Как определить среднеквадратическое значение сигнала на осциллографе

radiohlam.ru

БАРС модератор, спонсор, писатель, идеолог, редактор
Сообщения: 2019 Зарегистрирован: 16 ноя 2009, 15:25 Откуда: СССР, г. Москва

Определение частоты по осциллограмме

Сообщение БАРС » 15 ноя 2011, 20:24

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

ec73 инженер, читатель
Сообщения: 54 Зарегистрирован: 20 окт 2010, 19:49 Контактная информация:

Re: Определение частоты по осциллограмме

Сообщение ec73 » 15 ноя 2011, 23:36

Очевидные вещи комментировать — все верно

Считаем скважность:
Период в первом случае равен 4,2 клетки
Длительность — 2,2 клетки.
Скважность равна 2. Ну примерно
Или коэффициент заполнения — 0,5 (duty=50%)

rhf-admin администратор, спонсор, писатель, дизайнер, инженер, программист, идеолог
Сообщения: 3028 Зарегистрирован: 25 авг 2009, 23:19 Откуда: Уфа Контактная информация:

Re: Определение частоты по осциллограмме

Сообщение rhf-admin » 16 ноя 2011, 09:45

БАРС модератор, спонсор, писатель, идеолог, редактор
Сообщения: 2019 Зарегистрирован: 16 ноя 2009, 15:25 Откуда: СССР, г. Москва

Re: Определение частоты по осциллограмме

Сообщение БАРС » 22 ноя 2011, 20:03

rhf-admin администратор, спонсор, писатель, дизайнер, инженер, программист, идеолог
Сообщения: 3028 Зарегистрирован: 25 авг 2009, 23:19 Откуда: Уфа Контактная информация:

Re: Определение частоты по осциллограмме

Сообщение rhf-admin » 23 ноя 2011, 01:01

БАРС модератор, спонсор, писатель, идеолог, редактор
Сообщения: 2019 Зарегистрирован: 16 ноя 2009, 15:25 Откуда: СССР, г. Москва

Re: Определение частоты по осциллограмме

Сообщение БАРС » 23 ноя 2011, 01:37

rhf-admin администратор, спонсор, писатель, дизайнер, инженер, программист, идеолог
Сообщения: 3028 Зарегистрирован: 25 авг 2009, 23:19 Откуда: Уфа Контактная информация:

Re: Определение частоты по осциллограмме

Сообщение rhf-admin » 23 ноя 2011, 12:06

БАРС модератор, спонсор, писатель, идеолог, редактор
Сообщения: 2019 Зарегистрирован: 16 ноя 2009, 15:25 Откуда: СССР, г. Москва

Re: Определение частоты по осциллограмме

Сообщение БАРС » 23 ноя 2011, 13:01

Тогда если представим что я измеряю пульсации на этой осциллограмме
download/file.php?id=523&mode=view
получается что размах пульсаций здесь = 4,6 клетки; амплитуда пульсаций = 2,3 клетки; двойная амплитуда (первый раз такой термин услышал ) пульсаций = 4,6 клетки?

И ещё вопрос, почему на этой осциллограмме на ножках кварца не синусоида а непонятно что? Или это мой осциллограф её так искажает? Хотя быть такого не может, у него полоса пропускания до 10МГц, а импульсы на осциллограмме под 5 МГц.
download/file.php?id=522&mode=view

rhf-admin администратор, спонсор, писатель, дизайнер, инженер, программист, идеолог
Сообщения: 3028 Зарегистрирован: 25 авг 2009, 23:19 Откуда: Уфа Контактная информация:

Re: Определение частоты по осциллограмме

Сообщение rhf-admin » 23 ноя 2011, 23:12

dionisiu Читатель
Сообщения: 35 Зарегистрирован: 24 мар 2015, 10:40 Откуда: ЮжныйБерегКрыма

Re: Определение частоты по осциллограмме

Сообщение dionisiu » 01 апр 2015, 16:27

Дико извиняюсь за некрофильство, но другой темы по осциллографам здесь ещё не нашёл.
Вопрос в следующем. Добыл я из своего хламушника осциллограф Н313, да вот родной щуп к нему утерян. Кое-как сделал некое подобие и включил прибор, щуп на палец, подстроился на частоту наведенного напряжения сети и. немного озадачился. В общем и целом, на экране — синусоида, но при рассмотрении её вблизи обнаружены отклонения от математически верной формы. Линия ступенчатая (как ступеньки на иллюстрациях к интегралам ), и отсюда возникает ряд вопросов:
1. Это признак внутренних проблем прибора (типа высыхания электролитов)?
2. Это из-за помех, вносимых народным щупом ( ни грамма пайки, только скотч, алюминиевая фольга, соединители от коаксиального кабеля, стоматологический шпатель из нержавейки и кусок провода из наушников)?
3. Это из-за слишком большого числа окружающих нас импульсных блоков питания?
4. Кто-то рядом запилил отмотку счётчика?
5. Несколько факторов вместе?

Уважаемые радиохламеры, посмотрите, пожалуйста, на своих осциллографах форму сетевых наводок, а то я тут беспокоиться начинаю.
И, нет, это не первоапрельская шутка, несмотря на дату.
Простите, фото сигнала пока приложить не могу, нечем скинуть

Измерение амплитуды сигнала методом калиброванной шкалы

1. Научиться измерять амплитудные параметры сигналов различными осциллографическими методами.

2. Оценить погрешность измерений параметров сигналов.

1. Измерение амплитуды сигнала методом сравнения.

2. Измерение амплитуды сигнала методом калиброванной шкалы.

3. Определение среднеквадратического значения напряжения импульсного сигнала.

Теоретическое обоснование:

Амплитуда — максимальное значение периодически изменяющейся величины. (лат.Amplitudo – величина).

Метод сравнения. Метод сравнения позволяет увеличить точность измерений за счет исключения погрешностей, связанных с нелинейностью амплитудной характеристики, геометрическими искажениями ЭЛТ. Осциллограф используется лишь как устройство сравнения исследуемого сигнала с эталонным, а изображение — как индикатор сравнения.

Метод калиброванных шкал. Измерять амплитуду сигнала можно, калибруя масштабную сетку на экране осциллографа (т.е. определяя цену деления сетки в вольтах на сантиметр). В этом случае сетка становиться шкалой. Масштаб указывается на переключателе чувствительности осциллографа. При наличии ручки плавной регулировки чувствительности указанный масштаб получается лишь при одном ее положении, фиксируемом при повороте (это положение обычно обозначается специальной меткой у ручки). Из-за влияния ряда факторов — погрешностей калибровки, визуального отсчета, нелинейной амплитудной характеристики канала горизонтального отклонения и т.д. — этот метод дает погрешность измерения напряжения около 5%.

Определение среднеквадратического значения напряжения импульсного сигнала . Среди средств измерения переменного тока и напряжения особое внимание уделяется средствам измерений среднеквадратического значения (СЗ) тока и напряжения. Это обусловлено тем, что единственной истинной мерой мощности электрического сигнала, т. е. его способности выделять теплоту, является его СЗ, независимо от того, является ли сигнал постоянным, синусоидальным, переменным с постоянным смещением, случайным или представляет собой последовательность импульсов. Среднеквадратическое значение — фундаментальная физическая характеристика процесса.

Необходимость прямого измерения СЗ приобретает особую важность в связи с широким распространением сигналов несинусоидальной формы (прямоугольных, треугольных, шумоподобных и т. д.). При определении количества и качества электроэнергии в энергосистемах, измерениях мощности, проверке систем связи, контроле уровня шума в звуковом диапазоне частот и измерениях в цифровых системах, полезную информацию о сигнале может дать только его СЗ.

Аппаратура и материалы. Для выполнения лабораторной работы необходим персональный компьютер со следующими характеристиками: процессор Intel с тактовой частотой 800 МГц и выше, оперативная память – не менее 128 Мбайт, свободное дисковое пространство – не менее 500 Мбайт, монитор типа Super VGA (число цветов – 256) с диагональю не менее 15». Программное обеспечение – операционная система Window 98/Nt/ME/2000/XP, программа Electronics Workbench.

Указания по технике безопасности. Техника безопасности при выполнении лабораторных работ совпадает с общепринятой для пользователей ПК, в частности: самостоятельно не производить ремонт ПК, установку и удаление программного обеспечения; в случае неисправности ПК сообщить об этом обслуживающему персоналу лаборатории; соблюдать правила техники безопасности при работе с электрооборудованием; содержать рабочее место в чистоте.

Методика и порядок выполнения работы:

Методика

Измерение амплитуды сигнала методом сравнения

Составить схему в соответствии с рисунком 1. К осциллографу на вход канала А подать исследуемый синусоидальный сигнал с источника переменного напряжения, а на вход канала В – эталонный сигнал прямоугольной формы с функционального генератора.

Рисунок 1 – Схема для измерения амплитуды сигнала методом сравнения

Установить действующие значения напряжения U источника в соответствии с таблицей 1. Подобрать значения масштабных коэффициентов: отклонения К_О (Вольт/деление – V / Div) и развертки К_Р (Время/деление – s(ms)/ div), чтобы изображение синусоидального сигнала по вертикали занимало большую часть экрана, а по горизонтали – 4-5 периода (рисунок 2).

Рисунок 2 – Экран осциллографа при совпадении размаха прямоугольного сигнала с размахом исследуемого сигнала

На функциональном генераторе подобрать такие значения амплитуды U_{m ФГ}, чтобы размах прямоугольного сигнала совпадал с размахом исследуемого сигнала (рисунок 2) и полученные результаты занести в таблицу. Амплитуду сигнала U _{m расч} рассчитать по формуле:

,

где U- напряжение на источнике.

Для результата измерения амплитуды сигнала методом сравнения рассчитать погрешность

.

Таблица 1 – Результаты измерения амплитуды сигнала методом сравнения

U, В — на источнике	5	10	20	40	100
Um ФГ , В – по генератору	7	14	28	56	140
U m расч , В – рассчитано	7.07	14.14	28,28	56,57	141.4
d — погрешность	0,0099	0,0099	0,0099	0.0099	0.0099

Измерение амплитуды сигнала методом калиброванной шкалы

Собрать схему в соответствии с рисунком 3.Установить действующие значения напряжения U. Измерить линейные размеры размаха l в делениях (рисунок 4). По формуле определить результат измерения амплитуды напряжения. Полученные расчеты занести в таблицу с результатами.

Сравнить полученные значения амплитуды сигнала с рассчитанной амплитудой напряжения источника . Найти погрешность измерения .

Рисунок 3 – Схема для измерения напряжения

Рисунок 4 – Линейный размеры размаха l в делениях

Таблица 2 – Результаты измерения амплитуды сигнала методом калиброванной шкалы

U, В — на источнике	10	15	25	50	120
Um изм, В – по осциллографу	14.1	21	34	70	170
U m расч , В – рассчитано	14.14	21.21	35.35	70.7	169.68
d — погрешность	0.003	0.009	0.0038	0.009	0.0018

Определение среднеквадратического значения напряжения импульсного сигнала

Собрать схему в составе функционального генератора, осциллографа и мультиметра (рис. 5). Задать следующие параметры: режим генератора — импульсный сигнал; amplitude =10 V; frequency =1000 Hz; duty cycly ( ) и offset (U₀). Здесь Т – период, t — длительность положительной части импульсного сигнала. Измерить амплитуду исследуемого сигнала U _изм на мультиметре.

Рисунок 5 – Схема для определения среднеквадратического значения напряжения импульсного сигнала

Рассчитать действующее значения напряжения U _расч=f(U_m ,Т, t) по формуле:

= .

Рассчитать погрешность измерения .

Таблица 4.3 – Результаты определения среднеквадратического значения напряжения импульсного сигнала

Порядок выполнения работы.

— изучение теоретического материала лабораторной работы;

— выполнение задания, предлагаемого в лабораторной работе.

Задания.

Задание 1. Выполнить измерение амплитуды сигнала методом сравнения в соответствии со своим вариантом задания (таблица 4).

Задание 2. Выполнить измерение амплитуды сигнала методом калиброванной шкалы в соответствии со своим вариантом задания (таблица 4).

Задание 3. Определить среднеквадратическое значение напряжения импульсного сигнала при U₀ = 0 и 5 В, в соответствии со своим вариантом задания (таблица 5).

Таблица 4 – Варианты заданий

Таблица 5 – Варианты заданий

Содержание отчета и его форма:

Отчет должен содержать: название лабораторной работы, фамилию, имя, отчество студента, цель работы, описание выполнения индивидуального задания; ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы и защита работы.

1. Структурная схема осциллографа, назначение элементов.

2. Назначение и состав электронно-лучевой трубки осциллографа.

3. Структурная схема канала вертикального отклонения луча, назначение элементов.

4. Физическая сущность коэффициента отклонения.

5. Источник формирует синусоидальное напряжение, действующее значение которого равно U=5 B. Какой следует установить коэффициент отклонения, чтобы изображение сигнала занимало большую часть экрана осциллографа по вертикали (см. рисунок 2)

Защита работы

Защита работы заключается:

— в выполнении задания и оформлении отчета лабораторной работы;

— в ответах на контрольные и дополнительные вопросы по лабораторной работе.

Дата добавления: 2019-07-15 ; просмотров: 462 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Статьи

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.

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.

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.

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.

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:

1. 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.
2. 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:

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:

1. Обеспечить амплитуду сигнала не менее 5 делений;
2. Должен быть установлен режим сбора информации «усреднение», с числом усреднений не менее 100;
3. 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:

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

Очевидно, что такой алгоритм измерения обеспечивает следующие преимущества:

1. Значительно повышается скорость измерений;
2. Обеспечивается возможность создания и обработки статистических данных полученных на основе массивов результатов измерений;
3. 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

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

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.

• 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:

1. Измерение частоты сигнала заполнения. Измерение производится по всему экрану и результат представлен в окне Р1 – 1,0000062 МГц
2. 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:

1. Измерение периода повторения радиоимпульсов. Измерение производится по всему экрану и результат представлен в окне Р3 – 1,5425064 мс.
2. 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.

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.

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.

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.

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:

1. Тренд стоится по любому выбранному виду измерения амплитудному, временному или вспомогательному. График слежения строится только по временным измерениям.
2. 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).
3. В зависимости от выбранного режима, тренд может строиться по результатам измерения одного прохода развертки или по всем значения, полученным в результате измерений.
4. При сохранении тренда в файл, сохраняется весь выбранный массив результатов измерений с указанием номера измерения. Далее эти данные можно использовать для обработки внешними средствами.
5. 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).

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.

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

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.

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.

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.

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:

1. α (среднее значение)
2. σ (сигма или стандартное отклонение),
3. диапазон гистограммы
4. 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).

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.

Автор: Дедюхин А.А.
Дата публикации: 22.11.2006

У нас представлены товары лучших производителей

ПРИСТ предлагает оптимальные решения измерительных задач.

У нас вы можете купить осциллограф, источник питания, генератор сигналов, анализатор спектра, калибратор, мультиметр, токовые клещи, поверить средства измерения или откалибровать их. Также мы поставляем паяльно-ремонтное оборудование, антистатический инструмент, промышленную мебель. Мы имеем прямые контракты с крупнейшими мировыми производителями измерительного оборудования, благодаря этому можем подобрать то оборудование, которое решит Ваши задачи. Имея большой опыт, мы можем рекомендовать продукцию следующих торговых марок:

Осциллограммы, графики и показания измерений

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

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

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

Этот простой график может многое рассказать о сигнале, например:

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

Общие сведения о сигналах и измерениях сигналов

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

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

Рис. 3. Распространенные формы сигналов.

Рис. 4. Источники распространенных сигналов.

Типы волн

Большинство волн могут быть классифицированы по следующим типам:

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

Синусоидальные волны

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

Квадратичные и прямоугольные волны

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

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

Пилообразные и треугольные волны

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

Пошаговые и пульсирующие волны

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

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

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

Периодические и непериодические сигналы

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

Синхронные и асинхронные сигналы

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

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

Комплексные волны

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

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

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

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

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

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

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