Полоса пропускания осциллографа что это

Связь между полосой пропускания осциллографа, временем нарастания и точностью измерения

Полоса пропускания —
о чем говорит эта характеристика?

Аналоговая полоса пропускания — это характеристика измерительной системы, определяющая частоту, на которой измеренная
амплитуда синусоидального сигнала на 3 дБ
ниже, чем реальная. На рис. 1 представлен
график, который дает представление о теоретическом поведении амплитудной ошибки по мере приближения частоты синусоидального сигнала к величине, равной значению полосы пропускания измерительного
устройства, ведущего себя как фильтр первого порядка (однозвенный Гауссов). На частоте, равной ширине полосы, ошибка измерения достигает 30%!

Рис. 1. Полоса пропускания осциллографа в зависимости от частоты

Если необходимо измерять синусоидальный сигнал с ошибкой в 3%, необходим осциллограф с полосой, по крайней мере,
в три раза большей, чем частота измеряемого сигнала. Поскольку большинство сигналов имеют более сложную форму, чем
синусоидальный, основное эмпирическое
правило— использовать осциллограф с полосой, в пять раз большей частоты измеряемого сигнала.

О чем не может сказать
полоса пропускания?

Аналоговая полоса пропускания — это,
по определению, характеристика, относящаяся к частотной области. Сложные сигналы
содержат в спектре много составляющих, что
показано на рис. 2.

Рис. 2. Прямоугольный цифровой сигнал как сумма нечетных гармоник

Чтобы полностью охарактеризовать эти
составляющие, мы должны знать как их амплитуду, так и фазу. Полоса пропускания сама по себе ничего не говорит о том, как измерительное устройство фиксирует характеристики.

Кроме характеристик, относящихся к спектральному анализу сигналов, большинство инженеров заинтересовано в таких измерениях, как время нарастания и спада прямоугольных импульсов. Для оценки времени
нарастания осциллографа, используя характеристику его полосы пропускания, можно
воспользоваться следующим выражением:

Значение 0,35 в числителе основано на простой однополюсной модели для времени нарастания от 10 до 90%. Используя эту простую
формулу, легко вычислить время нарастания.

В таблице приведены желательные характеристики измерительных систем при работе с современными сигналами наиболее распространенных стандартов.

Таблица. Требуемые характеристики измерительных устройств
для работы с сигналами различных стандартов

При составлении таблицы было сделано допущение, что как объект измерения, так и осциллограф имеют спад частотной характеристики, как фильтр низких частот первого порядка. В реальности, с современными высокоскоростными сигналами это допущение не совсем корректно. Для максимально равномерной задержки отклика
произведение ширины полосы на время нарастания осциллографа
может приближаться к 0,45.

Два осциллографа, имеющие равные полосы, могут иметь сильно отличающиеся времена нарастания, амплитудный и фазовый отклик. Так что одно только значение полосы пропускания осциллографа не скажет нам о его способности к точному отображению сложных сигналов, таких как высокоскоростные последовательные потоки
данных.

Переходная характеристика

Пользователям необходим осциллограф с хорошей переходной
характеристикой (реакцией на ступенчатое возбуждение). Для проверки переходной характеристики необходим очень «чистый» генератор прямоугольных импульсов. Отклонения картины, отображаемой осциллографом, от прямоугольного вида называются аберрациями (рис. 3, 4).

Рис. 3. Аберрации переходной характеристики

Рис. 4. Время нарастания переходной характеристики

Факторы, вносящие вклад в отклонения, включают в себя:

Факторы, определяющие аналоговые
характеристики осциллографа

Реальные аналоговые характеристики определяются входным трактом осциллографа, ведущим к аналого-цифровому преобразователю (АЦП).

Входной тракт включает аттенюаторы вертикального ослабления,
усилители, схемы контроля положения и схемы запуска.

При детальном исследовании осциллограммы, вам, возможно, потребуется отобразить часть сигнала, далекую от уровня «земли»
(рис. 5, 6). Типичные ±12 делений вертикальной развертки ограничивают размер изображения.

Рис. 5. Динамический диапазон вертикальной развертки и уровня запуска

Рис. 6. Положение по вертикали перемещает нулевую точку отсчета
вертикального масштаба

Если вы хотите увеличить определенную область осциллограммы,
расположенную не на уровне «земли», вы пользуетесь сдвигом, как
показано на рис. 7.

Рис. 7. Вертикальный сдвиг меняет точку отсчета от нуля
к некоторому уровню напряжения

Вертикальный сдвиг позволяет переопределить отображаемую точку отсчета. Например, если вы хотите рассмотреть детали на вершине импульса амплитудой 5 В, установите ручку сдвига на 5 В. Затем
измените масштаб по вертикали до необходимой чувствительности.
Сдвиг вызывает огромное увеличение аналогового динамического
диапазона. Недостатком «зума» деталей осциллограммы является насыщение усилителя. Когда вы перетаскиваете часть картины за экран
для того, чтобы рассмотреть некоторые частные детали, система отклонения по вертикали будет нуждаться в восстановлении после
насыщения (рис. 8). Типовая характеристика
восстановления может быть «90% восстановления за 1 нс». В высококачественных осциллографах восстановление может занимать
100 пс на 15 делений насыщения.

Рис. 8. Характеристики восстановления после насыщения могут привести
к пропаданию высокочастотных деталей сигнала

Влияние пробников
на полосу пропускания
и время нарастания

Каждый пробник для осциллографа имеет определенную емкость и сопротивление, а значит, воздействует на сигнал в точке измерения. Данный факт очевиден и не
нуждается в объяснении, вопросом остается только, насколько сильно это воздействие.

Щупы должны иметь достаточную полосу
пропускания, широкий динамический диапазон и давать минимальную нагрузку на исследуемый сигнал. Необходимо учитывать
воздействие щупа на время нарастания и переходную характеристику.

Полоса пропускания пробников
и время нарастания

Полоса пропускания

Производители пробников допускают, что
на максимальной рабочей частоте пропускание щупа снижается на 3 дБ. На частотах, превышающих полосу пропускания пробника,
результаты измерений могут быть непредсказуемы.

Рис. 9. График зависимости амплитуды от частоты (АЧХ) пробников

Рассмотрим типовую АЧХ на рис. 9.
По мере повышения частоты пропускание падает. При падении на 3 дБ обнаруживаются
значительные изменения на переднем и заднем фронтах прямоугольного сигнала, углы
скругляются, так как высокочастотные составляющие сигнала ослабляются. Выбирая щуп,
который от 3 до 5 раз по полосе превосходит
исследуемый сигнал, можно уменьшить амплитудную ошибку с 30% (3 дБ) до 3%.

Время нарастания

Полоса пропускания не определяет полную картину того, как пробник и осциллограф передают сложную форму сигнала.
Для этого необходимо знать переходную характеристику.

Короткие выводы и выбор
правильных аксессуаров

При снятии сигнала с исследуемой системы подключенный пробник является дополнительной нагрузкой. Индуктивность его может изменяться в зависимости от добавления
различных аксессуаров и изменения длины
проводов для подключения сигнального
и «земляного» выводов.

Подключение к контрольной точке системы может вызвать возбуждение. Как показано на рис. 10, удлинение сигнальных
проводов влияет на результат измерения.
Левый график получен с более короткими
проводами.

Рис. 10. Сигнальные выводы должны быть как можно короче

Осциллографические пробники, как правило, комплектуются некоторым числом наконечников. Пользователь должен сознавать,
что различные наконечники могут привести
к различным результатам измерений. Для более удобного контакта щупа с исследуемой
системой одни выводы делают со специальными клипсами, другие—длиннее, есть и такие выводы, которые имеют прямоугольные
соединители. Некоторые щупы имеют сигнальный и заземляющий выводы длиной
1 дюйм. Такие длинные выводы обладают
большой индуктивностью и могут вызвать
различные эффекты, такие как звон, искажения и выбросы.

Выводы

Полоса пропускания, как основная характеристика, может сказать о том, как осциллограф будет воспроизводить реальную форму
сигнала, но это далеко не все. Переходная характеристика, времена нарастания и спада,
искажения, монотонность внутри полосы,
фазовый отклик скажут гораздо больше
о действительной точности измерительной
системы. Если вы хотите исследовать детали
сигнала, необходимо помнить, что вертикальный сдвиг вместе с хорошей способностью
к восстановлению после насыщения позволит рассмотреть эти детали. Не забывайте про
эффекты, связанные с пробниками, особенно с наконечниками для сигнальных и заземляющих выводов.

Источник

Как выбрать цифровой осциллограф в 2021 г. [Руководство]

Для тех, кто занимается разработкой, изготовлением или ремонтом электронного оборудования, основным рабочим прибором всегда был, есть и будет (мы очень на это надеемся 🙂 ) цифровой осциллограф.

Данное руководство посвящено ответу на вопрос: «как выбрать цифровой осциллограф?».

Оглавление:

Прежде чем понять, как правильно выбрать цифровой осциллограф, стоит понимать, что он из себя представляет и зачем он Вам нужен.

Цифровой запоминающий осциллограф:

Осциллограф какой бы марки вы не выбрали ( Tektronix, Rohde & Schwarz, Keysight) должен не только соответствовать характеру вашей работы, но и:

Точность. Вы должны точно знать, какие сигналы собираетесь исследовать: звуковые сигналы и аналоговые сигналы датчиков или импульсы и ступеньки (цифровые сигналы). Если вы работаете с цифровыми сигналами, то будете ли вы измерять длительность перепадов, или вас интересуют лишь примерные временные соотношения? Будете ли вы использовать осциллограф для измерения характеристик разрабатываемой схемы, или в основном он нужен вам для отладки? В любом случае изначально точный захват сигнала важнее любой последующей обработки – ваши решения должны опираться на точную исходную информацию, которую затем вы всегда сможете обработать на ПК.

Возможности. Следует учитывать не только те схемы, которые вы разрабатываете сегодня, но и те, что будете создавать завтра. Высококачественный осциллограф с широкими возможностями верно прослужит вам долгие годы.

Гарантированные характеристики цифровых осциллографов. Убедитесь, что все характеристики, связанные с необходимыми видами измерений, отмечены в техническом описании, как «гарантированные». Если значения параметров указаны, как «типовые», они являются статистической характеристикой и не могут использоваться для выполнения достоверных измерений в соответствии с общепринятыми стандартами качества. Ниже будут перечислены основные параметры цифровых осциллографов.

Критерии выбора цифрового осциллографа

1.Полоса пропускания цифрового осциллографа

Системная полоса пропускания цифрового осциллографа определяет главную способность цифрового запоминающего осциллографа измерять аналоговый сигнал – максимальный диапазон частот, в котором обеспечивается точное измерение.

Что необходимо учитывать

Рис 1. Полоса пропускания определяется как полоса частот, в пределах которой входной синусоидальный сигнал ослабляется осциллографом не более чем до 70,7 % или по уровню –3 дБ (по уровню половинной мощности), как показано на данном рисунке для осциллографа с полосой пропускания 1 ГГц.

При выборе осциллографа — это один из главных факторов.

2. Время нарастания цифрового осциллографа

При работе с аналоговыми схемами основным критерием пригодности осциллографа является полоса пропускания. При исследовании импульсных или многоуровневых сигналов с крутыми фронтами наиболее важно, насколько точно осциллограф измеряет длительность фронта.

Что необходимо учитывать

Рис 2. Ваш осциллограф должен быть достаточно быстродействующим для точного захвата быстрых переходных процессов.

3. Согласованные пробники

Точные измерения начинаются с наконечника пробника. Полоса пропускания пробника должна соответствовать полосе пропускания осциллографа (с учетом «правила пятикратного превышения»), и при этом пробник не должен создавать излишнюю нагрузку на цепи тестируемого устройства.

Что необходимо учитывать

Рис 3. Выбирая пробник, подготовьте ответы на следующие вопросы. Что вы планируете измерять – напряжение, ток или и то, и другое? Какова частота исследуемого сигнала? Велика ли амплитуда? Высокое или низкое выходное сопротивление имеет тестируемое устройство? Нужны ли вам дифференциальные измерения? Выбор пробников зависит от того, с какими устройствами и сигналами вы собираетесь работать.

Поэтому, задача не только в том, как выбрать цифровой осциллограф, но и как пользоваться осциллографом.

Используйте несколько пробников. Для начала выберите пассивные пробники с широкой полосой пропускания и малой входной емкостью. Активные несимметричные пробники имеют полосу пропускания от 1-4 ГГц, а дифференциальные – до 20 ГГц и выше. Добавив токовый пробник, вы сможете использовать осциллограф для расчета и отображения мгновенной мощности, активной мощности, полной мощности и фазы. Высоковольтные пробники могут измерять напряжения до 40 кВ пикового значения. Специальные пробники включают логические, оптические, тепловые и др.

4. Сколько нужно каналов для выбора осциллографа?

Цифровые осциллографы оцифровывают сигнал, поступающий на входные аналоговые каналы, а затем сохраняют и отображают полученные значения. Обычно, чем больше каналов, тем лучше, хотя дополнительные каналы увеличивают цену прибора.

Что необходимо учитывать

Рис 4. Комбинированные осциллографы (MDO) не только предлагают аналоговые и цифровые каналы, как и осциллографы смешанных сигналов (MSO), но и имеют отдельный РЧ вход, сигнал которого можно анализировать в частотной области.

5. Частота дискретизации цифрового осциллографа

Частота дискретизации осциллографа подобна частоте кадров видеокамеры. Она определяет количество мелких деталей сигнала, которые может захватить и отобразить осциллограф.

Что необходимо учитывать

Рис 5. Точность отображения сигнала зависит от частоты дискретизации и от используемого метода интерполяции.

Линейная интерполяция соединяет выборки сигнала прямыми линиями, но такой подход ограничен реконструкцией сигналов с прямыми участками.

Интерполяция «sin x/x» представляет собой математический процесс, в котором для заполнения промежутков между реальными выборками рассчитываются дополнительные точки. Эта форма интерполяции хорошо работает для сигналов криволинейной формы и непериодических сигналов, которые в реальных схемах встречаются значительно чаще, чем чистые меандры или импульсы.

Следовательно, интерполяция «sin x/x» более предпочтительна для приложений, где частота дискретизации превышает полосу пропускания системы от 3 до 5 раз.

Для захвата глитчей нужна скорость. Теорема Котельникова гласит, что для точной реконструкции сигнала частота дискретизации должна не менее чем в два раза превышать его наивысшую частотную составляющую.

Однако это соотношение определяет абсолютный минимум, который применим только к синусоидальным и периодическим сигналам. Глитчи по определению являются непериодическими, поэтому дискретизация с удвоенной частотой наивысшей составляющей обычно недостаточна. Вывод: высокая частота дискретизации повышает разрешение, позволяя увидеть накладывающиеся друг на друга события.

6. Гибкая система запуска

Система запуска обеспечивает стабильное изображение и позволяет выделять конкретные фрагменты сложных сигналов.

Что необходимо учитывать

Рис 6. Запуск позволяет начать горизонтальную развертку с нужной точки сигнала, а не просто с того места, где закончилась предыдущая развертка. При однократном запуске происходит захват по всем каналам одновременно.

Расширенные функции запуска помогают найти нужную информацию. Запуск по заданным условиям позволяет выделить определенный участок осциллограммы и обнаружить аномалии. Функции запуска можно настроить на специальные условия во входном сигнале, облегчая, например, обнаружение импульсов, длительность которых меньше заданной

7. Длина записи

Длина записи – это число точек, из которых состоит зарегистрированная осциллограмма. Осциллограф имеет ограниченный объем памяти для записи выборок, поэтому чем больше объем памяти, тем большую длину записи можно получить.

Что необходимо учитывать

Рис 7. Поскольку осциллограф может сохранять лишь ограниченное число выборок, временное окно захвата осциллограммы обратно пропорционально частоте дискретизации осциллографа. Время захвата = Длина записи / Частота дискретизации.

Получите полную картину. Достаточно детальный захват для декодирования сигнала шины USB требует высокого разрешения по времени (200 пс). Регистрация нескольких пакетов требует продолжительного времени захвата (200 мкс). Чтобы отобразить и то и другое, нужен осциллограф с большой длиной записи (1 млн. точек).

8. Система навигации и анализа

Поиск определенных аномалий формы сигнала можно сравнить с поиском иголки в стоге сена. Вам понадобятся средства, автоматизирующие этот процесс и ускоряющие получение результата.

Что необходимо учитывать

Рис 8. Осциллографы с длиной записи в миллионы точек могут выполнять захват в течение длительного времени, что очень важно для исследования сложных сигналов. Расстановка маркеров помогает, например, измерять задержки на шине CAN.

9. Расширенная поддержка приложений

Лучшие осциллографы имеют прикладное программное обеспечение для диагностики оптических и электрических схем и тестирования на соответствие стандартам.

Что необходимо учитывать

Рис 9. Устойчиво ли работает ваш импульсный источник питания? Средства автоматического анализа позволяют измерять каждый параметр одним нажатием кнопки, предлагая быстрый и точный анализ области безопасной работы (ОБР), качества питающего напряжения, коммутационных потерь, гармоник, модуляции, пульсаций и скорости нарастания выходного тока и напряжения (di/dt, dv/dt).

10. Простое управление

Осциллографы должны быть просты в управлении даже для неопытных пользователей. Интерфейс пользователя дает существенный вклад во время решения инженерной задачи.

Что необходимо учитывать

Рис 10. Многие люди пользуются осциллографом не каждый день. Интуитивное управление позволяет даже неопытным пользователям чувствовать себя комфортно, в то же время предлагая опытным пользователям простой доступ к наиболее востребованным функциям. Для использования как в лабораторных, так и в полевых условиях выпускается множество моделей портативных осциллографов.

11.Интерфейсы и возможности расширения

Непосредственное подключение осциллографа к компьютеру или передача данных через сменные носители позволяет выполнять расширенный анализ, упрощает документирование и обмен результатами измерений.

Что необходимо учитывать

Рис 11. К стандартным интерфейсам осциллографа относятся GPIB, RS-232, USB, Ethernet, LXI, а также интерфейсы для связи с сетевыми коммуникационными модулями. Интерфейс USB широко используется для сохранения осциллограмм, результатов измерений и наборов настроек на флэш- накопителях. PictBridge позволяет использовать осциллограф в качестве цифровой камеры. Порт VGA обеспечивает подключение внешнего монитора.

… и, наконец, учтите душевный комфорт!

Конечно, приобретая осциллограф, вы заплатите за него определенную сумму, но во что выльются последующие эксплуатационные расходы?

Ознакомьтесь со стоимостью услуг по поддержке прибора, предлагаемых производителем, и оцените, насколько они увеличивают ваши расходы и продлевают срок службы осциллографа.

К таким услугам относятся обучение по месту установки, системная интеграция, управление проектами и другие профессиональные услуги, которые помогут повысить эффективность прибора и позволят выполнять точные и достоверные измерения.

Удобные пакеты дополнительных услуг и такие виды поддержки, как расширенная гарантия, могут сэкономить деньги в долговременной перспективе и избавить от ненужных волнений.

Источник