Осциллографы

Никакой другой прибор, за исключением, пожалуй, мультиметра, не распространен так, как осциллограф. Применение современных цифровых технологий привело к серьезному изменению характеристик и возможностей этих приборов. Но и традиционные аналоговые осциллографы реального времени не исчезли с рынка — их парк по-прежнему растет. Во-первых, они прочно занимают нишу простых недорогих осциллографов. Во-вторых, они пока еще незаменимы при исследовании высокочастотных сигналов. К тому же с развитием элементной базы аналоговые осциллографы приобрели ряд важных дополнительных функций и возможностей, например чрезвычайно облегчающие работу курсоры с цифровым отсчетом величин (напряжения и времени) и очень удобное цифровое управление. С помощью входного мультиплексора для нескольких каналов можно достаточно просто организовать единую развертку на однолучевой трубке с отображением нескольких сигналов.

Наряду с аналоговыми осциллографами широко используются и цифровые. Если бы не ограничения вследствие конечного времени оцифровки сигнала и сравнительно высокая стоимость, они могли бы почти полностью вытеснить своих аналоговых собратьев. Полная оцифровка сигнала позволяет избежать отображения сигнала в реальном масштабе времени и, следовательно, повысить устойчивость изображения, организовать сохранение результатов и запись редких или медленных процессов (аналог запоминающего осциллографа), упростить масштабирование и растяжку, ввести метки.

Использование дисплея вместо осциллографической трубки открывает возможность для отображения любой дополнительной информации и управления прибором с помощью меню. Однако при выборе осциллографа следует обратить внимание на обеспечение разумного баланса между функциональными клавишами и экранными меню — к основным функциям лучше иметь непосредственный доступ (одна функция — одна клавиша).

Более дорогие приборы имеют цветной дисплей, благодаря чему они позволяют легко различать сигналы различных каналов, метки времени и амплитуды, курсоры. Последние модели могут накапливать отображаемый в течение большого числа разверток сигнал, а также выделять цветом места с наибольшей повторяемостью сигнала. В принципе, похожий эффект можно получить на любой осциллографической трубке с высоким послесвечением. Но использование цифровой обработки и цвета позволяет добиться потрясающего результата.

Еще одно немаловажное преимущество — отличные массогабаритные показатели (3–5 кг) и малое энергопотребление позволяют выпускать такие приборы в носимом исполнении.

Цифровые осциллографы имеют и недостатки. Основной из них — не очень качественное отображение деталей сигнала из-за недостаточной частоты оцифровки (частоты выборки). Это объясняется тем, что сегодняшний уровень элементной базы не позволяет выполнить оцифровку сигнала со скоростями, необходимыми для исследования высокочастотных сигналов и быстрых переходных процессов. Согласно известной всем инженерам теореме Котельникова, для достоверного восстановления сигнала частота оцифровки должна быть как минимум вдвое выше максимальной из возможных в рабочей полосе частот осциллографа. На практике же используемое превышение является пятикратным. Полоса частот осциллографа связана с частотой выборки, и чем выше коэффициент широкополосности осциллографа, тем выше должна быть эта частота. Причем значение имеет не просто частота выборки, а частота выборки в пересчете на один канал.

Сложнее всего добиться оцифровки сигнала в реальном масштабе времени за один ход развертки. Сегодня типичные значения полосы частот для реализующих такой способ осциллографов составляют 100, 500 МГц, 1 ГГц при частоте оцифровки 0,5, 2,5, 5 ГГц. Для повышения скорости оцифровки используют специальные приемы. Один из них заключается в распараллеливании процесса оцифровки с помощью нескольких АЦП. Обычно это делается за счет использования АЦП других каналов, и, таким образом, при исследовании высокочастотных сигналов осциллограф превращается из многоканального в одноканальный. Другой метод состоит в повышении скорости за счет снижения разрешающей способности. Третий годится только для исследования периодически повторяющихся процессов, так как полная оцифровка сигнала выполняется не за один ход развертки, а за несколько.

Тем не менее даже при указанных ограничениях характеристики современных цифровых осциллографов впечатляют: высокая чувствительность (от 1 мВ/дел) и разрешение (от 8 до 14 бит); широкий диапазон коэффициентов разверток (от 2 нс до 50 с); растяжка сигнала по времени или по амплитуде в широких пределах; развитая логика синхронизации с любыми задержками запуска развертки. Кроме обычных схем запуска синхронизации запуск может производиться, например, при наступлении определенного события или при его отсутствии, а также при достижении определенного значения параметра сигнала. Сигнал, по которому осуществляется синхронизация, и основной сигнал можно наблюдать в момент непосредственно перед запуском развертки.

Для исследования наиболее распространенных типов сигналов можно подобрать прибор со специальными развертками. Например, в режиме телевизионной синхронизации (NTSC/PAL/SECAM/HDTV) такой осциллограф умеет считывать строки видеосигнала и, таким образом, позволяет легко найти его нужную часть. Специальные режимы обеспечивают синхронизацию для систем передачи данных с различными протоколами (AMI/NRZ/CMI/Ethernet/RS-232/RS-485 и др.). Это дает возможность не только наблюдать устойчивые «картинки», но и получать глазковые диаграммы, а также оценить степень нарушения синхронизации (jitter).

Используемые в осциллографах процессоры цифровой обработки сигнала предоставляют возможность исследования спектра сигнала посредством анализа с применением быстрого преобразования Фурье. Цифровое представление информации обеспечивает сохранение экрана с результатами измерения в памяти компьютера (через интерфейс RS-232 или GPIB) или вывод непосредственно на принтер. Некоторые осциллографы даже имеют накопитель для гибких дисков на 3,5’’ для сохранения изображения в виде файлов для последующего архивирования или дальнейшей обработки. Некоторые модели осциллографов и вовсе не имеют экрана — для отображения применяется дисплей компьютера.

Перечень аксессуаров для осциллографов весьма обширен. В данном перечне особое внимание стоит обращать на то, без чего осциллограф несостоятелен как прибор. Речь идет о пробниках: обычных, с аттенюатором (делители 1:10, 1:100), высоковольтных и дифференциальных. Следует помнить, что аксессуары осциллографов стоят весьма дорого. А статистика показывает, что за время эксплуатации осциллограф «меняет» пять пробников. Поэтому их список нужно заранее продумать с учетом видов работ, для которых он будет использоваться. Если вы собираетесь проводить исследования высокочастотных сигналов, то покупайте делитель, а если требуется исследовать высокие напряжения, то — высоковольтный пробник, а если вам нужен дифференциальный вход на заземленном осциллографе, тогда понадобится дифференциальный пробник. Причем класс пробников должен соответствовать классу прибора. Использование дешевых низкочастотных делителей с дорогим широкополосным осциллографом сведет на нет все достоинства последнего, равно как и дорогой делитель не улучшит характеристики аналогового осциллографа.

Выбрать осциллограф непросто. Чаще всего заказчик, оценив выделенный для покупки бюджет, оказывается перед дилеммой: простенький цифровой осциллограф или отлично развитый аналоговый. Поэтому с выбором торопиться не стоит: тщательно изучите описание того и другого и обратите внимание на различия в перечне функций.

Как бы то ни было, сегодня аналоговые осциллографы прочно удерживают свои позиции не в последнюю очередь благодаря тому, что высокая стоимость цифровых осциллографов затрудняет их широкое распространение. Но все основные производители осознают эту проблему и упорно работают над ее решением. Все, что нужно, это набраться терпения...