Осциллограф (неофициально осциллограф или O-scope ) — это тип электронного испытательного прибора , который графически отображает изменяющиеся напряжения одного или нескольких сигналов в зависимости от времени. Их основное назначение — сбор информации об электрических сигналах для отладки, анализа или характеризации. Затем отображаемую форму сигнала можно проанализировать на предмет таких свойств, как амплитуда , частота , время нарастания , временной интервал, искажение и другие. Первоначально для расчета этих значений требовалось ручное измерение формы сигнала по шкале, встроенной в экран прибора. [1] Современные цифровые приборы могут рассчитывать и отображать эти свойства напрямую.
Осциллографы используются в науке, машиностроении, биомедицине, автомобилестроении и телекоммуникационной промышленности. Приборы общего назначения используются для обслуживания электронного оборудования и лабораторных работ. Специальные осциллографы могут использоваться для анализа автомобильной системы зажигания или для отображения формы волны сердцебиения в виде электрокардиограммы , например.
Первые высокоскоростные визуализации электрических напряжений выполнялись с помощью электромеханического осциллографа [2] [3], изобретенного Андре Блонделем в 1893 году. Они давали ценную информацию об изменениях напряжения с высокой скоростью, но имели частотную характеристику в один кГц и были вытеснены осциллографом, который использовал электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) в качестве элемента отображения.
Трубка Брауна , предшественник ЭЛТ, была известна в 1897 году, а в 1899 году Джонатан Ценнек оснастил ее пластинами для формирования луча и магнитным полем для отклонения следа, и это легло в основу ЭЛТ. [4] Ранние ЭЛТ применялись экспериментально для лабораторных измерений еще в 1920-х годах, но страдали от плохой стабильности вакуума и катодных эмиттеров. В. К. Зворыкин описал постоянно герметичную высоковакуумную ЭЛТ с термоионным эмиттером в 1931 году. Этот стабильный и воспроизводимый компонент позволил General Radio изготовить осциллограф, который можно было использовать вне лабораторных условий. [1]
После Второй мировой войны излишки электронных деталей стали основой для возрождения Heathkit Corporation , а комплект осциллографа стоимостью 50 долларов, изготовленный из таких деталей, имел огромный рыночный успех.
Аналоговый осциллограф обычно делится на четыре секции: дисплей, вертикальные элементы управления, горизонтальные элементы управления и элементы управления триггером. Дисплей обычно представляет собой ЭЛТ с горизонтальными и вертикальными опорными линиями, называемыми сеткой . ЭЛТ-дисплеи также имеют элементы управления фокусировкой, интенсивностью и искателем луча.
Вертикальная секция управляет амплитудой отображаемого сигнала. Эта секция имеет ручку выбора вольт на деление (Volts/Div), переключатель выбора AC/DC/Ground и вертикальный (основной) вход для прибора. Кроме того, эта секция обычно оснащена ручкой вертикального положения луча.
Горизонтальная секция управляет временной базой или разверткой прибора. Основной элемент управления — селекторный переключатель секунд на деление (Sec/Div). Также имеется горизонтальный вход для построения двойных сигналов осей XY. Ручка горизонтального положения луча обычно располагается в этой секции.
Секция триггера управляет событием запуска развертки. Триггер может быть настроен на автоматический перезапуск после каждой развертки или может быть настроен на реагирование на внутреннее или внешнее событие. Основными элементами управления этой секции являются переключатели выбора источника и связи, а также внешний вход триггера (EXT Input) и регулировка уровня.
В дополнение к базовому прибору большинство осциллографов поставляются с зондом. Зонд подключается к любому входу прибора и обычно имеет резистор, в десять раз превышающий входное сопротивление осциллографа. Это приводит к коэффициенту затухания 0,1 (‑10×); это помогает изолировать емкостную нагрузку, представляемую кабелем зонда, от измеряемого сигнала. Некоторые зонды имеют переключатель, позволяющий оператору обойти резистор, когда это необходимо. [1]
Большинство современных осциллографов — это легкие, портативные приборы, достаточно компактные для переноски одним человеком. Помимо портативных приборов, на рынке представлено множество миниатюрных приборов с питанием от батарей для полевых работ. Лабораторные осциллографы, особенно старые приборы, использующие вакуумные трубки , обычно являются настольными устройствами или устанавливаются на специальные тележки. Специальные осциллографы могут быть установлены в стойку или постоянно установлены в корпусе специального прибора.
Измеряемый сигнал подается на один из входных разъемов, который обычно является коаксиальным разъемом, например, типа BNC или UHF . Для более низких частот можно использовать винтовые клеммы или штекеры типа «банан » . Если источник сигнала имеет собственный коаксиальный разъем, то используется простой коаксиальный кабель ; в противном случае используется специализированный кабель, называемый « зонд осциллографа », поставляемый вместе с осциллографом. Как правило, для повседневного использования открытый провод для подключения к наблюдаемой точке не является удовлетворительным, и обычно необходим зонд. Осциллографы общего назначения обычно имеют входное сопротивление 1 МОм параллельно с небольшой, но известной емкостью, например, 20 пикофарад. [5] Это позволяет использовать стандартные зонды 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 Z 0 или активными зондами.
Менее часто используемые входы включают один (или два) для запуска развертки, горизонтального отклонения для отображения в режиме X-Y и осветления/затемнения трассировки, иногда называемые входами оси z'.
Тестовые провода открытого провода (свободные провода) могут улавливать помехи, поэтому они не подходят для сигналов низкого уровня. Кроме того, провода имеют высокую индуктивность, поэтому они не подходят для высоких частот. Использование экранированного кабеля (т. е. коаксиального кабеля) лучше для сигналов низкого уровня. Коаксиальный кабель также имеет более низкую индуктивность, но имеет более высокую емкость: типичный кабель сопротивлением 50 Ом имеет около 90 пФ на метр. Следовательно, однометровый прямой (1×) коаксиальный зонд нагружает цепь емкостью около 110 пФ и сопротивлением 1 МОм.
Для минимизации нагрузки используются аттенюаторные зонды (например, 10-кратные зонды). Типичный зонд использует последовательный резистор 9 МОм, зашунтированный конденсатором с низким значением, чтобы создать RC-компенсированный делитель с емкостью кабеля и входом осциллографа. Постоянные времени RC регулируются для соответствия. Например, последовательный резистор 9 МОм зашунтирован конденсатором 12,2 пФ для постоянной времени 110 микросекунд. Емкость кабеля 90 пФ параллельно с входом осциллографа 20 пФ и 1 МОм (общая емкость 110 пФ) также дает постоянную времени 110 микросекунд. На практике существует регулировка, позволяющая оператору точно подобрать постоянную времени низкой частоты (называется компенсацией зонда). Соответствие постоянных времени делает затухание независимым от частоты. На низких частотах (где сопротивление R намного меньше реактивного сопротивления C ) схема выглядит как резистивный делитель; на высоких частотах (сопротивление намного больше реактивного сопротивления) схема выглядит как емкостный делитель. [7]
Результатом является частотно-компенсированный зонд для умеренных частот. Он представляет нагрузку около 10 МОм, шунтированную 12 пФ. Такой зонд является улучшением, но не работает хорошо, когда временной масштаб сокращается до нескольких времен прохождения кабеля или меньше (время прохождения обычно составляет 5 нс). [ необходимо разъяснение ] В этом временном интервале кабель выглядит как его характеристическое сопротивление, а отражения от линии передачи не совпадают на входе осциллографа, и зонд вызывает звон. [8] Современный осциллограф использует линии передачи с низкой емкостью и сложные сети формирования частоты, чтобы 10-кратный зонд хорошо работал на нескольких сотнях мегагерц. Следовательно, существуют другие настройки для завершения компенсации. [9] [10]
Зонды с затуханием 10:1 являются наиболее распространенными; для больших сигналов (и немного меньшей емкостной нагрузки) могут использоваться зонды 100:1. Существуют также зонды, которые содержат переключатели для выбора соотношения 10:1 или прямого (1:1), но последняя настройка имеет значительную емкость (десятки пФ) на кончике зонда, поскольку тогда вся емкость кабеля подключается напрямую.
Большинство осциллографов предусматривают коэффициенты затухания зонда, отображающие эффективную чувствительность на кончике зонда. Исторически некоторые схемы автоматического определения использовали индикаторные лампы за полупрозрачными окнами на панели для освещения различных частей шкалы чувствительности. Для этого разъемы зонда (модифицированные BNC) имели дополнительный контакт для определения затухания зонда. (Определенное значение резистора, подключенного к земле, «кодирует» затухание.) Поскольку зонды изнашиваются, а схемы автоматического определения несовместимы между различными марками осциллографов, масштабирование зонда с автоматическим определением не является надежным. Аналогично, ручная настройка затухания зонда подвержена ошибкам пользователя. Неправильная настройка масштабирования зонда является распространенной ошибкой и снижает показания в 10 раз.
Специальные высоковольтные зонды образуют компенсированные аттенюаторы с входом осциллографа. Они имеют большой корпус зонда, и некоторые требуют частичного заполнения контейнера, окружающего последовательный резистор, летучим жидким фторуглеродом для вытеснения воздуха. На конце осциллографа есть коробка с несколькими регулировками подстройки формы сигнала. Для безопасности барьерный диск удерживает пальцы пользователя подальше от исследуемой точки. Максимальное напряжение составляет несколько десятков кВ. (Наблюдение за высоковольтным скачком может создать лестничную форму сигнала со ступеньками в разных точках при каждом повторении, пока наконечник зонда не соприкоснется. До тех пор крошечная дуга заряжает наконечник зонда, и его емкость удерживает напряжение (разомкнутая цепь). По мере того, как напряжение продолжает расти, другая крошечная дуга заряжает наконечник дальше.)
Существуют также токовые зонды с сердечниками, которые окружают проводник, по которому проходит ток, подлежащий проверке. 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 двухкомпонентный сердечник, который можно зажать вокруг провода. Внутри зонда катушка, намотанная вокруг сердечника, обеспечивает ток в соответствующую нагрузку, а напряжение на этой нагрузке пропорционально току. Этот тип зонда обнаруживает только переменный ток.
Более сложный зонд включает в себя датчик магнитного потока ( датчик Холла ) в магнитной цепи. Зонд подключается к усилителю, который подает (низкочастотный) ток в катушку для компенсации обнаруженного поля; величина тока обеспечивает низкочастотную часть формы волны тока, вплоть до постоянного тока. Катушка по-прежнему улавливает высокие частоты. Существует объединяющая сеть, похожая на кроссовер громкоговорителя.
Этот элемент управления регулирует фокус ЭЛТ для получения наиболее резкого и детального следа. На практике фокус необходимо немного подстраивать при наблюдении очень разных сигналов, поэтому это должен быть внешний элемент управления. Элемент управления изменяет напряжение, подаваемое на фокусирующий анод внутри ЭЛТ. Плоские дисплеи не нуждаются в этом элементе управления.
Это регулирует яркость трассы. Медленные трассы на осциллографах с ЭЛТ требуют меньше, а быстрые, особенно если они не часто повторяются, требуют большей яркости. Однако на плоских панелях яркость трассы по существу не зависит от скорости развертки, поскольку внутренняя обработка сигнала эффективно синтезирует отображение из оцифрованных данных.
Вместо этого этот элемент управления можно назвать «формой» или «формой пятна». Он регулирует напряжение на последнем аноде ЭЛТ (сразу за отклоняющими пластинами Y). Для круглого пятна последний анод должен иметь тот же потенциал, что и обе пластины Y (для центрального пятна напряжения пластин Y должны быть одинаковыми). Если анод сделать более положительным, пятно станет эллиптическим в плоскости X, поскольку более отрицательные пластины Y будут отталкивать луч. Если анод сделать более отрицательным, пятно станет эллиптическим в плоскости Y, поскольку более положительные пластины Y будут притягивать луч. Этот элемент управления может отсутствовать в более простых конструкциях осциллографов или даже может быть внутренним элементом управления. Он не нужен для дисплеев с плоским экраном.
Современные осциллографы имеют усилители отклонения с прямой связью, что означает, что след может быть отклонен за пределы экрана. Они также могут гасить свой луч без ведома оператора. Чтобы помочь восстановить видимое изображение, схема искателя луча отменяет любое гашение и ограничивает отклонение луча видимой частью экрана. Схемы искателя луча часто искажают след при активации.
Сетка представляет собой сетку линий, которые служат опорными метками для измерения отображаемой трассы. Эти отметки, независимо от того, расположены ли они непосредственно на экране или на съемном пластиковом фильтре, обычно состоят из сетки размером 1 см с более близкими делениями (часто на 2 мм) на центральной вертикальной и горизонтальной оси. Ожидается увидеть десять основных делений на экране; количество вертикальных основных делений варьируется. Сравнение отметок сетки с формой сигнала позволяет измерить как напряжение (вертикальная ось), так и время (горизонтальная ось). Частоту также можно определить, измерив период формы сигнала и вычислив его обратную величину.
На старых и недорогих осциллографах с ЭЛТ сетка представляет собой лист пластика, часто со светорассеивающими отметками и скрытыми лампами по краю сетки. Лампы имели регулировку яркости. Более дорогие приборы имеют сетку, нанесенную на внутреннюю поверхность ЭЛТ, чтобы исключить ошибки параллакса ; лучшие также имели регулируемую подсветку края с рассеивающими отметками. (Рассеивающие отметки кажутся яркими.) Цифровые осциллографы, однако, генерируют отметки сетки на дисплее таким же образом, как и след.
Внешние сетки также защищают стеклянную поверхность ЭЛТ от случайного удара. Некоторые осциллографы с ЭЛТ и внутренними сетками имеют немаркированный тонированный пластиковый светофильтр для улучшения контрастности трассировки; он также служит для защиты лицевой панели ЭЛТ.
Точность и разрешение измерений с использованием сетки относительно ограничены; лучшие приборы иногда имеют подвижные яркие маркеры на трассе. Это позволяет внутренним схемам выполнять более точные измерения.
Как калиброванная вертикальная чувствительность, так и калиброванное горизонтальное время устанавливаются с шагом 1 – 2 – 5 – 10. Однако это приводит к некоторым неудобным интерпретациям мелких делений.
Цифровые осциллографы генерируют сетку в цифровом виде. Таким образом, масштаб, интервал и т. д. сетки могут быть изменены, а точность показаний может быть улучшена.
Они выбирают горизонтальную скорость пятна ЭЛТ, когда оно создает след; этот процесс обычно называют разверткой. Во всех, кроме самых дешевых современных осциллографов, скорость развертки выбирается и калибруется в единицах времени на главное деление сетки. Обычно предоставляется довольно широкий диапазон скоростей развертки, от секунд до пикосекунд (в самой быстрой) на деление. Обычно бесступенчатый регулятор (часто ручка перед калиброванной ручкой селектора) предлагает некалиброванные скорости, как правило, медленнее калиброванных. Этот регулятор обеспечивает диапазон, несколько больший, чем калиброванные шаги, делая любую скорость между шагами доступной.
Некоторые более дорогие аналоговые осциллографы имеют управление удержанием. 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 создают запутанные отображения. Обычно оно установлено на минимум, поскольку большее время уменьшает количество разверток в секунду, что приводит к более тусклой трассе. См. Удержание для более подробного описания.
Для размещения широкого диапазона входных амплитуд переключатель выбирает калиброванную чувствительность вертикального отклонения. Другой элемент управления, часто перед калиброванной ручкой селектора, предлагает плавно регулируемую чувствительность в ограниченном диапазоне от калиброванных до менее чувствительных настроек.
Часто наблюдаемый сигнал смещен постоянным компонентом, и интерес представляют только изменения. Входной переключатель связи в положении «AC» последовательно подключает конденсатор к входу, который блокирует низкочастотные сигналы и постоянный ток. Однако, когда сигнал имеет фиксированное смещение, представляющее интерес, или изменяется медленно, пользователь обычно предпочитает связь «DC», которая обходит любой такой конденсатор. Большинство осциллографов предлагают опцию входа постоянного тока. Для удобства, чтобы увидеть, где в данный момент на экране отображается вход нулевого напряжения, многие осциллографы имеют третье положение переключателя (обычно обозначенное «GND» для заземления), которое отключает вход и заземляет его. Часто в этом случае пользователь центрирует трассу с помощью управления вертикальным положением.
Лучшие осциллографы имеют селектор полярности. Обычно положительный вход перемещает след вверх; селектор полярности предлагает опцию «инвертирования», в которой положительный идущий сигнал отклоняет след вниз.
Регулятор вертикального положения перемещает всю отображаемую трассу вверх и вниз. Он используется для установки трассы без ввода точно на центральной линии сетки, но также допускает смещение по вертикали на ограниченную величину. При прямом соединении настройка этого элемента управления может компенсировать ограниченную составляющую постоянного тока входа.
Этот элемент управления есть только на более сложных осциллографах; он обеспечивает регулируемую чувствительность для внешних горизонтальных входов. Он активен только тогда, когда прибор находится в режиме XY, т. е. внутренняя горизонтальная развертка отключена.
Управление горизонтальной позицией перемещает дисплей вбок. Обычно оно устанавливает левый конец трассы на левом краю сетки, но может смещать всю трассу при желании. Это управление также перемещает трассы режима XY вбок в некоторых приборах и может компенсировать ограниченную составляющую постоянного тока, как и для вертикальной позиции.
Каждый входной канал обычно имеет собственный набор элементов управления чувствительностью, связью и положением, хотя некоторые четырехканальные осциллографы имеют лишь минимальные элементы управления для третьего и четвертого каналов.
Двухканальные осциллографы имеют переключатель режимов для выбора либо одного канала, либо обоих каналов, либо (в некоторых) отображения X-Y, которое использует второй канал для отклонения X. Когда отображаются оба канала, на некоторых осциллографах можно выбрать тип переключения каналов; на других тип зависит от настройки временной развертки. Если выбирать вручную, переключение каналов может быть свободным (асинхронным) или между последовательными развертками. Некоторые двухканальные аналоговые осциллографы Philips имели быстрый аналоговый умножитель и обеспечивали отображение произведения входных каналов.
Многоканальные осциллографы имеют переключатель для каждого канала, позволяющий включать или отключать отображение трассы канала.
Они включают элементы управления для временной развертки с задержкой, которая калибруется и часто также является переменной. Самая медленная скорость на несколько шагов быстрее самой медленной скорости основной развертки, хотя самая быстрая, как правило, такая же. Калиброванный многооборотный элемент управления временем задержки предлагает широкий диапазон настроек задержки с высоким разрешением; он охватывает всю продолжительность основной развертки, и его показания соответствуют делениям сетки (но с гораздо большей точностью). Его точность также превосходит точность дисплея.
Переключатель выбирает режимы отображения: только основная развертка с яркой областью, показывающей, когда выполняется отложенная развертка, только отложенная развертка или (в некоторых случаях) комбинированный режим.
Хорошие осциллографы с ЭЛТ включают в себя управление интенсивностью задержанной развертки, чтобы обеспечить более тусклую трассировку гораздо более быстрой задержанной развертки, которая, тем не менее, происходит только один раз за основную развертку. Такие осциллографы также, вероятно, будут иметь управление разделением трассировки для мультиплексного отображения как основной, так и задержанной развертки вместе.
Переключатель выбирает источник запуска. Это может быть внешний вход, один из вертикальных каналов двух- или многоканального осциллографа или частота линии переменного тока (сети). Другой переключатель включает или выключает режим автоматического запуска или выбирает одиночную развертку, если она предусмотрена в осциллографе. Либо положение переключателя с пружинным возвратом, либо кнопка активирует одиночные развертки.
Регулятор уровня триггера изменяет напряжение, необходимое для генерации триггера, а переключатель наклона выбирает положительную или отрицательную полярность на выбранном уровне триггера.
Для отображения событий с неизменными или медленно (видимо) меняющимися формами волн, но происходящих в моменты времени, которые могут быть неравномерно распределены, современные осциллографы имеют запускаемые развертки. По сравнению со старыми, более простыми осциллографами с непрерывно работающими осцилляторами развертки, запускаемые развертки осциллографы заметно более универсальны.
Запускаемая развертка начинается в выбранной точке сигнала, обеспечивая стабильное отображение. Таким образом, запуск позволяет отображать периодические сигналы, такие как синусоиды и прямоугольные волны, а также непериодические сигналы, такие как одиночные импульсы или импульсы, которые не повторяются с фиксированной частотой.
При запущенных развертках осциллограф гасит луч и начинает сбрасывать схему развертки каждый раз, когда луч достигает крайней правой стороны экрана. В течение периода времени, называемого удержанием (можно расширить с помощью элемента управления на передней панели на некоторых лучших осциллографах), схема развертки полностью сбрасывается и игнорирует триггеры. После истечения удержания следующий триггер запускает развертку. Событием триггера обычно является достижение входной формы сигнала некоторого заданного пользователем порогового напряжения (уровня триггера) в указанном направлении (становясь положительным или отрицательным — полярность триггера).
В некоторых случаях переменное время задержки может быть полезным, чтобы заставить развертку игнорировать мешающие триггеры, которые происходят до событий, которые необходимо наблюдать. В случае повторяющихся, но сложных форм волн переменное время задержки может обеспечить стабильное отображение, которое в противном случае не могло бы быть достигнуто.
Trigger holdoff определяет определенный период после триггера, в течение которого развертка не может быть запущена снова. Это облегчает установление стабильного вида формы волны с несколькими фронтами, что в противном случае вызвало бы дополнительные триггеры. [11]
Представьте себе следующую повторяющуюся волну:
Зеленая линия — это форма волны, красная вертикальная частичная линия представляет местоположение триггера, а желтая линия представляет уровень триггера. Если бы область действия была просто настроена на триггер на каждом переднем фронте, эта форма волны вызвала бы три триггера для каждого цикла:
Если предположить, что сигнал имеет достаточно высокую частоту , то дисплей осциллографа, вероятно, будет выглядеть примерно так:
На реальном прицеле каждый триггер будет соответствовать одному и тому же каналу, поэтому все они будут иметь одинаковый цвет.
Желательно, чтобы осциллограф запускался только по одному фронту за цикл, поэтому необходимо установить удержание немного меньше периода формы сигнала. Это предотвращает срабатывание более одного раза за цикл, но все еще позволяет ему запускаться по первому фронту следующего цикла.
Triggered sweeps может отображать пустой экран, если нет триггеров. Чтобы избежать этого, эти развертки включают схему синхронизации, которая генерирует свободно работающие триггеры, так что след всегда виден. Это называется «автоматической разверткой» или «автоматической разверткой» в элементах управления. После получения триггеров таймер прекращает подачу псевдотриггеров. Пользователь обычно отключает автоматическую развертку, когда наблюдает низкие частоты повторения.
Если входной сигнал периодический, частоту повторения развертки можно настроить для отображения нескольких циклов формы сигнала. Ранние (ламповые) осциллографы и осциллографы с самой низкой стоимостью имеют генераторы развертки, которые работают непрерывно и некалиброваны. 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 и довольно неудобно. Это в первую очередь качественные приборы.
Они имеют несколько (широко разнесенных) диапазонов частот и относительно широкодиапазонное непрерывное управление частотой в пределах заданного диапазона. При использовании частота развертки устанавливается немного ниже некоторой кратной входной частоты, чтобы отображать обычно не менее двух циклов входного сигнала (чтобы были видны все детали). Очень простое управление подает регулируемое количество вертикального сигнала (или, возможно, связанного внешнего сигнала) на генератор развертки. Сигнал запускает гашение луча и обратный ход развертки раньше, чем это произошло бы в свободном режиме, и отображение становится стабильным.
Некоторые осциллографы предлагают такие возможности. Пользователь вручную активирует схему развертки (обычно кнопкой или эквивалентом). «Активирован» означает, что она готова реагировать на триггер. После завершения развертки она сбрасывается и не активирует развертку снова, пока не будет повторно активирована. Этот режим в сочетании с камерой осциллографа фиксирует единичные события.
Типы триггеров включают в себя:
Некоторые современные конструкции осциллографов включают более сложные схемы запуска; они описаны в конце статьи.
Более сложные аналоговые осциллографы содержат вторую временную развертку для задержанной развертки. Задержанная развертка обеспечивает очень подробный просмотр некоторой небольшой выбранной части основной временной развертки. Основная временная развертка служит в качестве управляемой задержки, после которой запускается задержанная временная развертка. Она может начаться по истечении задержки или может быть запущена (только) после ее истечения. Обычно задержанная временная развертка устанавливается для более быстрой развертки, иногда намного быстрее, например, 1000:1. При экстремальных соотношениях джиттер в задержках на последовательных основных развертках ухудшает отображение, но запуски задержанной развертки могут преодолеть это.
Дисплей показывает вертикальный сигнал в одном из нескольких режимов: основная временная развертка, или только задержанная временная развертка, или их комбинация. Когда задержанная развертка активна, след основной развертки становится ярче, пока задержанная развертка продвигается. В одном комбинированном режиме, предусмотренном только на некоторых осциллографах, след меняется с основной развертки на задержанную развертку, как только начинается задержанная развертка, хотя для более длительных задержек видна меньшая часть задержанной быстрой развертки. Другой комбинированный режим мультиплексирует (чередует) основную и задержанную развертки так, что обе появляются одновременно; управление разделением следов смещает их. DSO могут отображать формы сигналов таким образом, не предлагая задержанную временную развертку как таковую.
Осциллографы с двумя вертикальными входами, называемые двухканальными осциллографами, чрезвычайно полезны и распространены. Используя однолучевой ЭЛТ, они мультиплексируют входы, обычно переключаясь между ними достаточно быстро, чтобы отображать два следа, по-видимому, одновременно. Менее распространены осциллографы с большим количеством следов; среди них распространены четыре входа, но некоторые (например, Kikusui) предлагают отображение сигнала запуска развертки при желании. Некоторые многоканальные осциллографы используют внешний вход запуска как дополнительный вертикальный вход, а некоторые имеют третий и четвертый каналы только с минимальными элементами управления. Во всех случаях входы, когда отображаются независимо, мультиплексируются по времени, но двухканальные осциллографы часто могут складывать 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 из каналов не перегружен. Этот разностный режим может обеспечить дифференциальный вход средней производительности.)
Переключение каналов может быть асинхронным, т. е. свободным, относительно частоты развертки; или это может быть сделано после завершения каждой горизонтальной развертки. Асинхронное переключение обычно обозначается как «Chopped», в то время как синхронизированное разверткой обозначается как «Alt[ernate]». Данный канал попеременно подключается и отключается, что приводит к термину «chopped». Многоканальные осциллографы также переключают каналы либо в режиме прерывания, либо в режиме чередования.
В целом, режим прерывания лучше подходит для более медленных разверток. Возможно, что внутренняя частота прерывания будет кратна частоте повторения развертки, создавая пробелы в трассах, но на практике это редко является проблемой. Пробелы в одной трассе перезаписываются трассами следующей развертки. Несколько осциллографов имели модулированную частоту прерывания, чтобы избежать этой случайной проблемы. Однако альтернативный режим лучше подходит для более быстрых разверток.
Настоящие двухлучевые осциллографы с ЭЛТ существовали, но не были распространены. Один тип (Cossor, Великобритания) имел пластину светоделителя в своей ЭЛТ и одностороннее отклонение после сплиттера. Другие имели две полные электронные пушки , что требовало строгого контроля осевого (вращательного) механического выравнивания при производстве ЭЛТ. Типы с делителем луча имели горизонтальное отклонение, общее для обоих вертикальных каналов, но двухлучевые осциллографы могли иметь отдельные временные базы или использовать одну временную базу для обоих каналов. Многолучевые ЭЛТ (до десяти пушек) производились в прошлые десятилетия. С десятью пушками оболочка (колба) была цилиндрической по всей своей длине. (Также см. «Изобретение ЭЛТ» в Истории осциллографов .)
В аналоговом осциллографе вертикальный усилитель получает сигнал(ы), который должен быть отображен, и выдает сигнал, достаточно большой для отклонения луча ЭЛТ. В лучших осциллографах он задерживает сигнал на долю микросекунды. Максимальное отклонение находится, по крайней мере, немного за краями сетки и, как правило, на некотором расстоянии от экрана. Усилитель должен иметь низкие искажения, чтобы точно отображать свой входной сигнал (он должен быть линейным), и он должен быстро восстанавливаться после перегрузок. Кроме того, его временной отклик должен точно представлять переходные процессы — минимальное превышение, округление и наклон плоской вершины импульса.
Вертикальный вход поступает на частотно-компенсированный шаговый аттенюатор для уменьшения больших сигналов с целью предотвращения перегрузки. Аттенюатор питает один или несколько низкоуровневых каскадов, которые в свою очередь питают каскады усиления (и драйвер линии задержки, если есть задержка). Последующие каскады усиления ведут к конечному выходному каскаду, который развивает большой размах сигнала (десятки вольт, иногда более 100 вольт) для электростатического отклонения ЭЛТ.
В двух- и многоканальных осциллографах внутренний электронный переключатель выбирает относительно низкоуровневый выходной сигнал усилителя ранней ступени одного канала и направляет его на следующие ступени вертикального усилителя.
В режиме свободного хода («прерывистом») генератор (который может быть просто другим режимом работы драйвера переключателя) гасит луч перед переключением и восстанавливает его только после того, как переходные процессы переключения утихнут.
Часть усилителя — это питание цепей триггера развертки для внутреннего запуска от сигнала. Это питание будет от усилителя отдельного канала в двух- или многоканальном осциллографе, канал зависит от настройки селектора источника триггера.
Эта подача предшествует задержке (если она есть), что позволяет схеме развертки разблокировать ЭЛТ и начать прямую развертку, чтобы ЭЛТ могла показать событие запуска. Высококачественные аналоговые задержки добавляют небольшую стоимость осциллографу и исключаются в осциллографах, чувствительных к стоимости.
Сама задержка происходит от специального кабеля с парой проводников, намотанных вокруг гибкого магнитно-мягкого сердечника. Спираль обеспечивает распределенную индуктивность, в то время как проводящий слой, расположенный близко к проводам, обеспечивает распределенную емкость. Комбинация представляет собой широкополосную линию передачи со значительной задержкой на единицу длины. Оба конца кабеля задержки требуют согласованных импедансов, чтобы избежать отражений.
Большинство современных осциллографов имеют несколько входов для напряжений и, таким образом, могут использоваться для построения графика одного изменяющегося напряжения относительно другого. Это особенно полезно для построения графиков кривых IV ( характеристик тока и напряжения ) для таких компонентов, как диоды , а также фигур Лиссажу . Фигуры Лиссажу являются примером того, как осциллограф может использоваться для отслеживания разности фаз между несколькими входными сигналами. Это очень часто используется в вещательной технике для построения графика левого и правого стереофонических каналов, чтобы гарантировать правильную калибровку стереогенератора . Исторически стабильные фигуры Лиссажу использовались для демонстрации того, что две синусоиды имеют относительно простое соотношение частот, численно малое отношение. Они также показывали разность фаз между двумя синусоидами одной и той же частоты.
Режим XY также позволяет осциллографу служить векторным монитором для отображения изображений или пользовательских интерфейсов. Многие ранние игры, такие как Tennis for Two , использовали осциллограф в качестве выходного устройства. [12]
Полная потеря сигнала в XY CRT-дисплее означает, что луч неподвижен и попадает в небольшую точку. Это грозит сгореть фосфору, если яркость слишком высокая. Такие повреждения были более распространены в старых телескопах, поскольку ранее использовавшиеся фосфоры сгорали легче. Некоторые специализированные XY-дисплеи значительно снижают ток луча или полностью гасят дисплей, если входы отсутствуют.
Некоторые аналоговые осциллографы имеют вход Z. Это, как правило, входной терминал, который подключается напрямую к сетке ЭЛТ (обычно через конденсатор связи). Это позволяет внешнему сигналу либо увеличивать (если положительный), либо уменьшать (если отрицательный) яркость следа, даже позволяя ему быть полностью погашенным. Диапазон напряжения для достижения отсечки до яркого дисплея составляет порядка 10–20 вольт в зависимости от характеристик ЭЛТ.
Примером практического применения является случай, когда пара синусоид известной частоты используется для создания круговой фигуры Лиссажу, а более высокая неизвестная частота подается на вход Z. Это превращает непрерывный круг в круг точек. Количество точек, умноженное на частоту XY, дает частоту Z. Этот метод работает только в том случае, если частота Z является целым числом частоты XY и только если она не настолько велика, что точек становится так много, что их трудно подсчитать.
Как и все практические приборы, осциллографы не реагируют одинаково на все возможные входные частоты. Диапазон синусоидальных частот, которые осциллограф может с пользой отображать, называется его полосой пропускания . Полоса пропускания применяется в первую очередь к оси Y, хотя развертки по оси X должны быть достаточно быстрыми, чтобы отображать самые высокочастотные формы сигналов.
Полоса пропускания определяется как частота, на которой чувствительность составляет 0,707 от чувствительности на постоянном токе или самой низкой частоте переменного тока (падение на 3 дБ ). [13] Отклик осциллографа быстро падает, когда входная частота поднимается выше этой точки. В пределах указанной полосы пропускания отклик не обязательно является совершенно однородным (или «плоским»), но всегда должен находиться в диапазоне от +0 до −3 дБ. Один источник [13] говорит, что существует заметное влияние на точность измерений напряжения всего на 20 процентах от указанной полосы пропускания. Некоторые спецификации осциллографов включают более узкий диапазон допуска в пределах указанной полосы пропускания.
Зонды также имеют ограничения по полосе пропускания и должны быть выбраны и использованы для надлежащей обработки интересующих частот. Для достижения максимально плоского отклика большинство зондов должны быть «скомпенсированы» (регулировка выполняется с использованием тестового сигнала от осциллографа), чтобы учесть реактивное сопротивление кабеля зонда.
Другая связанная спецификация — время нарастания . Это время, проходящее между 10% и 90% максимального амплитудного отклика на переднем фронте импульса. Оно связано с полосой пропускания примерно следующим образом:
Полоса пропускания в Гц × время нарастания в секундах = 0,35. [14]
Например, осциллограф с временем нарастания 1 наносекунда 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 -цифрового преобразователя (АЦП) является фактором, но заявленная аналоговая полоса пропускания (и, следовательно, общая полоса пропускания прибора) обычно меньше частоты Найквиста АЦП . Это связано с ограничениями в усилителе аналогового сигнала, преднамеренной конструкцией фильтра сглаживания, который предшествует АЦП, или и тем, и другим.
Для цифрового осциллографа эмпирическое правило заключается в том, что непрерывная частота дискретизации должна быть в десять раз больше самой высокой частоты, которую требуется разрешить; например, частота 20 мегавыборок в секунду будет применима для измерения сигналов до 2 МГц. Это позволяет спроектировать фильтр сглаживания с точкой спада 3 дБ 2 МГц и эффективным срезом на 10 МГц (частота Найквиста), избегая артефактов очень крутого («кирпичная стена») фильтра .
Осциллограф с дискретизацией может отображать сигналы значительно более высокой частоты, чем частота дискретизации, если сигналы точно или почти повторяются. Он делает это, беря одну выборку из каждого последовательного повторения входной формы сигнала, причем каждая выборка находится на увеличенном временном интервале от события запуска. Затем форма сигнала отображается из этих собранных выборок. Этот механизм называется «выборкой в эквивалентном времени». [15] Некоторые осциллографы могут работать либо в этом режиме, либо в более традиционном режиме «реального времени» по выбору оператора.
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 увеличивали яркость следа в подвижных местах. Эти курсоры точнее визуальных оценок, относящихся к линиям сетки. [16] [17]
Более качественные осциллографы общего назначения включают калибровочный сигнал для настройки компенсации тестовых зондов; это (часто) прямоугольный сигнал частотой 1 кГц определенного пикового напряжения, доступного на тестовом терминале на передней панели. Некоторые более качественные осциллографы также имеют квадратную петлю для проверки и настройки токовых зондов.
Иногда пользователь хочет увидеть событие, которое происходит лишь изредка. Чтобы поймать эти события, некоторые осциллографы, называемые осциллографами с памятью , сохраняют на экране последнюю развертку. Первоначально это достигалось с помощью специальной ЭЛТ, трубки с памятью , которая сохраняла изображение даже очень короткого события в течение длительного времени.
Некоторые цифровые осциллографы могут выполнять развертку со скоростью всего один раз в час, эмулируя ленточный самописец . То есть сигнал прокручивается по экрану справа налево. Большинство осциллографов с этой функцией переключаются из режима развертки в режим ленточной диаграммы примерно со скоростью одной развертки в десять секунд. Это происходит потому, что в противном случае осциллограф выглядит сломанным: он собирает данные, но точка не видна.
Все, кроме самых простых моделей современных осциллографов, чаще всего используют цифровую выборку сигнала. Выборки подаются на быстрые аналого-цифровые преобразователи, после чего вся обработка сигнала (и хранение) становится цифровой.
Многие осциллографы поддерживают подключаемые 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 модули специального назначения, включая аудио/ультразвуковые анализаторы спектра и каналы со стабильным смещением напряжения с относительно высоким коэффициентом усиления.
.gif/1280px-Lissajous_figures_on_oscilloscope_(90_degrees_phase_shift).gif)
Одно из наиболее частых применений осциллографов — устранение неисправностей неисправного электронного оборудования. Например, если вольтметр может показывать совершенно неожиданное напряжение, осциллограф может показать, что цепь колеблется. В других случаях важна точная форма или время импульса.
Например, в электронном оборудовании соединения между каскадами (например, электронные смесители , электронные генераторы , усилители ) могут быть «прощупаны» на предмет ожидаемого сигнала, используя осциллограф как простой трассировщик сигнала. Если ожидаемый сигнал отсутствует или неверен, какой-то предыдущий каскад электроники работает неправильно. Поскольку большинство сбоев происходит из-за одного неисправного компонента, каждое измерение может показать, что некоторые каскады сложного оборудования либо работают, либо, вероятно, не вызвали сбой.
После обнаружения неисправного этапа дальнейшее зондирование обычно может точно сказать квалифицированному специалисту, какой именно компонент вышел из строя. После замены компонента устройство может быть восстановлено в рабочем состоянии или, по крайней мере, может быть изолирована следующая неисправность. Этот вид устранения неисправностей типичен для радио- и телевизионных приемников, а также аудиоусилителей, но может применяться к совершенно другим устройствам, таким как электронные приводы двигателей.
Другое применение — проверка недавно разработанных схем. Часто недавно разработанная схема ведет себя неправильно из-за ошибок проектирования, плохих уровней напряжения, электрических помех и т. д. Цифровая электроника обычно работает от часов, поэтому полезен двухканальный осциллограф, показывающий как тактовый сигнал, так и тестовый сигнал, зависящий от часов. Осциллографы с памятью полезны для «захвата» редких электронных событий, которые вызывают неисправную работу.
Осциллографы часто используются при разработке программного обеспечения в реальном времени , среди прочего, для проверки пропущенных сроков и наихудших задержек. [18]
Впервые появившись в 1970-х годах для анализа систем зажигания, автомобильные осциллографы становятся важным инструментом мастерской для тестирования датчиков и выходных сигналов в электронных системах управления двигателем , тормозных системах и системах устойчивости . Некоторые осциллографы могут запускать и декодировать сообщения последовательной шины, например, шины CAN, обычно используемой в автомобильных приложениях.
Многие осциллографы сегодня предоставляют один или несколько внешних интерфейсов для удаленного управления прибором с помощью внешнего программного обеспечения. Эти интерфейсы (или шины) включают GPIB , Ethernet , последовательный порт , USB и Wi-Fi .
Следующий раздел представляет собой краткий обзор различных типов и моделей, доступных на рынке. Для подробного обсуждения обратитесь к другой статье.
.jpg/1280px-Lissajous-Figur_1_zu_3_(Oszilloskop).jpg)
Самый ранний и простейший тип осциллографа состоял из ЭЛТ, вертикального усилителя , временной развертки, горизонтального усилителя и источника питания . Теперь их называют «аналоговыми» осциллографами, чтобы отличать их от «цифровых» осциллографов, которые стали распространены в 1990-х годах и позже.
Аналоговые осциллографы не обязательно включают калиброванную сетку отсчета для измерения размера волн, и они могут не отображать волны в традиционном смысле линейного сегмента, проходящего слева направо. Вместо этого их можно использовать для анализа сигнала, подавая опорный сигнал на одну ось, а сигнал для измерения — на другую ось. Для осциллирующего опорного и измерительного сигнала это приводит к сложному петлевому шаблону, называемому фигурой Лиссажу . Форму кривой можно интерпретировать для определения свойств измерительного сигнала по отношению к опорному сигналу, и она полезна в широком диапазоне частот колебаний.
Двухлучевой аналоговый осциллограф может отображать два сигнала одновременно. Специальная двухлучевая ЭЛТ генерирует и отклоняет два отдельных луча. Многолучевые аналоговые осциллографы могут имитировать двухлучевой дисплей с прерыванием и попеременной разверткой, но эти функции не обеспечивают одновременного отображения. (Цифровые осциллографы реального времени предлагают те же преимущества двухлучевого осциллографа, но им не требуется двухлучевой дисплей.) Недостатки двухлучевого осциллографа в том, что он не может быстро переключаться между трассами и не может фиксировать два быстрых переходных события. Двухлучевой осциллограф избегает этих проблем.
Хранение трасс — это дополнительная функция, доступная на некоторых аналоговых осциллографах; они использовали ЭЛТ с прямым просмотром. Хранение позволяет шаблону трассы, который обычно затухает за доли секунды, оставаться на экране в течение нескольких минут или дольше. Затем можно намеренно активировать электрическую цепь для сохранения и стирания трассы на экране.
В то время как аналоговые устройства используют постоянно изменяющиеся напряжения, цифровые устройства используют числа, которые соответствуют выборкам напряжения. В случае цифровых осциллографов аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует измеренные напряжения в цифровую информацию.
Цифровой запоминающий осциллограф, или сокращенно DSO, является стандартным типом осциллографа сегодня для большинства промышленных приложений, и благодаря низкой стоимости осциллографов начального уровня даже для любителей. Он заменяет электростатический метод хранения в аналоговых запоминающих устройствах на цифровую память , которая хранит данные выборки столько времени, сколько требуется, без ухудшения качества и отображает их без проблем с яркостью, характерных для запоминающих устройств типа ЭЛТ. Он также позволяет выполнять сложную обработку сигнала с помощью высокоскоростных схем цифровой обработки сигнала . [1]
Стандартный DSO ограничен захватом сигналов с полосой пропускания менее половины частоты дискретизации АЦП (называемой пределом Найквиста ). Существует разновидность DSO, называемая цифровым осциллографом , которая может превышать этот предел для определенных типов сигналов, таких как высокоскоростные сигналы 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 реконструкции составного вида типичного импульса. [19]
Логический анализатор похож на осциллограф, но для каждого входного сигнала обеспечивает только логический уровень без формы его аналоговой волны. Между тем, осциллограф смешанных сигналов (или MSO) имеет два типа входов: небольшое количество аналоговых каналов (обычно два или четыре) и большее количество логических каналов (обычно шестнадцать). Он обеспечивает возможность точной временной корреляции аналоговых и логических сигналов, тем самым предлагая явное преимущество по сравнению с отдельным осциллографом и логическим анализатором. Обычно логические 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 может быть установлен как по аналоговым, так и по логическим каналам.
Смешанный осциллограф (MDO) — это осциллограф, который поставляется с дополнительным входом RF, который используется исключительно для выделенной функциональности анализатора спектра на основе FFT . Часто этот вход RF обеспечивает более высокую пропускную способность, чем обычные аналоговые входные каналы. Это контрастирует с функциональностью FFT обычных цифровых осциллографов, которые используют обычные аналоговые входы. Некоторые MDO позволяют проводить временную корреляцию событий во временной области (например, определенный пакет последовательных данных) с событиями, происходящими в частотной области (например, передачи RF).
Ручные осциллографы полезны для многих приложений тестирования и полевого обслуживания. Сегодня ручной осциллограф обычно представляет собой цифровой стробоскопический осциллограф, использующий жидкокристаллический дисплей.
Многие портативные и настольные осциллографы имеют общее для всех входных каналов опорное напряжение заземления. Если одновременно используется более одного измерительного канала, все входные сигналы должны иметь одно и то же опорное напряжение, а общим опорным напряжением по умолчанию является «земля». Если нет дифференциального предусилителя или внешнего изолятора сигнала, этот традиционный настольный осциллограф не подходит для плавающих измерений. (Иногда пользователь осциллографа отрывает заземляющий штырь в шнуре питания настольного осциллографа, пытаясь изолировать общий сигнал от заземления. Такая практика ненадежна, поскольку вся паразитная емкость корпуса прибора подключается к цепи. Также опасно отрывать защитное заземление, и в инструкциях по эксплуатации настоятельно рекомендуется этого не делать.)
Некоторые модели осциллографов имеют изолированные входы, где клеммы опорного уровня сигнала не соединены вместе. Каждый входной канал может использоваться для выполнения «плавающего» измерения с независимым опорным уровнем сигнала. Измерения могут быть выполнены без привязки одной стороны входа осциллографа к общему сигналу цепи или опорному заземлению.
Доступная изоляция классифицируется следующим образом:
Некоторые цифровые осциллографы полагаются на платформу ПК для отображения и управления прибором. Это может быть в форме автономного осциллографа с внутренней платформой ПК (материнская плата ПК) или внешнего осциллографа, который подключается через USB или LAN к отдельному ПК или ноутбуку.
Большое количество приборов, используемых в различных технических областях, на самом деле являются осциллографами с входами, калибровкой, элементами управления, калибровкой дисплея и т. д., специализированными и оптимизированными для конкретного применения. Примерами таких приборов на основе осциллографов являются мониторы формы сигнала для анализа видеоуровней в телевизионных постановках и медицинские приборы, такие как мониторы жизненно важных функций и приборы для измерения электрокардиограммы и электроэнцефалограммы. В ремонте автомобилей анализатор зажигания используется для отображения форм сигналов искры для каждого цилиндра. Все они по сути являются осциллографами, выполняющими основную задачу отображения изменений одного или нескольких входных сигналов с течением времени на дисплее X ‑ Y.
Другие приборы преобразуют результаты своих измерений в повторяющийся электрический сигнал и включают осциллограф в качестве элемента отображения. Такие сложные измерительные системы включают анализаторы спектра , транзисторные анализаторы и рефлектометры временной области (TDR). В отличие от осциллографа, эти приборы автоматически генерируют стимул или развертку параметра измерения.
Впервые встречается в паре более поздних статей Ценнека (1899a,b)
