «Теоремы о псевдонимах: практическая недостаточная выборка для опытных инженеров», EDN, в архиве из оригинала 20 июня 2013 г., получено 11 октября 2012
- США 2883619, Коббе, Джон Р. и Уильям Дж. Политс, «Электрический зонд», выпущенный 21 апреля 1959 г.
- Tektronix (1983), Тек продукты, Tektronix
- Tektronix (1998), Каталог измерительной продукции 1998/1999, Tektronix
- Wedlock, Брюс Д .; Роберж, Джеймс К. (1969), Электронные компоненты и измерения, Прентис-Холл, стр. 150–152, ISBN 0-13-250464-2
- США 3532982, Zeidlhack, Donald F. & Richard K. White, "Transmission Line Termination Circuit", опубликовано 6 октября 1970 г.
внешняя ссылка
- Сайт катодно-лучевой трубки
- Музей виртуального осциллографа
- Интерактивная онлайн-демонстрация осциллографа
