Основы цифровой осциллографии

В настоящее время многие специалисты по КИПиА и наладке используют в своей работе цифровые осциллографы и при этом применяют на практике лишь малую долю возможностей, видимо только из-за того, что у них есть кнопка AUTO или SELF ADJ. Нажатие такой кнопки означает автоматическую настройку и синхронизацию, что, естественно, очень удобно. Однако, для того, чтобы использовать полностью все возможности цифровых осциллографов, необходимо знать и понимать как основы цифровой осциллографии, так и терминологию и обозначения на органах управления и дисплее.

Для того, чтобы помочь специалистам осваивать новую технику и использовать ее на 100%, в данной статье мы расскажем об основах цифровой осциллографии.

DSO - Digital storage Oscilloscope. Цифровой запоминающий осциллограф. Принцип действия относительно не сложен: на входы осциллографа подаются сигналы, которые разбиваются на Waveform (волновые формы, например периоды), которые в свою очередь разбиваются на маленькие отрезки или Samples (сэмплы или выборки). Длительность этих отрезков обычно устанавливается автоматически, в зависимости от частоты входного сигнала. Каждому сэмплу соответсвует одно цифровое значение амплитуды сигнала в памяти осциллографа. Результат такой оцифровки представлен ниже: 

Примечание. Скорость сэмлирования или частота дискретизации. Собственно, от длительности сэмпла и зависит частота или скорость дискретизации, которую иногда еще называют частотой сэмплирования, которая измеряется в количестве выборок за секунду или, если проще, измерений в секунду. У современных DSO скорость дискретизации  может составлять от 250 миллионов до 2 и более миллиардов выборок в секунду. Собственно, этот параметр является определяющим: насколько осциллограф в состоянии «увидеть» быстротекущие процессы и насколько детальной будет картина.

В результате сэмплирования или оцифровки, данные представляют из себя просто набор точек на графике,  что не является удобным и наглядным представлением, поэтому, для начала проводится линеаризация или аппроксимация полученных данных в непрерывные линии: 

После этого для отстройки от помех применяются различные функции и технологии обработки, позволяющие усреднять, либо наоборот выявлять случайные помехи и всплески.  

ACQUIRE - получение, приобретение. В осциллографии данный параметр обычно означает тип преобразования данных в цифровую форму или его разновидность. В разных моделях возможны разные методы, однако основные приведем ниже: 

- Sample – стандартный режим оцифровки. Входной сигнал разбивается на отрезки дискретизации и каждому отрезку соответствует своя точка на дисплее. Подходит для исследования любых форм сигнала. 

- Peak detect – пиковый режим дискретизации, когда оцифровываются и отображаются на дисплее только пиковые значения сигнала. Хорошо подходит для наблюдения за помехами и случайными сигналами:

- Average – усредненная дискретизация, когда на дисплее отображаются усредненные за несколько периодов значения. Обычно можно выбрать количество выборок, по которым происходит усреднение, ниже пример усреднения за 16 периодов. Подходит только для периодических сигналов:

- Equivalent – эквивалентное сэмплирование, имеющее еще название стробоскопического. Применяется для случаев ВЧ сигналов, когда частота входного сигнала значительно превосходит частоту сэмплирования осциллографа. При этом значение следующей точки выбирается из следующего периода колебаний, а не из текущего, что вполне позволяет отображать на дисплее периодические сигналы, в которых не происходит больших изменений от периода к периоду.

То есть, необходимо использовать тот или иной метод дискретизации и обработки, в зависимости от целей исследования и вида сигнала.

MATH - математические функции осциллографа. Поскольку все процессы в осциллографе носят цифровой характер – то с этим цифрами можно производить практически любые математические действия, например вычитание или сложение сигналов из разных каналов, но есть и более сложные функции.

FFT - Fast Fourier Transform или, как его называют по-русски Быстрое Преобразование Фурье (БПФ). Применяется для разложения сигнала на гармонические составляющие. Если проще – то осциллограф в этом режиме показывает спектр сигнала и уровень всех гармоник, превращая таким образом практически любой осциллограф в анализатор спектра.

На иллюстрации виден исходный сигнал желтого цвета и его спектр красного цвета: 

Кроме того, благодаря цифровой обработке, цифровые осциллографы дают широкие возможности для синхронизации сигнала, то есть получения устойчивой картинки на дисплее, однако, необходимо знать какая синхронизация и для чего применяется: 

TRIGGER – синхронизация. Это могут быть кнопки, регуляторы, надписи на дисплее. Из множества видов настроек, выберем самые необходимые: 
EDGE - край, фронт. Функция синхронизации по фронту сигнала.
EXT - внешний. Обычно вход для внешнего сигнала синхронизации.
FORCE - сила. Принудительный запуск или синхронизация.
FALL - синхронизация по нисходящему фронту.
LEVEL - уровень. Обычно регулировка уровня синхронизации.
RISE - синхронизация по восходящему фронту.
PULSE – синхронизация по параметрам импульсов, например, по длительности.
AC Line – синхронизация с напряжением питания.
Single – однократный запуск по поступлению сигнала на вход.
CH – синхронизация по определенному каналу.
VIDEO – синхронизация по параметрам видеосигнала.

Естественно, в небольшой статье невозможно отразить все многообразие возможностей цифровых осциллографов, но мы постарались разъяснить основные принципы работы цифровых осциллографов.

Подготовлено ТОО Test instrumnents (www.ti.kz) по материалам интернет портала PRIBOR.KZ 

Официальный дистрибьютор производителей цифровых осциллографов Acute и UNI-T