Как выбрать осциллограф

В настоящее время осциллограф является обязательным атрибутом любой современной лаборатории. В то же время, современная осциллография представлена очень широким набором приборов с различными характеристиками. Поэтому при оснащении новой лаборатории или переоборудовании старой встает задача выбора "правильного" осциллографа. При этом простое сравнение характеристик и возможностей осциллографов различных производителей не всегда может дать ответ на вопрос, какой прибор лучше подходит для решения тех или иных конкретных задач.

Для всякой задачи выбора существует алгоритм её оптимального решения. Мы предлагаем нашим читателям примерный порядок оценки технических характеристик приборов при выборе "правильного" осциллографа. При этом неважно, кто конкретно является производителем осциллографов — следование данному алгоритму поможет оценить каждый прибор объективно.

Очень часто при выборе нового осциллографа в первую очередь интересуются его ценой. Думается, нет необходимости пояснять, что цена любого современного прибора определяется множеством факторов, главным образом, его техническими и метрологическими характеристиками (полоса пропускания, частота дискретизации, число каналов, объём памяти, погрешность измерений и т. д.) и функциональными возможностями (обработка и анализ сигналов, их документирование, автоматизация измерений и т. д.). Поэтому, если при выборе прибора ориентироваться только на его стоимость, то вполне возможно, что в реальных измерениях и обработке их результатов будет больше недоразумений, чем реальной работы. Так, выбрав простой дешёвый осциллограф, Вы можете не суметь с его помощью решить все стоящие перед Вами задачи. В то же время, возможности дорогого, "навороченного", прибора могут использоваться не полностью (но это, как говорится, меньшее из зол…).

Поэтому, прежде, чем приступить к выбору осциллографа, мы рекомендуем четко определиться с тем, какие задачи Вы собираетесь решать с помощью этого прибора. При этом, естественно, необходимо иметь в виду и перспективы: оборудование приобретается не на один год. Итак…

Содержание

• Шаг 1. Определите необходимую полосу пропускания
• Шаг 2. Определите необходимое количество каналов
• Шаг 3. Определите необходимую частоту дискретизации
• Шаг 4. Определите требуемые возможности по запуску прибора
• Шаг 5. Определите требуемые возможности по анализу сигналов
• Шаг 6. Испытайте приборы, которые подходят для решения задач

Шаг 1. Определите необходимую полосу пропускания

Одной из основных характеристик осциллографа, влияющих на выбор прибора, является полоса пропускания, которая зависит от того, какие сигналы и с какой точностью необходимо измерять.

Полоса пропускания является одним из параметров амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), описывающей динамические свойства осциллографа (рис. 1):

Рис. 1. Основные параметры АЧХ осциллографа: f_оп — опорная частота; Δf_н — нормальный диапазон, в котором неравномерность АЧХ не превышает погрешности коэффициента отклонения; Δf_р — расширенный диапазон, в котором неравномерность АЧХ не превышает 10%; Δf — полоса пропускания, соответствующая уменьшению коэффициента передачи на 3 дБ относительно kном

Каждый цифровой осциллограф имеет два принципиально разных значения полосы пропускания: полоса для повторяющихся сигналов (или аналоговая) и полоса для однократных сигналов. Многие цифровые осциллографы имеют полосу пропускания для повторяющихся сигналов гораздо более высокую, чем та, которую, казалось бы, может обеспечить их частота дискретизации. Однако, если сигнал повторяющийся, то осциллографу не обязательно оцифровывать весь сигнал сразу. Прибор может захватить только часть сигнала при каждом запуске и затем воспроизвести на экране весь сигнал за несколько циклов запуска, причем этот процесс протекает обычно настолько быстро, что он практически не заметен. Таким образом, полоса пропускания повторяющихся сигналов не зависит от частоты дискретизации, а является характеристикой аналогового тракта цифрового осциллографа.

Полоса пропускания для однократных сигналов применима только для непериодических (или однократных) сигналов, которые захватываются и оцифровываются осциллографом за один такт. Таким образом, полоса для однократных сигналов зависит от частоты дискретизации данного осциллографа.

Следует отметить, что большинство реальных сигналов содержит частотные компоненты, частота которых во много раз превышает частоту основного компонента. Так, например, прямоугольный импульс может содержать частотные составляющие, которые имеют частоту, по крайней мере, в десять раз больше основной частоты сигнала. Поэтому осциллографы с большей полосой пропускания способны предоставить более детальную информацию об этих высокочастотных составляющих. На рисунке 2 приведены осциллограммы одного и того же прямоугольного сигнала с частотой 50 МГц, измеренные осциллографами с различной полосой пропускания.

а	б
в	г

Как видно из рисунков, наиболее полную информацию о сигнале и наилучшее воспроизведение фронтов сигнала обеспечивает осциллограф с наиболее широкой полосой пропускания. Осциллограф с полосой 20 МГц, т. е. меньшей, чем основная частотная составляющая прямоугольного импульса очень сильно искажает сигнал: фронты сигналов кажутся более длинными, кроме того, наблюдается уменьшение амплитуды.

Объясняется это очень просто. Как известно, длительность фронта наблюдаемого сигнала τ_изм определяется по формуле:

где τ_н — время нарастания переходной характеристики осциллографа, вычисляемое по формуле τ_н=0,35/Δf; τ_ф — время нарастания фронта входного сигнала.

Отсюда вытекает правило измерения временных параметров: чем больше соотношение длительности фронта сигнала и фронта осциллографа, тем меньше ошибка измерения (см. табл.).

Таким образом, при проведении точных измерений временных характеристик величина полосы пропускания осциллографа должна по крайней мере в три раза превышать значение основной частотной составляющей наиболее быстрого ожидаемого сигнала. А для точных измерений амплитуды желательно, чтобы полоса пропускания осциллографа была в десять раз больше, чем частота измеряемого сигнала.

Кроме того, следует помнить, что:

• на точность результатов измерений также влияют пробники и щупы;
• в спецификациях на некоторые осциллографы указывается только наилучшее значение полосы пропускания и только для определенных диапазонов чувствительности, в то время как на других диапазонах значение полосы может значительно отличаться от наилучшего;
• полоса пропускания аналоговых осциллографов редко превышает 400 МГц, в то время как цифровые осциллографы могут иметь полосу до 50 ГГц.

Шаг 2. Определите необходимое количество каналов

Необходимое количество каналов очевидно зависит от исследуемого изделия и вида решаемых задач. Пока наибольшей популярностью пользуются двухканальные осциллографы. Однако в последнее время все больший спрос находят модели с большим количеством каналов, поскольку удельная стоимость канала у них меньше, а возможности существенно шире.

Некоторые замечания:

• Есть ли необходимость получать данные одновременно по нескольким каналам? Если да, то есть смысл выбирать осциллограф с одновременным запуском или раздельными АЦП для каждого канала. Если исследуемые сигналы повторяются, одновременный сбор данных по разным каналам не требуется.
• На осциллографах желательно иметь отдельный канал внешнего запуска, т.к. в этом случае нет необходимости использовать один из основных каналов в качестве входа сигнала внешней синхронизации.

Шаг 3. Определите необходимую частоту дискретизации

Для задач, связанных с изменением однократных или переходных процессов, частота дискретизации имеет первостепенное значение. Параметр "частота дискретизации" обозначает скорость, с которой осциллограф может оцифровывать входной сигнал. Более высокая частота дискретизации определяет более широкую полосу пропускания для однократных сигналов и дает большее временное разрешение.

Некоторые замечания:

• Указанная в спецификации частота дискретизации может относиться к производительности только одного канала. В некоторых осциллографах при задействовании нескольких каналов одновременно частота дискретизации пропорционально уменьшается. Это увеличивает вероятность появления искаженных сигналов, если учитывать зависимость между частотой дискретизации и полосой пропускания для однократных сигналов. Поскольку память осциллографа, как правило, также ограничена по объёму, они работают на максимальной частоте дискретизации только на самых быстрых скоростях развёртки. На медленных скоростях развёртки частота дискретизации может уменьшаться.
• При исследовании однократных сигналов необходимо иметь в виду важность объема памяти наравне с частотой дискретизации. Если требуется исследовать серию импульсов без прерываний, потребуется осциллограф с достаточно большим объемом памяти, чтобы зафиксировать весь сигнал с достаточным разрешением по времени.
• Частота дискретизации не связана с частотой обновления экрана.

Шаг 4. Определите требуемые возможности по запуску прибора

Для большинства пользователей осциллографов просто запуска по фронту (перепаду) сигнала часто бывает недостаточно. Для решения многих задач бывает также полезно иметь дополнительные возможности по запуску, позволяющие обнаружить события, которые иначе очень трудно отследить. Например, запуск по импульсу дает возможность запустить прибор по нарастающему или спадающему фронту помехи или импульсу с заданным условием длительности. Запуск по глитчу (импульсной помехе) позволяет осуществлять запуск по импульсам, длительность которых меньше или больше заданной. Запуск по ранту позволяет захватывать и исследовать импульсы, которые пересекают один пороговый уровень и, не пересекая второй, вновь пересекают первый. Запуск по сигналам стандартных последовательных шин позволяет производить запуск по определённым типам сигналов шин, таких как CAN, LIN, I²C, SPI и т.п. Кроме того, многие современные осциллографы позволяют декодировать такие сигналы. Это лишь малая часть возможностей по запуску, и с каждым годом таких вариантов в стандартной или опциональной (не входящей в штатный комплект) поставке становится всё больше.

Шаг 5. Определите требуемые возможности по анализу сигналов

Функции автоматических измерений и встроенные средства анализа сигналов могут значительно сэкономить время и сделать работу более легкой. Цифровые осциллографы часто предоставляют целый набор функциональных возможностей, которые невозможны на аналоговых осциллографах.

Кроме сложения и вычитания сигналов, цифровые осциллографы позволяют производить умножение, деление, интегрирование, дифференцирование и целый ряд других математических операций. Статистический анализ результатов измерений (минимальное, максимальное и среднее значение, стандартное отклонение и т. п.) даёт представление о разбросе параметров сигнала, помогает оценить точность измерений, а также имеет важное значение при исследовании временных параметров зашумлённых сигналов. Все современные цифровые осциллографы предоставляют возможность анализа сигналов в частотной области с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ, FFT).

Шаг 6. Испытайте приборы, которые подходят для решения задач

Выполнение предыдущих шагов, скорее всего, сузило поле выбора до ограниченного количества моделей, каждая из которых в той или иной степени удовлетворяет предъявляемым требованиям. Теперь желательно обратить внимание на дополнительные параметры: интерфейсы связи с ПК, вывод на внешний монитор, тип и размер экрана, экранный интерфейс и способы управления (жестами на сенсорном экране, стандартное управление кнопками и ручками), встроенная операционная система, массо-габаритные параметры, наличие встроенных в этом корпусе дополнительных устройств, например, генератор сигналов, логический анализатор, частотомер, вольтметр/мультиметр, измеритель АЧХ и другие возможности.

Выбрать осциллограф АКТАКОМ

Выбрать осциллограф RIGOL