Как найти период по осциллографу - Avtoru.top - решение различных проблем

Давно хотел создать тему для всех, да и самому немного разобраться. Как известно в импульсной электронике без осциллографа делать вообще нечего. Тут я расскажу как узнать частоту с помощью осциллографа.

Частота = 1 / период импульса.

Период импульса = диапазон положения ручки «время» на осциллографе * количество клеток периода импульса на осциллограмме.

Предлагаю рассмотреть три осциллограммы и рассчитать частоту:
(На всех трёх осциллограммах ручка «время» у меня была в положении «0,05 мкс» [микросекунд])

Первый пример, расписываю очень подробно:

Период импульса = 0,05 мкс * 4,2 клетки = 0,21 мкс
0,21 мкс / 1000 = 0,00 021 мс [миллисекунда]
0,00 021 мс / 1000 = 0,0 000 0021 с [секунды]

Частота = 1 / 0,0 000 0021 с = 4 761 900 Гц
4 761 900 Гц / 1000 = 47 619 кГц
47 619 кГц / 1000 = 4,7619 МГц

Второй пример, кратко:

Период импульса = 0,05 мкс * 2 клетки = 0,1 мкс

Частота = 1 / 0,1 мкс = 10 МГц

Третий пример (прошу прощения за плохую синхронизацию, мой осциллограф уже не «тянет» столь высокую частоту):

Период импульса = 0,05 мкс * 1,2 клетки = 0,06 мкс

Частота = 1 / 0,06 мкс = 16,666 МГц

Всем спасибо. Прошу ткнуть носом в имеющиеся ошибки и опечатки
Уважаемого Админа персонально прошу прокомментировать данный пост

Сотрудничаю с НАСА, Роскосмос, Газпром, РЖД, Интер РАО ЕЭС, Роснано и др. (конкретно уточняйте у самой организации) ©.

Источник

Для
амплитудных измерений на осциллографе
используется откалиброванная сетка
или координатная сетка на экране
электронно-лучевой трубки для определения
числа делений между максимальным
положительным и минимальным отрицательным
отклонениями сигнала. Подсчитайте
количество делений и долей деления
между положительным и отрицательным
пиками сигнала. Используйте регулятор
вертикальной позиции для перемещения
осциллограммы сигнала при необходимости.
Умножьте число делений на значение
установки переключателя коэффициента
усиления по вертикали.

Длительность
исследуемого импульса определяется
произведением числа меток, укладывающихся
на измеряемом участке, на цену метки.

Для
измерений частоты (f) на осциллографе
сначала измерьте период (t) сигнала.
Период — это время одного цикла. Самый
простой способ сделать это — подсчитать
количество горизонтальных делений
между двумя последовательными пиками
сигнала.Подсчитайте
количество делений между последовательными
пиками сигнала. Используйте регулятор
горизонтального сдвига для перемещения
осциллограммы сигнала при необходимости.
Умножьте число делений на значение
установки переключателя горизонтальной
развертки. Вы получаете значение периода
сигнала (t). Чтобы вычислить частоту
сигнала, найдите обратную величину
периода: f = 1/t

6. Объясните назначение различных элементов в схеме элт (электронно-лучевая трубка). Как осуществляется регулировка яркости и фокусировка луча?

ЭЛТсостоит
из герметичной стеклянной колбы, внутри
которой находится вакуум (основные
конструкционные узлы кинескопа показаны
на рис. 1). Один из концов колбы узкий и
длинный — это горловина. Другой —
широкий и достаточно плоский — экран.
Внутренняя стеклянная поверхность
экрана покрыта люминофором (luminophor). В
качестве люминофоров для цветных ЭЛТ
используются довольно сложные составы
на основе редкоземельных металлов —
иттрия, эрбия и т. п. Люминофор — это
вещество, которое при бомбардировке
заряженными частицами испускает свет.
Заметим, что иногда люминофор называют
фосфором, но это не верно, так как
люминофор, используемый в покрытии ЭЛТ,
не имеет ничего общего с фосфором. Более
того, фосфор светится только в результате
взаимодействия с кислородом воздуха
при окислении до P2O5, и ссвечение длится
очень недолго. Для создания изображения
в ЭЛТ-мониторе используется электронная
пушка, откуда под действием сильного
электростатического поля исходит поток
электронов. Сквозь металлическую маску
или решетку они попадают на внутреннюю
поверхность стеклянного экрана монитора,
которая покрыта разноцветными
люминофорными точками.

Поток
электронов (луч) может отклоняться в
вертикальной и горизонтальной плоскости,
что обеспечивает последовательное
попадание его на все поле экрана.
Отклонение луча происходит посредством
отклоняющей системы (см. рис. 2). Отклоняющие
системы подразделяются на
седловидно-тороидальные и седловидные.
Последние предпочтительнее, поскольку
итмеют пониженный уровень излучения.
Отклоняющая система состоит из нескольких
катушек индуктивности, размещенных у
горловины кинескопа. С помощью переменного
магнитного поля две катушки создают
отклонение пучка электронов в
горизонтальной плоскости, а две другие
— в вертикальной.

Изменение
магнитного поля возникает под действием
переменного тока, протекающего через
катушки и изменяющегося по определенному
закону (это, как правило, пилообразное
изменение напряжения во времени), при
этом катушки придают лучу нужное
направление. Фокусировка электронного
пучка на экране осуществляется изменением
разности потенциалов между анодами.
Потенциометр, снабженный надписью
фокус, изменяет разность потенциалов
между анодами. При этом между анодами
создается поле специальной конфигурации,
сжимающее расходящийся электронный
пучок в так называемый электронный луч
и дающее в идеале на экране точку
электронно-оптического изображения
отверстия в модулирующем цилиндре.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

Измерения в цифровых осциллографах и обработка результатов измерения

Современные цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО), построенные на базе открытой платформы дают возможность пользователю визуально наблюдать исследуемый сигнал, зачастую достаточно сложной формы. Использование длинной памяти, расширенных режимов синхронизации и сегментированной развертки позволяют инженеру фиксировать различные артефакты во входном сигнале или же наоборот «отлавливать» полезные сигналы, имеющие определенные параметры. Эти возможности в том или ином виде присутствуют практически в любом современном цифровом осциллографе.

Но исключительная полезность цифрового осциллографа определяется не только его способностью визуально отображать форму входного сигнала, но и производить различного рода измерения, что, в общем, и классифицирует осциллограф как «средство измерения».

Большинство ЦЗО способно производить измерения достаточно большого типа параметров, так например, осциллографы серии WaveRunner производства компании LeCroy способен производить измерения до 40 параметров сигнала, с одновременной индикацией 8 результатов измерений в штатном режиме, а при инсталляции дополнительных опций осциллографы LeCroy старших серий способны приводить измерения до 170 различных параметров. Это широкий набор различных амплитудно-временных измерений вполне достаточных для удовлетворения потребностей широкого круга пользователей. Список измерений доступных для осциллографов LeCroy приведен в Приложении 1.

В основе всех видов измерений современного осциллографа лежат два вида измерений – это амплитудные и временные. Так же цифровые осциллографы способны осуществлять безразмерные виды измерений, например подсчет числа целых периодов сигнала, числа точек дискретизации, числа пиков гистограммы и пр. Амплитудные измерения предназначены для измерений параметров амплитуды входного сигнала (или же результатов математической обработки) – это такие как, непосредственно, амплитуда, нижнее значение, верхнее значение, пиков значение, выбросы, среднеквадратическое значение и многие другие. Временные измерения предназначены для измерений параметров сигнала нормированных по времени – это частота, период, длительность, фазовые сдвиги, время нарастания и спада, параметры джиттера и многие другие. Так же современные ЦЗО имеют некоторые производные виды измерений от амплитуды и времени, например измерение площади сигнала, что применительно к импульсному сигналу определяет его энергию, измерение числа периодов сигнала на заданном участке или измерение числа точек дискретизации образующих форму сигнала на всем экране или на заданном участке. В ЦЗО так же присутствуют специализированные виды измерений, предназначенные для измерения параметров специфических устройств или режимов, например измерение параметров мощности электрического сигнала, измерение параметров систем последовательной передачи данных, измерение параметров дисковых или оптических приводов, измерения джиттера и многие другие. Но и даже эти специализированные виды измерений базируются на основных результатах измерения амплитудно-временных параметров сигнала.

Измерения амплитудных параметров

Погрешность измерения амплитудных параметров определяется тем, что в большинстве современных ЦЗО используются 8-и битные АЦП, что дает теоретическую относительную погрешность измерения

с учетом нелинейности входных усилителей, нелинейности АЦП, температурного дрейфа, погрешности коэффициента усиления входных усилителей и т.д., погрешность измерения постоянного напряжения составляет порядка 3 % , а погрешность дифференциальных измерений напряжения (читай как амплитуды), составляет порядка 1,5%. Это достаточно большое значение погрешности измерения, учитывая тот факт, что средний вольтметр обеспечивает погрешность измерения постоянного напряжения около 0,025%. Но принимая во внимание, что осциллограф, первично, это визуальный прибор и то, что линейность АЧХ большинства современных осциллографов составляет порядка 0,7 от значения полосы пропускания, а полоса пропускания современного ЦЗО может достигать 18 ГГц (LeCroy SDA 18000), то очевидно, что даже на частотах около 1000 МГц, ЦЗО составляет конкуренцию вольтметрам переменного тока или измерителями мощности имеющим погрешность порядка 3%. А принимая во внимание тот факт, что осциллограф способен производить измерения среднеквадратического значения напряжения сигнала любой формы, а ВЧ вольтметры переменного тока только сигнала синусоидальной формы, то преимущества осциллографа при измерении амплитудных параметров сигнала становятся очевидными.

Так на рисунке 1 приведена осциллограмма синусоидального сигнала частотой 350 МГц и уровнем 1 Вольт полученная с экрана осциллографа LeCroy WaveRunner WR-6051A с полосой пропускания 500 МГц. Измерения СКО (окно измерения Р1) индицирует значение 970 мВ. Погрешность измерения амплитуды в данном случае составляет 3%.

Рисунок 1
(здесь и далее щелчок по изображению — увеличение)

Для того, что бы пользователь не воспринимал осциллограф, в режиме измерения как вещь саму в себе или же наоборот четко представлял какие параметры и какой алгоритм измерения используется в данный момент, компания LeCroy в своих осциллографах при включении измерений сопровождает осциллограмму, на которой производятся измерения, автоматическими маркерами помощи. Так на рисунке 1 при измерении циклического СКЗ, виды маркеры, выделяющие полный цикл (полное число периодов) измеряемого сигнала. Но сигнал представленный на рисунке 1 достаточно простой. На рисунке 2 приведена осциллограмма одиночного радиоимпульса в режиме измерения циклического СКЗ, видны области измерения СКЗ и результат измерения – 355 мВ.

Рисунок 2

Если же для данного сигнал применить алгоритм полного измерения СКЗ, то результат измерения будет абсолютно другой. Так на рисунке 3 изображена осциллограмма измерения полного СКЗ, результат измерения составляет 182 мВ.

Рисунок 3

Напомним, что среднеквадратическое значение сигнала переменного тока эквивалентно значению постоянного напряжения, способного выделять такое же значение тепла на нагрузке, как и исходный сигнал переменного тока. Очевидно, что для режима измерения циклического СКЗ, расчет значения напряжения производится только на полезной части сигнал, обладающей энергией и способной производить работу (в том числе выделять тепло). Для полного СКЗ в расчет принимаются и участки сигнала, имеющие нулевое значение амплитуды, и не способные совершать работу, что уменьшает значение СКЗ с 355 мВ до 182 мВ. Это становится наиболее очевидным и наглядным именно при использовании осциллографов способных дать инженеру подсказку в виде маркеров, которые кроме всего прочего индицируют в виде горизонтальной зоны значение СКЗ, именно в виде эквивалентного постоянного напряжения.

Ранее уже отмечалось, что любой средний вольтметр способен производить измерения амплитуды гораздо более точно, чем цифровой осциллограф. Но это справедливо только для измерения постоянного напряжения или НЧ напряжения переменного тока синусоидальной формы. При измерении СКЗ сигналов сложной формы погрешность измерения вольтметра увеличивается исходя их коэффициента формы сигнала. Для стандартных сигналов, коэффициент формы можно учесть при определении дополнительной погрешности измерения напряжения и погрешность может возрастать в десятки раз, так, например, для вольтметра Agilent Technologies 34401 при измерении импульсных сигналов погрешность измерения напряжения может составлять 46%. Для сигналов непредсказуемой формы коэффициент формы учесть невозможно, поэтому и погрешность измерения напряжения становится неопределенной. Цифровой осциллограф производит математическое вычисление среднеквадратического значения формы сигнала из массива данных, полученных в процессе сбора информации, по формуле:

где X1 ;X2 ; X3 ….. Xn отсчеты амплитуды полученные в результате дискретизации входного сигнала, а n – число отсчетов, и такой алгоритм измерения СКЗ не требует никаких дополнительных поправочных коэффициентов. Для однократных и редких сигналов цифровой осциллограф остается единственным средством измерения СКЗ, да и других амплитудных параметров сигнала тоже. А принимая во внимание тот факт, что осциллограф при измерении СКЗ производит «полное» измерение сигнала, имея ввиду одновременное измерение как постоянной составляющей DC, так и переменной составляющей AC, а большинство вольтметров производит измерения отдельно DC и AC, и лишь за редким исключением некоторые типы вольтметров способны производить измерения DC +AC, то становится очевидным, что возможности амплитудных измерений ЦЗО дают пользователю значительные преимущества по отношению к универсальным вольтметрам.

Как ни странно, но даже среди опытных инженеров существует мнение, что цифровой осциллограф производит измерение напряжения по одному периоду периодического сигнала, но как видно из выкладок выше, это не соответствует действительности. Для определения различных амплитудных параметров сигнала, измерения производятся по всему массиву данных составляющих форму сигнала, но в силу особенности измерения амплитудных параметров, осциллограф действительно может выдать только один результат измерения за один проход развертки, поскольку именно это и является циклом измерения. Так на рисунке 4 приведен пример измерения пикового значения напряжения. Пиковое значение — это разность межу минимальным и максимальным значениями формы сигнала на одной развертке. Очевидно, что вычисления этого параметра прежде всего необходимо определить как минимальное так и максимальное значение на всей форме сигнала, а для этого опять же необходим анализ всего массива данных точек образующих форму сигнала.

Рисунок 4

Очевидно, что для обеспечения достоверных и быстрых измерения при большом массиве данных, осциллограф должен обладать достаточным быстродействием для обеспечения необходимых вычислений. И в этой ситуации не все осциллографы ведут себя одинаково. Так, например, осциллограф LeCroy, осциллограммы которого приведены выше, при длине памяти 10 М при отсутствии измерений обеспечивает время сбора осциллограмм 210 мс, при включении одного измерения время сбора осциллограммы увеличивается до 340 мс, а при включении четырех одновременных измерений увеличивается до 430 мс. То есть при включении четырех измерений время сбора осциллограмм увеличивается в 2,04 раза. Если же аналогичные режимы измерений произвести используя осциллограф Tektronix DPO-4034, то результата получаются следующие – при отсутствии измерений время сбора осциллограмм составляет 170 мс, при включении одного измерения время сбора осциллограммы увеличивается до 16 секунд, а при включении одновременно четырех измерений — увеличивается до 40 секунд. То есть при включении четырех измерений время сбора осциллограмм у осциллографа Tektronix DPO-4034 увеличивается в 235 раз…
Современные профессиональные осциллографы, например LeCroy, в штатной комплектации (т.е. без дополнительных опций) могут обеспечить возможность измерения 11 амплитудных параметров, подробный перечень параметров приведен в [2].

Важной особенность обеспечения измерений является возможность проведения измерения в выделенной области. В этом случае измерения параметров производятся не по всему массиву данных осциллограммы, а только в пределах указанной области. Большинство же пользователей привыкло, что измерения с использованием ЦЗО нужно производить для простого периодического сигнала по всей осциллограмме, что присутствует на экране ЦЗО и только в этом случае результат измерения будет достоверным. На рисунке 5 проведен наглядный пример сложного сигнала, представляющего собой прямоугольный сигнал с модулированными базой и верхом. На первый взгляд автоматические измерения амплитудных параметров такого сигнала должно вызвать сложности у пользователя, но только не у пользователей осциллографов LeCroy.

Рисунок 5

Для измерения некоторых амплитудных параметров модулирующего сигнал задействуем измерения Р1, Р2 и Р3. Для измерения СКЗ модулирующего сигнала базы (измерения Р1) выделяется только часть модулирующего сигнал базы. Результат составляет 147 мВ. Для измерения СКЗ модулирующего сигнала верха (измерения Р2) выделяется только часть модулирующего сигнал верха. Результат составляет 1,01 В. Для измерения пикового значения модулирующего сигнала верха (измерения Р3) выделяется только часть модулирующего сигнал верха. Результат составляет 482 мВ. Измерения Р4 и Р5 обеспечивают измерения амплитудных параметров основного прямоугольного сигнала — уровня верха и уровня базы и эти измерения производятся без выделения области.

Таким образом, обеспечивая возможность одновременного измерения до 8 параметров сигнала, осциллографы LeCroy так же обеспечивают возможность измерения в 8 различных областях этого сигнала. Справедливости ради отметим, что и другие осциллографы, например Tektronix DPO-7000 или DPO-4000, так же дают возможность измерения параметров в выделенной области, но для всех измерения (DPO-7000 это 8 измерения, а для DPO-4000 это 4 измерения) существует всего одна выделенная область, что существенного ограничивает возможности измерения сложных сигналов.

Измерения временных параметров

Измерения временных параметров – это набор наиболее расширенных и точных видов измерений цифрового осциллографа. Так уже сложилось, что при анализе сигнала по временной оси существует наибольший набор параметров, в штатной комплектации осциллографы LeCroy способны обеспечить до 69 видов измерения, а при инсталляции дополнительных опций общее число всех видов измерений может достигать 180. Основными отличиями цифровых осциллографов по отношению к традиционным аналоговым осциллографам при измерении временных интервалов являются:

Цифровой осциллограф обеспечивает автоматическое измерение временных параметров (не стоит забывать и про автоматическое измерение амплитудных параметров), аналоговый осциллограф обеспечивает измерения временных интервалов, используя деления временной шкалы на экране.
Цифровой осциллограф обеспечивает погрешность измерения временных до 0,0001%, а лучшие экземпляры аналоговых осциллографов имеют погрешность измерения всего 1,5%.

Погрешность измерения временных параметров (ΔT) цифрового осциллографа определяется погрешностью опорного генератора, частотой дискретизации и собственным джиттером, что может быть выражено формулой:

(1) , где

T_оп – погрешность установки частоты опорного генератора;
F_д – частота дискретизации;
T_дж – собственный джиттер осциллографа.

Современные технологии электронных элементов дают возможность применения в осциллографах опорных генераторов с погрешностью установки до 10-6 в год (или 1 ppm), частота дискретизации для наиболее массовых моделей ЦЗО составляет 5 ГГц или 10 ГГц, собственный джиттер современного осциллографа удается снизить до значений 3 пс (хотя есть «уникальные» модели ЦЗО, например DPO-4000 серии, имеющие джиттер 400 пс). Из этих выкладок следует, что наиболее существенным при определении погрешности измерения временных интервалов как раз и является погрешность установки частоты опорного генератора.

Но на этом и заканчивается идентичность подходов при измерения временных интервалов различных производителей цифровых осциллографов. Разные производители при измерении временных интервалов накладывают дополнительные требования для достижения декларируемой погрешности измерения. Так, например, компания Tektronix для своих осциллографов серии TDS-5000B для обеспечения погрешности указанной в формуле (1), дополнительно требует:

Обеспечить амплитуду сигнала не менее 5 делений;
Должен быть установлен режим сбора информации «усреднение», с числом усреднений не менее 100;
Результат измерения определяется как среднее из массива данных при накоплении 1000 результатов измерения частоты. Это требование в общем, тоже понятно, поскольку классический частотомер, при измерении частоты имеет такой параметр как «время счета», за это время происходит определение среднего значения частоты за весь период измерения, и чем больше время счета, тем более точный результат можно получить. Поскольку осциллограф не имеет времени счета при измерении частоты, то эквивалентом этого параметра является накопление статистики измерения частоты.

Но и это еще не все, различные производители ЦЗО использую различные алгоритмы измерения временных интервалов. Большинство производителей, например Tektronix или Agilent Technologies, используют алгоритм измерения частоты по одному периоду сигнала, находящегося сразу после точки запуска развертки или по первому целому периоду сигнала в левой части экрана. При таком алгоритме измерения, первое, что приносится в жертву время измерения – оно бесспорно увеличивается. Так, практические измерения показывают, что для упомянутого выше осциллографа Tektronix серии TDS-5000B (при длине памяти 2000 точек для минимизации временных затрат на вычислительный процесс), измерение частоты 10 МГц, полученной от рубидиевого стандарта частоты с погрешностью воспроизведения 10-10, время измерения, при выполнении всех требований производителя, составляет 1 минута 23 секунды. Компания LeCroy в своих осциллографах использует алгоритм измерения временного интервала не по одному периоду, а по всем периодам сигнала присутствующим в массиве данных.

Кроме того, компания LeCroy для обеспечения погрешности указанной в формуле (1), дополнительно требует выполнения двух условий:

Обеспечить амплитуду сигнала не менее 5 делений;
Результат измерения определяется как среднее из массива данных при накоплении 1000 результатов измерения частоты.

Очевидно, что такой алгоритм измерения обеспечивает следующие преимущества:

Значительно повышается скорость измерений;
Обеспечивается возможность создания и обработки статистических данных полученных на основе массивов результатов измерений;
Возможность получения результатов измерения для динамических сигналов.

Практическое измерение, показывает, что для накопления статистики и получения достоверного результата при измерении частоты 10 МГц, при частоте дискретизации 5 ГГц, необходимо время 100 мс, что в 930 раз меньше, чем требовалось осциллографу Tektronix. Тем более, что за время измерения 1,23 минуты осциллограф Tektronix обеспечил погрешность измерения 27,64 ppm (при допустимой погрешности измерения 15 ppm) смотри рисунок 6

Рисунок 6

А осциллограф LeCroy WR-6051А, за время измерения 100 мс обеспечил погрешность измерения 1 ppm (при допустимой погрешности измерения 10 ppm) смотри рисунок 7.

Рисунок 7

Практическая ценность измерения временных интервалов по всему числу периодов существующих во входном сигнале, обусловлена не только увеличением скорости измерений, но и увеличением достоверности измерения – очевидно, что если сигнал имеет вандер (медленная флуктуация во времени), то при достаточно большом времени измерения и тем более при использовании функции усреднения, достоверность измерения будет уменьшаться.

Так же совместно совмещение особенности измерения временных интервалов по всей осциллограмме и режима измерения в выделенной области, дает новые возможности в измерениях сигналов. Так например, на рисунке 8 праведен пример частотно-модулированного сигнала (осциллограмма С1) и модулирующего сигнала (осциллограмма С2). Очевидно, что поскольку модулирующий сигнал имеет вид «ступенька», то и частоты в модулируемом сигнале так же изменяются дискретно.

Рисунок 8

Включив режим измерения частоты осциллограммы С1 для всех восьми измерений Р1…Р8, с той лишь разницей, что для каждого измерения Р1…Р8 измерения частоты производятся в пределах выделенного окна равного времени одной ступеньки, возможно измерить частоту модулируемого сигнала, соответствующей каждому уровню модулирующего сигнала.

В заключение обзора «простых» режимов измерения хочется особо отметить, что для получения результатов измерения сложных сигналов, иногда не достаточно просто включить тот или иной режим измерения. Комбинирование различных режимов работы цифрового осциллографа, включая математическое операции над сигналом, может оказать существенную пользу при измерении параметров сигнала. Так, например, существует задача измерения временных параметров радиоимпульса – частоты заполнения и периода повторения и длительности импульсов. Если для измерения частоты заполнения, можно использовать методы, описанные выше, то автоматическое измерение периода повторения и длительности радиоимпульсов может вызвать затруднение. Для решения этой задачи необходимо выделить огибающую радиоимпульса и измерить период повторения и длительность. Огибающую радиоимпульса можно выделить используя математическую функцию «прореживание».

Так на рисунке 9 приведен пример радиоимпульса представляющего собой пакет синусоидальных колебаний частотой 1 МГц и периодом повторения 1,543 мс, каждый пакте содержит 428 колебаний частоты 1 МГц.

Рисунок 9

Осциллограмма С1 – осциллограмма исходного сигнала.
Осциллограмма Z1 – растяжка одного пакта исходного сигнала.
Осциллограмма F1 – результат математической обработки функции «прореживание».

Из исходной осциллограммы С1 можно получить следующие результаты:

Измерение частоты сигнала заполнения. Измерение производится по всему экрану и результат представлен в окне Р1 – 1,0000062 МГц
Числа периодов сигнала в одном пакете — для этого используется измерение в выделенном окне (крайнего левого пакета) и результат представлен в окне Р5 – 428 периодов сигнала.

Из осциллограммы растяжки Z1 можно визуально оценить форму сигнала заполнения и так же измерить частоту сигнала заполнения (но более точно), результат представлен в окне Р2 — 1,0000004 МГц.

Из осциллограммы математики F1 можно получить следующие результаты:

Измерение периода повторения радиоимпульсов. Измерение производится по всему экрану и результат представлен в окне Р3 – 1,5425064 мс.
Длительности одного пакета радиоимпульса, результат представлен в окне Р4 – 428,2652 мкс.

Пост-обработка результатов измерения

В отличие от цифровых осциллографов других производителей, осциллографы LeCroy способны хранить результаты измерения всего массива данных, а это в зависимости от установленных, опций до 6 миллионов результатов измерений. Это массив данных можно представлять в графическом виде, обрабатывать методами математической статистики и выводить результаты статистической обработки, сохранять в виде файлов данных для экспорта в другие программные приложения операционной среды Windows. Все это дает пользователю осциллографов LeCroy широкие дополнительные возможности по анализу сигнала.

График слежения. Например, существует широтно-импульсно модулированный сигнал (ШИМ), в котором по некоторому закону изменяется длительность импульса и необходимо оценить партеры этого сигнала. Несколько периодов исходного сигнала захвачены осциллографом о отображаются на осциллограмме С1 на рисунке 10.

Рисунок 10

Очевидно, что «широта» импульса в ШИМ сигнале это длительность импульса, измерение Р1, как раз, и обеспечивает измерение длительности импульса сигнала С1. Для наглядности возможностей режима измерения осциллограмма получена в режиме однократного пуска. Из статистического окна измерения Р1 видно, что на всем сигнале произведено 249 измерений длительностей импульса, а поскольку сигнал является динамическим (его параметр «длительность импульса» изменяется во времени), то окошко измерения Р1 дает только общие представления о длительности импульса, как последнее измерение, минимальное значение, максимальное значение и т.д., но не отражает динамики изменения самого параметра «длительность импульса». Осциллографы LeCroy имеют возможность формирования из массива данных измерения так называемого «графика слежения». Этот график представляет собой функцию в которой горизонтальная ось (ось X) представляет собой временную ось, полностью совпадающую с временною осью развертки, а по оси Y (вертикальной оси) располагаются значения результата измерения заданного параметра. В результате чего получается временной график измерений выбранного параметра в пределах одной развертки осциллографа. Из рисунка 10 четко видно, что ШИМ сигнал модулируется по закону близкому к логарифмическому. Используя режим курсорных измерений, достаточно просто подвести курсор к нужному значению длительности на графике слежения (само значение будет отображаться в дескрипторе графика слежения, в данном случае это F4, а положение курсора по временной оси индицируется во временном поле курсора) и на осциллограмме входного сигнала этим же маркером будет отмечена точка сигнала соответствующая выбранной длительности. Используя растяжку сигнала можно получить изображение сигнала в удобном для визуального наблюдения масштабе – курсор также будет присутствовать на сигнале растяжки.

Для режима измерений возможно задать регистрацию только значений находящихся в пределах указанного допуска. Так, если для сигнала приведенного на рисунке 10 ограничить значения измеренной длительности пределом 440..505 нс, то осциллограф регистрирует только значения длительности находящиеся в этом пределе и тренд F4 приобретает вид, отличный от рисунка 10.

Рисунок 11

Такой вид графика слежения позволяет более наглядно обнаружить на исходном сигнале С1 участки соответствующие заданным пределам длительности.

Если же вернуться к частотно модулированному сигналу, приведенному на рисунке 8, и применить график слежения к результатам измерения частоты в пределах всей осциллограммы (см. рисунок 12), то полученный график даст более наглядный результат изменения частоты в модулированном сигнале, с учетом динамики изменения сигнала в пределах одной модулирующей ступеньки.

Рисунок 12

На осциллограмме графика слежения так же представляется возможным произвести различные автоматические измерения, характеризующие изменение выбранного параметра. Например, на рисунке 13 осциллограмма С1 представляет собой частотно-модулированный сигнал с несущей 1 МГц, девиацией 200 кГц и частотой модулирующего синусоидального сигнала 1,234 кГц.

Рисунок 13

Осциллограмма F4 представляет собой график слежения изменения частоты в сигнале С1, форма осциллограммы F1 отображает форму модулирующего сигнала. Используя автоматические измерения для данного графика можно определить – минимальное значение частоты (Р4=800 кГц), максимальное значение частоты (Р3= 1,1999 МГц)и частоту модулирующего сигнала (Р2=1,233 кГц). Что совпадает с заданными параметрами ЧМ сигнала.

График слежения образуется из массива измерения амплитудных или временных измерений, он позволяет визуально отследить изменения выбранного параметра в пределах одной развертки, он позволяет, используя курсоры, получить результаты измерения выбранного параметра в точке нахождения курсора, но все же он не является реальным массивом результатов измерения. Так же учитывая алгоритм амплитудных измерений (одни полученный результат из одного прохода развертки осциллографа), график слежения обеспечивает наглядное отображение только временных измерений, при индикации амплитудных измерений график слежения сводится в одну точку, как раз и являющуюся результатом измерений. Реальный массив измерений в графическом виде в осциллографах LeCroy может быть представлен так называемым «трендом».

Тренд. Этот график представляет собой функцию, в которой горизонтальная ось (ось X) представляет ось номера измерения – 1,2,3,4,…n, (эта ось не связана с временною осью развертки осциллографа), а по оси Y (вертикальной оси) располагаются значения результата измерения выбранного параметра. В результате получается график.

Отличиями тренда от графика слежения являются:

Тренд стоится по любому выбранному виду измерения амплитудному, временному или вспомогательному. График слежения строится только по временным измерениям.
Тренд состоит только из реальных точек значений результатов измерений и представляет собой развернутый массив данных результатов измерений. Число точек тренда задается пользователем и может составлять от 1 до 6 миллионов (в зависимости от типа осциллографа и установленных опций).
В зависимости от выбранного режима, тренд может строиться по результатам измерения одного прохода развертки или по всем значения, полученным в результате измерений.
При сохранении тренда в файл, сохраняется весь выбранный массив результатов измерений с указанием номера измерения. Далее эти данные можно использовать для обработки внешними средствами.
Тренд не имеет возможности регистрации значений находящихся в пределах указанного допуска, он отображает все значения результата измерения.

Так, например, при построении тренда и графика слежения для измеренных значений длительности импульса в нерегулярной последовательности в пределах одной развертки, тренд и график слежения практически совпадают по форме — см. рисунок 14. Разница состоит в том, что график слежения отображает изменение длительности импульсов во времени и имеет более сглаженный вид, а тренд отображает измеренное значение длительности импульса и имеет более «остроконечный» вид).

Рисунок 14

Практическая ценность тренда заключается в возможности не только в кратковременной, но и длительной регистрации и индикации результатов измерений выбранного параметра. В этом случае тренд будет выглядеть как регистрация данных на бумажном самописце, но без меток реального времени. При необходимости, изменение интервала регистрации производится изменением настроек схемы синхронизации, например установкой задержки синхронизации по числу событий. Это позволяет регистрировать, отображать и анализировать медленные измерения тех или иных параметров входного сигнала. Так, на рисунке 15 осциллограмма F1 представляет тренд изменения частоты входного сигнала С1, полученный из массива измерения частоты Р1.

Рисунок 15

На рисунке 16 осциллограмма F1 представляет тренд изменения амплитуды входного сигнала С1, полученный из массива измерения среднеквадратического значения Р1.

Рисунок 16

Способом аналогичным для графика слежения, на осциллограмме тренда так же можно осуществить различные автоматические измерения, далее строить тренды 2-го уровня для этих измерений, 3-го уровня и так далее.

Осциллографы LeCroy обеспечивают построение тренда в трех режимах:

Полный, по всему массиву данных – в этом случае тренд классически строится по всему буферу данных результатов измерения и число точек тренда ограничено 6-ю миллионами.
С усреднением. В этом режиме одна точка тренда строится как среднее из результатов массива измерения полученного за один проход развертки. Такой алгоритм позволяет уменьшить шум на тренде, вызванный естественным разбросом параметра сигнала от периода к периоду. Очевидно, что применение этого режима оптимально для временных измерений, где за одни проход развертки осциллограф производит «обмер» все периодов входного сигнала и вычисляет среднее значение. При амплитудных измерениях, когда измерения действительны только для одного периода сигнала. Усреднение не дает должного результата.
По одной осциллограмме. Линия тренда строится из результатов измерения, полученных при одном проходе развертки. Этот режим, как и усреднение, дает результат только при измерении временных параметров.

На рисунке 17, для сигнала С1 частотой 1 МГц, имеющего медленный дрейф, порядка 10 мГц, одновременно представлены все три типа трендов. F2 — полный, F1 — с усреднением полный, F3 — по одной осциллограмме.

Рисунок 17

Сочетание различных функциональных особенностей осциллографов LeCroy дает самые широкие возможности при исследовании различных сигналов, процессов и устройств.

Так, например, режим построения тренда возможно использовать для измерения амплитудно-частотной характеристики устройств. Для этого достаточно синхронизировать процесс изменения частоты на генераторе тестового сигнала с разверткой осциллографа, произвести измерения амплитуды и частоты на выходе устройства. И по полученным результатам построить тренд изменения амплитуды, что и будет являться АЧХ устройства. Синхронный тренд изменения частоты предназначен для формирования частотных меток АЧХ. Так на рисунке 18 осциллограмма F1 представляет собой АЧХ устройства в диапазоне частот от 100 кГц до 100 МГц. Осциллограмма F2, являющаяся трендом частоты идентифицирует частотный диапазон АЧХ. Используя курсорные измерения, возможно считать с АЧХ устройства информацию об амплитуде и частоте.

Рисунок 18

Гистограммы. Возможности построения, анализа и измерения гистограмм цифровыми осциллографами LeCroy являются одной из его отличительных особенностей, по отношению к производителям других ЦЗО, и превращающей просто цифровой осциллограф в мощный аналитический инструмент. Построение гистограмм осциллографом LeCroy является элементом математической статистики, специально адаптированного для анализа форм и параметров электрических сигналов. Гистограмма в http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0 title=Математическая статистика>математической статистике — это http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D1%83%D0%BD%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F title=Функция>функция http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C_%D0%B2%D0%B5%D1%80%D0%BE%D1%8F%D1%82%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8 title=Плотность вероятности>плотности вероятности некоторого распределения, построенная на основе выборки из него. Или, говоря другими словами, гистограмма – это график отображающий степень повторяемости данных в больших массивах. Гистограмма позволяет сжать гигантский размер данных в компактный график, удобный для анализа, измерений ли просто визуальной оценки.. В случае цифрового осциллографа массивом данных выступает массив данных измерения выбранного параметра. Так на рисунке 19 приведена гистограмма измерения сигнала частотой 10 МГц (сам исходный сигнал на картинке не присутствует). Массив данных из которого строится данная гистограмма, собран при измерении частоты Р1 и представляет собой массив размером более 6 миллиона значений измерений частоты.

Рисунок 19

Поскольку сигнал является стабильным и изменения частоты не происходит, то разброс значений частоты вызван естественными причинами хаотического рода. Такая гистограмма является классической и называется нормальной или Гауссовой. Непрерывная случайная величина X имеет нормальный закон распределения с параметрами α (среднее значение) и σ (сигма или стандартное отклонение), если её плотность вероятности f(x) имеет вид:

Основными параметрами гистограммы являются:

α (среднее значение)
σ (сигма или стандартное отклонение),
диапазон гистограммы
плотность заполнения

Поскольку гистограмма строится из массива измерения, то основные параметры гистограммы связанны со статистическими данными результатов измерений, так:

α (среднее значение гистограммы) – представляет собой центральную, наиболее вероятную часть гистограммы и измеренное среднее значение гистограммы 10,0002 МГц (см. рисунок 19) маркер «mean» и измерение Р2, равно среднему измеренному значению частоты в измерении Р1 10,0002 МГц (значение «mean»).

σ (сигма или стандартное отклонение) – диапазон в котором сосредоточенно 68% всех полученных измеренных значений. Равен — среднему значению гистограммы ± 1 сигма. На рисунке 19 обозначен маркерами как «mean ± sdev». Значение стандартного отклонения гистограммы Р3 14,99 кГц равно стандартному отклонению измерения частоты Р1 (значение «sdev» 14,99 кГц). Для сигналов с нулевым средним значением, стандартное отклонение равно среднеквадратическому значению (СКЗ) измеренного параметра.

Диапазон гистограммы – горизонтальный диапазон в котором сосредоточенны все значения гистограммы. Физическая интерпретация диапазона гистограммы — это разность между максимальным и минимальным значениями во всем массиве измерений. На рисунке 19 диапазон гистограммы обозначен маркерами «range», а его измеренное значение представлено в поле Р4 и его значение 144,3 кГц совпадает с разностью между максимальным и значениями минимальным измерения Р1 (в поле Р1 в явном виде не представлено).

Плотность заполнения – это общее число измерений, из результатов которых строится гистограмма. Так измеренное значение плотности гистограммы Р5 совпадает с числом измерений индицируемым в поле измерений Р1 и составляет в обоих случаях 1,749931 миллиона измерений.

Следующим примером использования гистограмм для наблюдения и анализа формы сигнала может служить гистограмма измерения частоты 1 МГц частотно-модулированного сигнала с девиацией 200 кГц (см. рисунок 20 осциллограмма F2).

Рисунок 20

Измерение таких параметров как верхнее значение и нижнее значение гистограммы дает значение нижней и верхней частоты в ЧМ сигнале (измерения Р4 и Р5).А амплитудное значении гистограммы деленное на два дает значение девиации ЧМ сигнала – измерение Р6 и значение 198 кГц. Так же возможно для этой гистограммы использовать курсорные измерения для определения других параметров гистограммы, как диапазон гистограммы, нижнее и верхнее значения. А применение режимов измерения вспомогательных параметров гистограммы, как число пиков гистограммы даёт информацию о количестве стабильных состояний сигнала. Так возвращаясь к рисунку 10, гистограмма F3, индицирует, что частота сигнала входного сигнала имеет 9 стабильных состояний, а измерение параметров гистограммы даст информацию о распределении частоты во входном сигнале.

Итак, как видно, гистограмма способна преобразовать большой объем информации в очень компактный формат, который может быть легко измерен и проанализирован методами математической статистики.

Приложение 1

Список измеряемых параметров в базовой комплектации и при инсталляции основных опций в осциллографах LeCroy.

Параметр

Описание

Определение

Примечания

Amplitude (Амплитуда)

Измеряет разность между верхним и нижним уровнем напряжения в двухуровневых сигналах. Отличается от pkpk (размах) тем, что шум, выбросы, провалы и «звон» не влияют на результат измерения.

top — base

На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), дает то же значение, что и pkpk.
Стандартный параметр.

Ampl asym (Асимметрия амплитуды)

Асимметрия амплитуды между taa+ и taa—

1 — |(taa+ — taa-)|/(taa+ — taa-)

Аргумент гистерезиса, использующийся для того, чтобы отличать уровни напряжения от шума.
Доступен с опцией DDM2.

ACSN

Автокорреляционное отношение сигнал/шум — отношение сигнал/шум для периодических сигналов.

Доступен с опцией DDM2.

Area (Площадь)

Интеграл данных: вычисляет площадь под осциллограммой между курсорами относительно нулевого уровня. Значения, большие нуля, дают положительный вклад в площадь, меньшие нуля — отрицательный.

Сумма значений сигнала от первой до последней точки, умноженная на интервал времени между крайними двумя точками

Стандартный параметр

Base (Основание)

Нижнее из двух наиболее вероятных состояний (верхнее состояние — top). Измеряет нижний уровень в двухуровневых сигналах. Отличается от min (минимум) тем, что шум, выбросы, провалы и «звон» не влияют на результат измерения.

Значение наиболее вероятного нижнего состояния.

На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), дает то же значение, что и min.
Стандартный параметр.

Cycles (Количество периодов)

Определяет количество периодов периодического сигнала между курсорами. Первый период начинается с первого перепада, следующего за левым курсором. Перепад может быть положительным или отрицательным.

Количество периодов периодического сигнала

Стандартный параметр.

Сyclic Mean (Циклическое среднее)

Вычисляет среднее от значений сигнала. В отличие от обычного среднего, cmean рассчитывается за целое число периодов, что устраняет смещение, вызванное учетом долей периодов.

Среднее значение точек осциллограммы кривой за целое число периодов.

Чтобы выбрать этот параметр, выберите Mean из таблицы параметров, затем коснитесь флажка Cyclic.
Стандартный параметр.

Cyclic Median (Циклическая медиана)

Среднее от значений основания и вершины. В отличие от median, рассчитывается за целое число периодов, что устраняет смещение, вызванное учетом долей периодов.

Такое значение, что 50% полученных точек находятся выше его, а другие 50% — ниже.

Чтобы выбрать этот параметр, выберите Median из таблицы параметров, затем коснитесь флажка Cyclic.
Стандартный параметр.

Cyclic RMS (Циклическое действующее значение)

Вычисляет квадратный корень из суммы квадратов значений сигнала, деленной на количество точек. В отличие от rms, рассчитывается за целое число периодов, что устраняет смещение, вызванное учетом долей периодов.

vi — измеренные значения сигнала
N — количество точек сигнала за учитываемые периоды.
Чтобы выбрать этот параметр, выберите RMS из таблицы параметров, затем коснитесь флажка Cyclic.
Стандартный параметр.

Cyclic Std Dev (Циклическое среднеквадратичное отклонение)

Среднеквадратичное отклонение значений сигнала от среднего значения. В отличие от sdev, рассчитывается за целое число периодов, что устраняет смещение, вызванное учетом долей периодов.

vi — измеренные значения сигнала
N — количество точек сигнала за учитываемые периоды.
Чтобы выбрать этот параметр, выберите Std dev из таблицы параметров, затем коснитесь флажка Cyclic.
Стандартный параметр.

Delay (Задержка)

Время от запуска до первого перепада: измеряет промежуток времени между запуском и первым пересечением уровня 50%, которое следует за левым курсором. С помощью этого параметра можно измерять задержку распространения сигнала, осуществляя запуск от одного сигнала и измеряя задержку на другом

Интервал времени между запуском и первым пересечением уровня 50% за левым курсором.

Стандартный параметр

Delta delay (Разность задержек)

Вычисляет интервал между моментами, когда сигналы от двух источников пересекут уровень 50%.

Интервал между прохождением средней точки двумя сигналами.

Стандартный параметр.

DPeriod@level (Разность периодов на заданном уровне)

Отклонение длительности каждого периода сигнала от соседних (межпериодное дрожание).

Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.

Dtime@level (Разница времен на заданном уровне)

Вычисляет время между пересечением заданных уровней

Интервал времени между пересечением заданных уровней на двух источниках сигнала или от запуска до пересечения заданного уровня на одном источнике.

Можно устанавливать значения порогов и полярность фронта, а также ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Стандартный параметр.

Duration (Длительность)

Для сигналов, зарегистрированных в однократном режиме, duration = 0. Для последовательного режима оцифровки это интервал времени между запусками первого и последнего сегмента. Для отдельных сегментов — интервал времени от запуска предыдущего сегмента до запуска текущего сегмента. Для осциллограмм из памяти — время от первого до последнего запуска сохраненной осциллограммы.

Интервал времени между первым и последним зарегистрированным массивом данных: для усреднения, гистограмм или осциллограмм, зарегистрированных в последовательном режиме.

Стандартный параметр.

Duty@level

Часть периода, в течение которой значения сигнала оказываются выше или ниже заданного уровня.

Duty cycle (Скважность)

Длительность в процентах от величины периода.

width / period

Стандартный параметр.

Dwidth@level (Разность длительностей на заданном уровне)

Разность длительностей в соседних периодах, измеряемых по заданному уровню.

Edge@level

Количество фронтов в осциллограмме.

Excel

Выполняет измерения в Excel путем передачи в программу одной или двух осциллограмм и чтения результирующего значения параметра.

Доступен с опцией XMAP.
В приборе должна быть установлена программа Excel.

Fall time (Время спада)

Измеряет интервал времени между моментами, когда отрицательный фронт сигнала пересекает два заданных уровня. Окончательный результат получается путем усреднения значений, полученных для каждого фронта.

Порог	Дист.	Ниж. предел	Верх. предел	По умолч.
Ниж.	Низк.	1%	45%	10%
Верх.	Выс.	65%	99%	90%

Пороги определяют два значения на каждом фронте, по которым рассчитывается время спада. Эти координаты рассчитываются по следующим формулам:
Ниж. = нижний порог ? усиление / 100 + base
Верх. = верхний порог ? усиление / 100 + base

Разность времен пересечения нижнего и верхнего порогов, усредненная по всем отрицательным фронтам.

На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), вместо top и base по умолчанию может быть соответственно max и min, что, однако, дает менее предсказуемые результаты.
Стандартный параметр.

Fall 80-20% (Время спада 80-20%)

Длительность участка отрицательного фронта импульса от 80% до 20%, усредненная по всем отрицательным фронтам между курсорами

Средняя длительность участка отрицательного фронта импульса от 80% до 20%

Fall@level (Время спада на заданном уровне)

Длительность участка отрицательного фронта импульса между двумя заданными пользователем уровнями. См. также Rise@level.

Длительность участка отрицательного фронта импульса между двумя уровнями.

First (Первая точка)

Показывает горизонтальную координату левого курсора.

Горизонтальная координата левого курсора.

Показывает положение левого курсора. Курсоры являются взаимозаменяемыми: например, левый курсор можно переместить правее правого курсора, после чего параметр first будет показывать положение того курсора, который ранее был справа, а теперь находится слева.
Стандартный параметр.

Frequency (Частота)

Период периодического сигнала, измеренный как интервал между взятыми через один моментами пересечения сигналом уровня 50%. Начиная с первого пересечения, следующего за левым курсором, период измеряется для каждой пары пересечений. Полученные значения усредняются, а обратное значение от их среднего дает частоту.

1 / period

Стандартный параметр.

Freq@level (Частота на уровне)

Частота, измеряемая на заданном уровне и по фронту заданной полярности в каждом периоде сигнала.

FWHM (Ширина на половине высоты)

Измеряет ширину пика гистограммы, имеющего наибольшую площадь, по половине высоты (наполнения) самого высокого пика

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.
Стандартный параметр в DDA-5005.

FWxx (Ширина на уровне xx)

Измеряет ширину пика гистограммы, имеющего наибольшую площадь, на уровне xx% от высоты (наполнения) самого высокого пика

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Half period (Полупериод)

Половина периода сигнала.

Hist ampl (Амплитуда гистограммы)

Разница значений двух пиков гистограммы с наибольшим наполнением.

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Hist base (Основание гистограммы)

Значение левого из двух пиков гистограммы с наибольшим наполнением.

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Hist maximum (Максимум гистограммы)

Значение максимального (крайнего правого) интервала гистограммы с ненулевым наполнением.

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Hist mean (Среднее значение гистограммы)

Среднее значение данных гистограммы.

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Hist median (Медиана гистограммы)

Значение на горизонтальной оси гистограммы, делящее ее на две области с равным наполнением.

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Hist minimum (Минимум гистограммы)

Значение минимального (крайнего левого) интервала гистограммы с ненулевым наполнением.

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Hist rms (Средний квадрат гистограммы)

Средний квадрат значений гистограммы.

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Hist sdev (Ср.-кв. отклонение гистограммы)

Среднеквадратичное отклонение значений гистограммы.

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Hist top (Вершина гистограммы)

Значение правого из двух пиков гистограммы с наибольшим наполнением.

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Hold time (Время задержки)

Интервал времени от фронта тактового импульса до фронта импульса данных. Порог, полярность фронта и гистерезис для тактовых импульсов и данных устанавливаются независимо. См. также параметр Setup.

Last (Последняя точка)

Интервал времени от момента запуска до последнего (правого) курсора.

Интервал времени от момента запуска до последнего курсора.

Показывает положение правого курсора. Курсоры являются взаимозаменяемыми: например, правый курсор можно переместить левее левого курсора, после чего параметр last будет показывать положение того курсора, который ранее был слева, а теперь находится справа.
Стандартный параметр.

Level@X (Уровень в точке X)

Дает значение сигнала в заданной точке x. Если x находится между двумя точками, выдается интерполированное значение. Если установлен флажок Nearest, этот параметр дает значение сигнала в ближайшей точке.

Стандартный параметр

Local base (Локальная базовая линия)

Уровень базовой линии для локальной особенности сигнала.

Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Доступен с опцией DDM2.

Local bsep (Локальное разделение базовой линии)

Локальное разделение базовой линии между положительным и отрицательным фронтами.

Local max (Локальный максимум)

Максимальное значение локальной особенности сигнала.

Local min (Локальный минимум)

Минимальное значение локальной особенности сигнала.

Local number (Число локальных особенностей)

Количество локальных особенностей (пар пик/впадина)

Local pkpk (Локальный размах)

Разность значений пика и впадины локальной особенности (lmax — lmin)

Local tbe (Интервал между локальными событиями)

Интервал времени между событиями (от локального пика до следующей впадины или от локальной впадины до следующего пика).

Local tbp (Интервал между локальными пиками)

Интервал времени от локального пика до следующего локального пика

Local tbt (Интервал между локальными впадинами)

Интервал времени от локальной впадины до следующей локальной впадины

Local tmax (Время локального максимума)

Временная координата максимума локальной особенности.

Local tmin (Время локального минимума)

Временная координата минимума локальной особенности.

Local tot (Время выше заданного локального уровня)

Количество времени, в течение которого локальная особенность находится выше заданного уровня в процентах от амплитуды (вертикального расстояния от пика до впадины)

Local tpt (Время от локального пика до впадины)

Интервал времени от локального пика до впадины.

Local ttp (Время от локальной впадины до пика)

Интервал времени от локальной впадины до следующего локального пика

Local tut (Время ниже заданного локального уровня)

Количество времени, в течение которого локальная особенность находится ниже заданного уровня в процентах от амплитуды (вертикального расстояния от пика до впадины)

Mathcad

Возвращает значение параметра, используя заданную пользователем функцию Mathcad.

Доступен с опцией XMAP.
В приборе должна быть установлена программа Mathcad версии 2001i и выше.

MATLAB

Возвращает значение параметра, используя заданную пользователем функцию MATLAB.

Доступен с опцией XMAP.
В приборе должна быть установлена программа MATLAB.

Maximum (Максимум)

Дает значение самой высокой точки осциллограммы. В отличие от top, не предполагает наличия двух уровней.

Наибольшее значение осциллограммы между курсорами.

Дает сходные результаты при применении к осциллограмме во временной области или гистограмме данных той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных порций данных. Дает горизонтальную координату крайнего правого интервала гистограммы с ненулевым наполнением — не путать с maxp.

Max populate (Максимальное наполнение)

Пик гистограммы с наибольшим наполнением.

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Mean

Среднее значение точек кривой во временной области. Вычисляется как центроида распределения гистограммы.

Дает сходные результаты при применении к кривой во временной области или гистограмме данных той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных порций данных.
Стандартный параметр.

Median (Медиана)

Среднее от значений основания и вершины.

Среднее от base и top.

Стандартный параметр.

Minimum (Минимум)

Дает значение самой низкой точки осциллограммы. В отличие от base, не предполагает наличия двух уровней.

Наименьшее значение осциллограммы между курсорами.

Дает сходные результаты при применении к осциллограмме во временной области или гистограмме данных той же осциллограмме. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных массивов данных.
Стандартный параметр.

Mode (Мода)

Положение самого высокого пика гистограммы.

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Nb Phase (Узкополосная фаза)

Измеряет фазу на заданной частоте сигнала (в узкой полосе).

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Nb Power (Узкополосная мощность)

Измеряет мощность на заданной частоте сигнала (в узкой полосе).

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

NLTS (Нелинейный переходный сдвиг)

Измеряет нелинейный переходный сдвиг prml-сигнала

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Npts (Число точек)

Число точек осциллограммы между курсорами.

Стандартный параметр

Overshoot- (Выброс-)

Величина выброса, следующего за отрицательным фронтом, в процентах от амплитуды.

(base — min) / ampl ? 100

Осциллограмма должна иметь по меньшей мере один отрицательный фронт. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), результаты могут быть непредсказуемыми.

Overshoot+ (Выброс+)

Величина выброса, следующего за положительным фронтом, в процентах от амплитуды.

(max — top) / ampl ? 100

Осциллограмма должна иметь по меньшей мере один положительный фронт. На сигналах, у которых нет двух основных уровней (например, треугольное или пилообразное напряжение), результаты могут быть непредсказуемыми.

Overwrite (Перезапись)

Отношение остаточной и исходной мощности низкочастотной осциллограммы, на место которой записывается более высокочастотный сигнал.

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Param Script

Сценарий на языке VBScript или JavaScript, принимающий на входе одну или две осциллограммы и выдающий на выходе результат измерения.

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Peaks (Число пиков)

Количество пиков на гистограмме

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Peak to Peak (Размах)

Разность между значениями самой высокой и самой низкой точек осциллограммы. В отличие от ampl, не предполагает наличия двух уровней.

maximum — minimum

Дает сходные результаты при применении к осциллограмме во временной области или гистограмме осциллограммы той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных массивов данных.
Стандартный параметр.

Percentile (Процентиль)

Значение на горизонтальной оси гистограммы, делящее ее на две области, левая из которых имеет наполнение xx% от совокупного.

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Period (Период)

Период периодического сигнала, измеренный как интервал между взятыми через один моментами пересечения сигналом уровня 50%. Начиная с первого пересечения, следующего за левым курсором, период измеряется для каждой пары пересечений. Окончательный результат получается путем усреднения всех полученных значений.

Здесь Mr — количество положительных фронтов, Mf — количество отрицательных фронтов, Trix — момент времени, в который положительный фронт пересекает уровень x%, а Tfix — момент времени, в который отрицательный фронт пересекает уровень x%.
Стандартный параметр

Period@level (Период на заданном уровне)

Период, измеряемый на заданном уровне и по фронту заданной полярности в каждом периоде сигнала.

Phase (Фаза)

Разность фаз между анализируемым сигналом и другим сигналом, используемым в качестве опорного. По вашему выбору отображение может осуществляться в процентах, градуса или радианах. Настроив опорный сигнал, дотроньтесь до вкладки More, чтобы задать нужные параметры сигнала.

Разность фаз между анализируемым и опорным сигналом

Стандартный параметр.

Pop@X (Наполнение в точке X)

Наполнение интервала, имеющего заданную горизонтальную координату. Курсор можно поместить на любой интервал и задать его форму — абсолютную (Absolute), относительную (Reference) или дифференциальную (Difference).

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

PW50 (Длительность импульса на 50%)

Средняя длительность импульса в точке посередине между локальной базовой линией и локальным пиком или впадиной.

Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.

PW50- (Длительность отр. импульса на 50%)

Средняя длительность импульса в точке посередине между локальной базовой линией и локальной впадиной.

Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.

PW50+ (Длительность полож. импульса на 50%)

Средняя длительность импульса в точке посередине между локальной базовой линией и локальным пиком.

Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.

Range (Диапазон)

Вычисляет диапазон гистограммы (max — min)

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.

Resolution (Разрешение)

Отношение значений taa для высокочастотной и низкочастотной осциллограммы

taa (HF) / mean taa (LF) * 100

Можно задавать ширину диапазона гистерезиса, который используется для различения полезных данных и шума.
Стандартный параметр.

Rise (Время нарастания)

Измеряет интервал времени между моментами, когда положительный фронт сигнала пересекает два заданных уровня. Окончательный результат получается путем усреднения значений, полученных для каждого фронта.

Порог	Дист.	Ниж. предел	Верх. предел	По умолч.
Ниж.	Низк.	1%	45%	10%
Верх.	Выс.	55%	99%	90%

Разность времен пересечения нижнего и верхнего порогов, усредненная по всем отрицательным фронтам.

Rise 20-80% (Время нарастания 20-80%)

Длительность участка положительного фронта импульса от 20% до 80%, усредненная по всем положительным фронтам между курсорами

Средняя длительность участка положительного фронта импульса от 20% до 80%

Rise@level (Время нарастания на заданном уровне)

Длительность участка положительного фронта импульса между двумя заданными пользователем уровнями.

Длительность участка положительного фронта импульса между двумя уровнями.

RMS (Действующее значение)

Среднеквадратичное значение данных между курсорами — примерно то же, что и sdev, для осциллограммы с нулевым средним значением.

Setup (Задержка предустановки)

Интервал времени от фронта импульса данных до фронта тактового импульса.

Skew (Рассогласование)

Разность времен между ближайшими фронтами двух сигналов тактовой частоты.

Std dev (Ср.-кв. отклонение)

Среднеквадратичное отклонение данных между курсорами — примерно то же, что и rms для сигналов с нулевым средним значением.

TAA

Средний размах (разность между значениями пика и впадины) всех локальных особенностей

TAA-

Средняя отрицательная амплитуда (разность между значениями базовой линии и впадины) всех локальных особенностей

TAA+

Средняя положительная амплитуда (разность между значениями пика и базовой линии) всех локальных особенностей

TIE@level (Ошибка временного интервала на заданном уровне)

Разность между фактическим временем пересечения заданного фронта на заданном уровне и ожидаемым идеальным временем. Фронт может быть положительный, отрицательный или оба. В качестве единиц измерения результата можно выбрать время или единичный интервал (UI), который соответствует одному периоду сигнала тактовой частоты.
В диалоге Virtual Clock setup можно выбрать стандартный сигнал тактовой частоты (1,544 МГц) или нестандартные сигналы. Можно также использовать математическую систему фазовой автоподстройки частоты Golden FLL, позволяющую отфильтровать низкочастотное дрожание. Частота среза выбирается пользователем.

Частота среза =
= (1 / 1,667·10-3) ? тактовая частота

Time@level (Время на заданном уровне)

Интервал времени от запуска до момента пересечения сигналом заданного уровня.

Top (Вершина)

Верхнее из двух наиболее вероятных состояний (нижнее состояние — base). Является характеристикой прямоугольных сигналов и определяется из статистического распределения значений сигнала.

Значение верхнего наиболее вероятного состояния.

Дает сходные результаты при применении к осциллограмме во временной области или гистограмме данных той же кривой. Однако в случае гистограмм результат может содержать в себе вклад от нескольких зарегистрированных массивов данных.
Стандартный параметр.

Total Pop (Совокупное наполнение)

Совокупное наполнение гистограммы

Доступен с опциями DDM2, JTA2 и XMAP.Стандартный параметр в DDA-5005.

Width (Длительность импульса)

Длительность периодического сигнала, определяемая по пересечению уровня 50%. Если первое пересечение, следующее за левым курсором, дает положительный фронт, то прибор считает, что сигнал состоит из импульсов положительной полярности, и длительность импульса измеряется как интервал времени между соседними положительным и отрицательным фронтами. И наоборот, если это отрицательный фронт, импульс считаются отрицательными, а за длительность импульса принимается расстояние между соседними отрицательным и положительным фронтом. В обоих случаях окончательный результат получается путем усреднения длительностей всех зарегистрированных импульсов.

Длительность первого положительного или отрицательного импульса, усредненная по всем похожим импульсам

Аналогичен fwhm, однако тот, в отличие от width, применяется только к гистограммам.
Стандартный параметр.

Width@level (Длительность импульса на заданном уровне)

Длительность импульса, измеренная на заданном уровне.

X at max (X в максимуме)

Горизонтальная координата максимального значения между курсорами.

Только для осциллограмм во временной и частотной области.

X at min (X в максимуме)

Горизонтальная координата минимального значения между курсорами.

Только для осциллограмм во временной и частотной области.

X at peak (X в пике)

Значение n-го по высоте пика гистограммы.

Только для гистограмм.
Доступен с опциями JTA2 и XMAP.

Автор:
Дедюхин А.А.

Дата публикации:
22.11.2006

Источник

Измерения осциллографом

Осциллограф – прибор, показывающий форму напряжения во времени. Также он позволяет измерять ряд параметров сигнала, такие как напряжение, ток, частота, угол сдвига фаз. Но главная польза от осциллографа – возможность наблюдения формы сигнала. Во многих случаях именно форма сигнала позволяет определить, что именно происходит в цепи. На рис. 1 показан пример подобной ситуации.

Рис. 1. Осциллограмма сложного сигнала.

В этом случае напряжение содержит как постоянную, так и переменную составляющие, причем форма переменной составляющей далека от синусоидальной. На таком сигнале вольтметры дают большую ошибку: стрелочный вольтметр переменного тока показал напряжение 2,2 вольт, а цифровой – вообще 1,99 вольт. Вольтметр постоянного тока показал 4,8 вольт. Правильное действующее значение напряжения показал осциллограф – 5,58 вольт (цифровые осциллографы измеряют напряжение и позволяют сохранять результаты в компьютерном формате). Кроме того, осциллограмма позволяет увидеть некоторые свойства сигнала:

сигнал имеет импульсный характер;
сигнал не принимает отрицательных значений (измерено с открытым входом осциллографа);
сигнал очень быстро изменяется от нуля до значения 6,4 вольта и обратно до нуля (чувствительность канала вертикального отклонения 2 V/дел);
длительность импульсов более чем в три раза превышает длительность пауз.

В общем, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.

В подавляющем большинстве случаев исследуются периодические сигналы, именно про них мы и будем говорить.

Устройство осциллографа

«Сердцем» прибора является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), рис.2.

Рис. 2. Устройство электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением.

ЭЛТ является электронной лампой, и, как и все лампы, она «заполнена» вакуумом. Катод излучает электроны, а система фокусировки формирует из них тонкий луч. Этот электронный луч попадает на экран, покрытый люминофором, который под воздействием электронной бомбардировки светится, и в центре экрана возникает светящаяся точка. Две пары пластин ЭЛТ отклоняют электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать как координатные оси. Поэтому для наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч отклонялся по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси – пропорционально исследуемому напряжению.

На пластины горизонтального отклонения луча (расположенные вертикально) подается напряжение развертки. Оно имеет пилообразную форму: постепенно линейно нарастает и быстро спадает (рис. 3). Отрицательное напряжение отклоняет луч влево, а положительное – вправо (если смотреть со стороны экрана). В результате луч движется по экрану слева направо с определенной постоянной скоростью, после чего очень быстро возвращается к левой границе экрана и повторяет свое движение. Расстояние, которое проходит луч вдоль горизонтальной оси, пропорционально времени. Этот процесс называется разверткой, а горизонтальная линия, которую луч прочерчивает по экрану, называется линией развертки (иногда при измерениях ее называют нулевой линией). Она играет роль оси времени t графика. Частота повторения пилообразных импульсов называется частотой развертки, но она для измерений не используется. Для измерений нужно знать скорость развертки, про которую будет сказано ниже.

Рис. 3. Форма напряжения развертки.

Если при этом на пластины вертикального отклонения (расположенные горизонтально) подать исследуемое напряжение, то луч начнет отклоняться и по вертикали: при положительном напряжении вверх, а при отрицательном – вниз. Движения по вертикали и по горизонтали происходят одновременно и в результате исследуемый сигнал «разворачивается» во времени. Получившееся изображение называется осциллограммой.

На самом деле кроме линейной существует еще круговая и спиральная развертки, а также фигуры Лиссажу, когда один из сигналов является разверткой для второго. Но это уже совсем другая история…

В современных цифровых осциллографах электронно-лучевая трубка не используется. В них установлены цветные экраны, а сам осциллограф представляет собой специализированный компьютер. Но работа с ним производится точно также, как и с аналоговым осциллографом.

Важным моментом является соотношение частот развертки и сигнала. Если эти частоты в точности равны, то на экране отображается ровно один период исследуемого сигнала. Если частота сигнала вдвое больше частоты развертки, то мы увидим два периода, если втрое – то три. Если частота сигнала вдвое меньше частоты развертки, то мы увидим только половину периода сигнала. Частоту (скорость) развертки можно регулировать в широких пределах. Но изображение будет стабильным только в том случае, если частоты развертки и сигнала точь-в-точь совпадают. При малейшем несовпадении частот, каждое начало движения луча по экрану будет соответствовать новой точке функции входного сигнала, и ее график каждый раз будет рисоваться в новом положении. При небольшом несовпадении частот (доли герца) это будет выглядеть как график, «плывущий» влево или вправо. При несовпадении частот в несколько герц и более, осциллограмма становится нечитаемой (рис. 4).

Рис. 4. Осциллограмма при отсутствии синхронизации.

А ведь добиться абсолютно точного совпадения частот (особенно в десятки-сотни килогерц) практически невозможно. Поэтому разверткой в осциллографе управляет специальная схема синхронизации. Она задерживает начало движения луча по экрану так, чтобы луч начинал двигаться в тот момент, когда входное напряжение достигло определенного значения. В этом случае луч начинает движение (и рисование осциллограммы) каждый раз с одной и той же точки графика входного сигнала. В результате каждое следующее движение луча рисует картинку в одном и том же положении, даже если частоты сигнала и развертки заметно не совпадают. Изображение получается стабильным и устойчивым. Напряжение сигнала, при котором происходит синхронизация (уровень синхронизации), задается органами управления осциллографа. Визуально изменение этого напряжения вызывает смещение начала изображаемого графика относительно начала периода сигнала, рис. 5.

Рис. 5. Осциллограммы при разных уровнях синхронизации.

Для того чтобы можно было наблюдать несколько сигналов одновременно, выпускают многолучевые и многоканальные осциллографы. Обычно число каналов равно двум (иначе получается очень сложно и дорого). ЭЛТ двухлучевых осциллографов работает одновременно с двумя лучами на общем экране, которые позволяют наблюдать два сигнала абсолютно независимо. Но такие приборы сложны и дороги. Поэтому больше распространены двухканальные осциллографы. Их ЭЛТ самая обычная, но они имеют два отдельных входа и два независимых усилителя вертикального отклонения, которые обслуживают входные сигналы. Кроме того, они имеют встроенный высокоскоростной коммутатор, очень быстро переключающий ЭЛТ (пластины вертикального отклонения) от одного канала к другому. Изображения сигналов при этом не являются непрерывными линиями, а состоят из множества штрихов. Но на экране штрихи сливаются, и в результате получается два графика входных сигналов. Лишь при наблюдении высокочастотных сигналов и неудачной частоте развертки изображение может стать пунктирным.

Подключение осциллографа

Поскольку напряжение измеряется между двумя точками, то вход осциллографа имеет две клеммы. Причем они не равнозначны. Одна клемма, называемая «фаза», подключена ко входу усилителя вертикального отклонения луча. Вторая клемма – «земля» или «корпус». Она называется так потому, что электрически соединена с корпусом прибора (это общая точка всех его электронных схем). Осциллограф показывает напряжение фазы по отношению к земле.

Очень важно знать, какой из входных проводников является фазой. В импортных приборах обычно используются специализированные щупы, земля которых имеет зажим типа «крокодил» так как часто подключается к корпусу исследуемого устройства, а фаза оканчивается либо «иголкой», которой можно удобно и надежно «воткнуться» даже в контакт маленького размера, либо зажимом (рис. 6). В этом случае перепутать фазу и корпус в принципе невозможно.

Рис. 6. Щуп импортного осциллографа, слева «игла», справа зажим.

Осциллографы отечественного производства чаще всего комплектуются шнурами, имеющими стандартные для России 4-мм штекеры (к ним иногда применяется название «банан», пришедшее из аудиотехники), рис. 7. В этом случае оба штекера одинаковы, и для того, чтобы их различать используются дополнительные признаки. Этих признаков несколько, и они могут встречаться в любом сочетании:

Однако, к сожалению, эти правила выполняются не всегда. Особенно это относится к кабелям, прошедшим ремонт: туда могут поставить любой проводник, имеющийся в наличии и первый попавшийся штекер. Поэтому есть еще один способ определения фазы и корпуса, дающий стопроцентную гарантию.

Рис. 7. Штекер отечественного осциллографа.

Для определения какой из проводников является фазой, а какой корпусом, надо при никуда не подключенном осциллографе взяться рукой за контакт одного из входных проводников, при этом другой рукой ни до чего не дотрагиваться. Если этот проводник – корпус, то на экране будет только лишь горизонтальная линия развертки. Если этот проводник – фаза, то на экране возникнут довольно значительные помехи, представляющие собой сильно искаженную синусоиду частотой 50 Гц (рис. 8).

Рис. 8. Помехи на экране осциллографа при касании рукой фазы входного кабеля.

Эти помехи возникают из-за того, что существует емкость между телом человека и проводами сети, проложенной в помещении. И возникает ток, протекающий по такой цепи: фаза осветительной сети переменного тока 220 В 50 Гц – емкость между проводами сети и телом человека – рука человека – вход усилителя (фаза входного кабеля) – электронная схема усилителя – корпус осциллографа – емкость между корпусом и Землей – нейтральный провод сети (он всегда заземлен). Цепь замкнута, ток течет. Величина этого тока составляет 10^-8…10^-6 ампера, но вход осциллографа имеет очень высокое сопротивление (порядка 10^6 Ом), поэтому на нем возникает достаточно большое напряжение. Синусоида выглядит искаженной оттого, что емкостное сопротивление участка сеть – тело человека зависит от частоты: чем частота выше, тем сопротивление меньше. Поэтому высокочастотные составляющие (гармоники сети и проникшие в нее помехи) создают больший ток и большее напряжение на входе осциллографа.

Определив фазу и корпус входного кабеля, можно подключать осциллограф к исследуемой цепи. Если в ней нет четко выраженного общего провода, то корпус подключается к любой из точек, напряжение между которыми требуется исследовать. Если в цепи присутствует общий провод – точка, условно принимаемая за нулевой потенциал, соединенная с корпусом устройства или реально заземленная, то корпус осциллографа лучше подключать к этой точке. Невыполнение этого правила может привести к значительным погрешностям измерений (иногда настолько большим, что измерениям и вовсе нельзя доверять).

Измерение тока осциллографом

По своей сути осциллограф является вольтметром, показывающим график напряжения. Однако с его помощью можно наблюдать и форму тока. Для этого последовательно с исследуемой цепью включают резистор Rт (здесь индекс «т» означает токовый), рис. 9. Сопротивление резистора Rт выбирают намного меньшим, чем сопротивление цепи, тогда резистор не влияет на ее работу и его включение не приводит к изменениям режима работы цепи. На резисторе по закону Ома возникает напряжение:

Это напряжение и измеряется осциллографом. А зная величину Rт можно перевести напряжение, показываемое осциллографом в ток.

Рис. 9. Измерение тока осциллографом.

Двухканальный (и двухлучевой) осциллограф может показывать осциллограммы двух сигналов одновременно. Для этого у него имеется два входа (канала), обычно обозначаемых I и II. Следует помнить, что одна из входных клемм каждого канала соединена с корпусом осциллографа, следовательно, клеммы «корпус» обоих каналов соединены между собой. Поэтому эти клеммы должны подключаться к одной и той же точке цепи, иначе в цепи произойдет замыкание (рис. 10).

Рис. 10. Подключение двухканального осциллографа. «Земли» входов могут создать замыкание в цепи.

На рис. 10а точки цепи В и D оказались замкнутыми между собой через корпус осциллографа (замыкающий проводник показан пунктиром). В результате конфигурация цепи изменилась.

Возможность наблюдать не любые два напряжения, а только имеющие общую точку, является недостатком, но небольшим – в электронике один из полюсов источника питания всегда является общим проводом, и все напряжения измеряются относительно него.

Используя двухканальный осциллограф можно одновременно наблюдать и напряжение, и ток в цепи. И таким образом измерять сдвиг фаз между током и напряжением. Схема подключения осциллографа в этом случае показана на рис. 11.

Рис. 11. Подключение осциллографа для измерения сдвига фаз.

Канал I измеряет напряжение, а канал II измеряет ток. Такое включение наиболее оптимально, т.к. напряжение, падающее на резисторе Rт и подаваемое в канал II, в 30…100 раз меньше, чем в канале I, следовательно, оно больше подвержено помехам и синхронизация от низкого напряжения не такая хорошая. Кроме того, конструкция большинства осциллографов несколько «несимметричная» – синхронизация от сигнала канала I обычно более качественная и стабильная. Таким образом, подключение канала I к напряжению обеспечивает более стабильное изображение осциллограммы.

Ошибка подключения на рис. 11б состоит в том, что клеммы корпуса обоих входов не соединены в одной точке. В результате резистор Rт оказывается замкнут накоротко через корпус осциллографа. Самое неприятное, что при этом напряжение на резисторе Rт не равно нулю – из-за того, что сопротивление проводов входных кабелей (через которые этот резистор замыкается) не нулевое. Поэтому при таком подключении можно не заметить эту ошибку (ведь осциллограф что-то показывает), а результат измерения тока при этом будет неверным.

Включение, показанное на рис. 11в неудачно тем, что канал I осциллографа измеряет не напряжение в исследуемой цепи, а сумму напряжений в цепи и на резисторе Rт (напряжение измеряется не на нагрузке, а на источнике). Напряжение на Rт хоть и небольшое по величине, но все равно вносит погрешность в измерение напряжения.

Подключение осциллографа, показанное на рис. 11а не только обеспечивает наибольшую точность измерений, но и позволяет в ряде случаев использовать резистор Rт с довольно большим сопротивлением. Это важно при измерении малых токов: если и ток в цепи и сопротивление Rт малы, то возникающее на Rт напряжение может быть настолько маленьким, что чувствительности осциллографа не хватит для его отображения.

При измерении сдвига фаз необходимо инвертировать сигнал в канале II, поскольку канал II включен встречно по отношению к каналу I.

Органы управления осциллографом

Рассмотрим переднюю панель двухканального осциллографа С1-83 (рис. 12).

Рис. 12. Передняя панель осциллографа С1-83.

А – управление каналом I.
Б – управление отображением каналов.
В – управление каналом II.
Г – регулировка яркости луча, фокусировки и подсветки экрана.
Д – управление разверткой.
Е – управление синхронизацией.

Хорошо видно, что экран осциллографа разбит на клетки. Эти клетки называются делениями, и используются при измерениях: к ним привязываются все масштабы по вертикали и горизонтали. Масштаб по вертикали – вольты на деление (В/дел или V/дел), масштаб по горизонтали секунды (милли- и микросекунды) на деление. Обычно осциллограф имеет 6…10 делений по горизонтали и 4…8 делений по вертикали. Центральные вертикальная и горизонтальная линии имеют дополнительные риски, делящие деление на 5 или 10 частей (рис. 13, на рис. 12 тоже видно). Риски служат для более точных измерений, они являются долями деления.

Рис. 13. Деления экрана осциллографа.

Управление обоими каналами одинаковое. Рассмотрим его на примере канала I (рис. 14).

Рис. 14. Органы управления канала I.

1. Переключатель режима входа. В верхнем положении «» на вход поступает и постоянное и переменное напряжение. Это называется «открытый вход» – то есть открытый для постоянного тока. В нижнем положении «~» на вход проходит только переменное напряжение, это позволяет измерять маленькое переменное напряжение на фоне большого постоянного, например в усилителях. Реализуется это очень просто: вход усилителя подключается через конденсатор. Это называется «закрытый вход». Учтите, что при закрытом входе очень низкие частоты (ниже 1…5 Гц) сильно ослабляются, поэтому измерять их можно только при открытом входе. В среднем положении переключателя 1 вход усилителя осциллографа отключается от входного разъема и замыкается на землю. Это позволяет при помощи ручки 7 выставить линию развертки в нужное место.

2. Входной разъем канала.

3, 4, 5, 6. Регулятор чувствительности канала вертикального отклонения (масштаба по вертикали). Переключатель 4 задает масштаб ступенчато. Задаваемые им значения нанесены рядом с ним. На выбранное значение указывает риска 5 на переключателе. На рисунке она указывает на значение 0,2 вольта/деление. Ручка 3, расположенная соосно с переключателем, позволяет плавно уменьшать масштаб в 2…3 раза. В крайнем правом положении (на рис. 14 ручка «плавно» находится именно в нем) эта ручка имеет фиксацию, тогда масштаб по вертикали в точности равен заданному переключателем 4. Значения масштабов, выделенные скобкой 6, указаны в милливольтах на деление – об этом говорит надпись «mV» внутри скобки.

7. Ручка выполняет две функции. При вращении она перемещает график канала по вертикали вверх или вниз . При «вытягивании» задает множитель масштаба по вертикали: вытянутая ручка (рис. 15) задает множитель х1, а утопленная множитель х10. Утопленное и вытянутое положения символически показаны над и под ручкой.

Рис. 15. Ручка множителя масштаба по вертикали вытянута в положение «х1».

Канал II (рис. 16) аналогичен каналу I:

1 – переключатель режима входа;
2 – входной разъем;
3 – масштаб плавно;
4 – масштаб ступенчато;
5 – перемещение луча по вертикали и множитель масштаба.

Рис. 16. Органы управления канала II.

Но второй канал имеет дополнительный переключатель 6, позволяющий инвертировать его входной сигнал. В нажатом положении канал работает как обычно, а в вытянутом – инвертируется, то есть при отрицательном входном сигнале луч движется вверх, а при положительном – вниз. Это необходимо при некоторых измерениях, например, сдвига фаз.

На рис. 17 показано управление отображением каналов, которое определяется нажатием на одну из кнопок.

Рис. 17. Управление отображением каналов.

1 – Работает только канал I, канал II отключен.

2 – Оба канала отображаются одновременно (луч очень быстро переключается между каналами) и взаимное положение осциллограмм обоих каналов верное. В этом режиме можно измерять сдвиг фаз.

3 – Осциллограф показывает сумму или разность сигналов в каналах (знак второго канала определяется положением ручки 6 на рис. 16).

4 – Отображаются сигналы обоих каналов, но они независимы во времени, поэтому никакое сравнение сигналов относительно времени и сдвига фаз производить нельзя.

5 – Работает только канал II, канал I отключен.

Панель управления разверткой (рис. 18) похожа на панель управления каналом вертикального отклонения луча. Она содержит ручку 4, позволяющую сдвигать изображение влево-вправо и комбинированный регулятор (1 – ступенчато, 3 – плавно) скорости развертки (масштаба по горизонтали). Риска 2 на переключателе показывает установленное значение. Как и в каналах вертикального отклонения, переключатель скорости развертки имеет разные единицы измерения: секунды s, миллисекунды ms, микросекунды µs. Вытянутая/утопленная ручка 4 «» задает множитель скорости развертки х0,2 и х1 соответственно. Обратите внимание: на рис. 18 ручка 3 регулирования скорости развертки «плавно» установлена не в крайнее правое положение. Значит скорость развертки не равна значению, заданному переключателем 1, а меньше него (скорость движения луча меньше, а значение время/деление больше!).

Рис. 18. Органы управления разверткой

На панели управления синхронизацией (рис. 19) задается:

1 – Источник внутренней синхронизации: напряжением какого канала синхронизируется движение луча. Эта синхронизация производится входным сигналом, поэтому называется внутренней. Такой режим используется для большинства измерений. Варианты здесь такие: либо синхронизация только сигналом канала I. Либо попытка синхронизации от канала I, а если не получается, то синхронизация производится сигналом канала II. Первый вариант иногда работает немного лучше, поэтому надо стараться, чтобы сигнал первого канала был достаточно большой для стабильной синхронизации. В подавляющем большинстве случаев для нормальной работы следует выбирать именно этот режим синхронизации, включив кнопку «I».

2 – Внешняя синхронизация. Движение луча синхронизируется импульсами, подаваемыми со специального внешнего источника на вход синхронизации осциллографа. Такой режим иногда требуется для исследования специфических сигналов. Если внешнего источника синхронизации нет, то получить устойчивое изображение невозможно. Кнопки «0,5-5» и «5-50» задают диапазон входных напряжений от внешнего источника синхронизации. Кнопка «X-Y» совместно с кнопкой «II X-Y» управления отображением каналов (рис. 17) подает сигнал канала II на пластины горизонтальной развертки. В этом режиме можно наблюдать фигуры Лиссажу.

3 – Ручка «Уровень синхронизации». Задает напряжение синхронизации (рис. 5). В нажатом положении этой ручки (как на рисунке) развертка автоматическая. При этом движение луча будет происходить даже если синхронизации не произойдет. Луч задерживается в начале движения на некоторое время до момента синхронизации, но через некоторое время все равно начинает движение. Это «мягкий» режим, более удобный для работы, так как луч всегда остается видимым. В вытянутом положении ручки включается ждущая развертка. В этом режиме луч не начнет движения до тех пор, пока не произойдет синхронизации. Если синхронизации не происходит, луч не движется. Такой режим хорошо подходит для наблюдения непериодических сигналов. Влияние этой ручки на изображение показано на рис. 4 и 5.

4 – «Полярность» синхронизации. На самом деле знаки «+» и «-» означают несколько другое. В положении «+» синхронизация происходит по фронту, т.е. в тот момент, когда входное напряжение достигает заданного (ручкой «Уровень синхронизации») значения при нарастании входного напряжения (изменении от «-» к «+»), рис. 20. В положении «-» синхронизация происходит по спаду – при убывании входного напряжения (изменении от «+» к «-»). В осциллографе в цепи синхронизации используются две различные схемы: одна определяет равно ли входное напряжение заданному и если равно – запускает движение луча. Это напряжение задается ручкой «Уровень синхронизации». Вторая схема определяет, как при этом изменяется входное напряжение – возрастает или убывает. И соответственно разрешает первой схеме сработать.

5 – Режим входа синхронизации. Относится как к внешней, так и ко внутренней синхронизации. В положении «~» вход «закрытый», и синхронизация происходит только от переменного напряжения. В положении «открытый вход» , и на срабатывание схемы синхронизации действует и переменное напряжение, и постоянное. Режим «НЧ» то же самое, но сигнал попадает на цепь синхронизации через фильтр низких частот, обрезающий высокочастотные помехи. Это режим есть не во всех осциллографах.

6 – Вход для подачи сигнала внешней синхронизации.

Рис. 20. «Полярность» синхронизации.

Измерения осциллографом

Измерения производятся визуально и их погрешность получается довольно высокой. Кроме того, напряжение развертки имеет невысокую линейность, поэтому погрешность измерения частоты и сдвига фаз может достигать 5%. Для минимизации погрешности, изображение должно иметь размер 80…90% от размеров экрана. При измерении напряжения и частоты (временных интервалов) необходимо ручки плавной регулировки усиления входного сигнала и скорости развертки необходимо установить в крайнее правое положение.

Измерение напряжения осциллографом

Для измерения напряжения используется известное значение масштаба по вертикали. Перед началом измерения необходимо замкнуть накоротко входные клеммы осциллографа (или установить переключатель режима входа в положение «земля» ) и ручкой «вверх-вниз» установить линию развертки на горизонтальную линию сетки экрана, чтобы была возможность правильно определить высоту осциллограммы, рис. 21а.

После этого на вход подается исследуемый сигнал (или переключатель режима входа устанавливается в одно из рабочих положений). На экране появляется график функции сигнала, рис. 21б.

Рис. 21. Измерение напряжения (скриншот цифрового осциллографа): а – подготовка; б – измерение.

Для того чтобы точнее измерить высоту графика, осциллограмма сдвигается ручкой так, чтобы точка, в которой измеряется амплитуда попала на центральную вертикальную линию, имеющую градуировку в долях деления (рис. 22). Получаем: чувствительность канала вертикального отклонения = 1 В/дел, размер осциллограммы 2,6 деления, следовательно амплитуда сигнала 2,6 вольт.

Рис. 22. Определение амплитуды сигнала.

Продемонстрируем измерение напряжения на самом осциллографе. Максимум напряжения имеет величину 3,4 деления (рис. 23). Определение масштаба по вертикали показано на рис. 24. Ручка «плавно» установлена в крайнее правое положение. Риска на переключателе чувствительности показывает 0,5 вольт/деление. Множитель масштаба установлен в положение х10 (утоплен). Следовательно измеряемое напряжение равно:

Рис. 23. Определение амплитуды на осциллографе С1-83.

Рис. 24. Определение масштаба по вертикали на осциллографе С1-83.

Измерение частоты осциллографом

Осциллограф позволяет измерять временные интервалы, в том числе и период сигнала. Частота сигнала обратно пропорциональна его периоду. Период сигнала можно измерять в различных частях осциллограммы, но наиболее удобно и точно измерять его в точках пересечения графиком оси времени. Поэтому перед измерением линию развертки необходимо установить на центральную горизонтальную линию сетки экрана (рис. 21а).

Рис. 25. Измерение периода сигнала.

При помощи ручки «влево-вправо» начало периода совмещается с вертикальной линией сетки, рис. 25 (лучше всего начало периода совмещать с самой левой вертикальной линией экрана, тогда точность будет максимальна). Период сигнала, показанного на рис. 25 равен 6,8 делений. Скорость развертки – 100 мкс/деление (поскольку греческая буква µ, означающая «микро», не всегда доступна для отображения, ее часто заменяют латинской буквой u, сходной по начертанию). Тогда период сигнала

и его частота:

Обратите внимание, что на рисунках 22 и 25 показан один и тот же сигнал, но при различных значениях скорости развертки. Определение частоты по рис. 22 дает большее значение погрешности (точное значение частоты 1,459 кГц). Поэтому наиболее точные измерения получаются, если максимально растянуть изображение по горизонтали. И еще. На рис. 25 длительность периода сигнала чуть-чуть больше, чем 6,8 делений. Раз период больше, частота сигнала на самом деле чуть-чуть меньше, чем та, которую мы получили: реально 1,459 кГц, а у нас 1,47 кГц. На самом деле погрешность измерения меньше одного процента – это высокая точность. Такую точность обеспечивает цифровой осциллограф, у которого развертка линейна. В аналоговом осциллографе погрешность измерения частоты, скорее всего, была бы выше.

Небольшое дополнение. Если сигнал не содержит помех, «выглядит красиво» и не искривлён по вертикали (такое часто происходит при наличии наводок с частотой 50 Гц от сети), то есть выглядит как на рис. 22, то частоту сигнала можно измерить достаточно точно не растягивая период по горизонтали на весь экран. Надо посчитать время нескольких периодов. Частота будет равна количеству периодов сигнала, делённому на всё время, занимаемое этими периодами.

Для примера рассмотрим рис. 22. На нём присутствует три с половиной периода сигнала. Возьмём три периода. Начало — самая левая точка осциллограммы. Конец — пресечение осциллограммой горизонтальной оси над знаком «-» в надписи «Т->-160.0us» внизу справа экрана (линия имеет вот такой наклон: ). Три периода сигнала занимают 10,3 деления по горизонтали. Скорость развёртки равна 200us — 200 микросекунд на деление. Тогда частота сигнала: f=3/(10,3*200us)=1456 Гц = 1,456 кГц.

Точность получилась даже выше, чем при растягивании периода. Это потому, что три периода «растянуты» в большей степени: они имеют бОльшую длину по горионтали, чем один растянутый период на рис. 25.

Так что, иногда нет необходимости растягивать один период, чтобы измерить частоту. Но появляется дополнительная возможность ошибки: можно ошибиться с количеством периодов и с началом и концом рассматриваемой группы периодов осциллограммы.

Измерение сдвига фаз осциллографом

Сдвиг фаз показывает взаимное расположение двух колебательных процессов во времени. Но его измеряют не в единицах времени (которые откладываются по горизонтальной оси), а в долях периода сигнала (т.е. в единицах угла). В этом случае одинаковому взаимному расположению сигналов будет соответствовать одинаковый фазовый сдвиг, независимо от периода и частоты сигналов (т.е. независимо от реального масштаба графиков по оси времени). Поэтому наибольшая точность измерений получается, если растянуть период сигнала на весь экран.

Поскольку в аналоговом осциллографе графики сигнала обоих каналов имеют одинаковый цвет и одинаковую яркость, то для того, чтобы их различать между собой, рекомендуется сделать их разной амплитуды. При этом напряжение, измеряемое каналом I прибора, лучше делать большим – в этом случае синхронизация будет лучше «держать» изображение. Подготовка к измерениям производится так (см. рис.26, на нем для большей наглядности напряжение и ток показаны разными цветами):

Ручками обоих каналов их линии развертки устанавливаются на среднюю линию сетки экрана (при отсутствии сигналов на входах).
Ручками регулировки усиления каналов вертикального отклонения (ступенчато и плавно) сигнал 1-го канала устанавливается большой амплитуды, а 2-го канала – меньшей амплитуды.
Ручками регулировки скорости развертки устанавливается такая ее скорость, чтобы на экране отображался примерно один период сигнала.
Ручкой «Уровень синхронизации» добиваются того, чтобы график напряжения начинался с оси времени (с линии развертки) – точка А.
Ручкой добиваются того, чтобы график напряжения начинался с крайней левой вертикальной линии сетки экрана – точка А.
Ручками «Скорость развертки» (ступенчато и плавно) добиваются того, чтобы период графика напряжения заканчивался на крайней правой вертикальной линии сетки экрана.
Повторяют пункты 4…6 до тех пор, пока период графика напряжения не будет растянут на весь экран, причем его начало и конец должны совпадать с линией развертки (рис. 26).

Прежде, чем измерять величину сдвига фаз, необходимо определить, какой из сигналов (напряжение или ток) опережает, а какой отстает. От этого зависит знак угла сдвига фаз φ. На рис. 26а ток отстает от напряжения – начало его периода расположено во времени позже, чем начало периода напряжения (начало периода напряжения в точке А, а периода тока – в точке Б). Ток начинается позже, следовательно, он отстает, а напряжение опережает. Этой ситуации соответствуют положительные значения угла сдвига фаз. На рис. 26б ток опережает, а напряжение отстает. Поскольку начало периода тока на экране не отображается, то сравниваются окончания первого полупериода: первым к нулю вернется тот график, который начался раньше (точка Г наступает раньше во времени, чем точка В). Угол сдвига фаз при этом отрицателен.

Рис. 26. Ток отстает от напряжения, φ>0 (а); ток опережает напряжение, φ<0 (б).

Модуль угла сдвига фаз φ это расстояние между началами или между концами периода (положительного полупериода) сигналов в делениях сетки экрана (рис. 27). Далее значение модуля φ находится из пропорции, учитывая, что один полный период любого колебания равен 360 градусов:

здесь N – число делений сетки, занимаемых одним периодом сигнала,
α – число делений сетки между началами периодов (концами положительного полупериода).
В примере на рис. 27 модуль φ в обоих случаях равен (весь период занимает 8 делений):

Следует учитывать, что для пассивного элемента (в смысле, не усилителя или транзистора, а резистора — катушки — конденсатора) сдвиг фаз

Рис. 27. Измерение угла сдвига фаз.

В принципе, величину сдвига фаз можно измерить и в конце периода (точки Д и Е на рис. 26), но в правой части экрана линейность напряжения развертки наихудшая, поэтому погрешность измерения будет максимальна.
Если сдвиг фаз равен нулю (в цепи только активная нагрузка или происходит резонанс), то напряжение и ток будут начинаться и заканчиваться одновременно, рис. 28.

Рис. 28. Осциллограмма при сдвиге фаз, равном нулю.

Реальные измерения осциллографом

Вот несколько примеров применения осциллографа для проведения реальных измерений в различных устройствах. Там может быть не показано подключение осциллографа, но используются (и показаны) осциллограммы для анализа процессов:

Усилители

Измерение осциллографом звукового усилителя

Измерение клиппинга осциллографом

Измерение возбуждения осциллографом

Измерение выходного сопротивления осциллографом

Блоки питания

Измерение пульсаций аналоговым осциллографом

Измерение пульсаций цифровым осциллографом

Измерение тока в сети осциллографом

Измерение выпрямителя осциллографом

26.03.2011

Total Page Visits: 14564 — Today Page Visits: 15

Источник

Мне нравится создавать бесплатный контент, полный советов для моих читателей, вас. Я не принимаю платное спонсорство, мое мнение принадлежит мне, но если вы сочтете мои рекомендации полезными и в конечном итоге купите что-то, что вам нравится, по одной из моих ссылок, я мог бы получить комиссию без каких-либо дополнительных затрат для вас. Узнать больше

Я Йоост Нуссельдер, основатель Tools Doctor, контент-маркетолог и папа. Мне нравится пробовать новое оборудование, и с 2016 года вместе со своей командой я пишу подробные статьи в блогах, чтобы помочь постоянным читателям с инструментами и советами по изготовлению.

Источник

6. Объясните назначение различных элементов в схеме элт (электронно-лучевая трубка). Как осуществляется регулировка яркости и фокусировка луча?

Измерения в цифровых осциллографах и обработка результатов измерения

Измерения амплитудных параметров

Измерения временных параметров

Пост-обработка результатов измерения

Приложение 1

Измерения осциллографом

Устройство осциллографа

Подключение осциллографа

Измерение тока осциллографом

Органы управления осциллографом

Измерения осциллографом

Измерение напряжения осциллографом

Измерение частоты осциллографом

Измерение сдвига фаз осциллографом

Реальные измерения осциллографом

Усилители

Блоки питания

Не пропустите также: