Основные принципы работы оссиллографа Для студентов электротехнических и физических факультетов

Page Программа Что такое оссиллограф? Основы проведения измерений (низкочастотная модель) Измерение напряжения и времени Надлежащее масштабирование сигналов на экране Описание запуска оссиллографа Принцип работы оссиллографа и характеристики работы Повторение измерения (модель для динамического диапазона/переменного тока и влияния нагрузки) Использование лабораторного руководства и учебного пособия по DSOXEDK Дополнительные технические ресурсы 2

Page Что такое оссиллограф? Оссиллограф преобразует электрические входные сигналы в видимую форму, отображаемую на экране, т. е. преобразует электричество в свет. Оссиллограф динамически строит графики электрических сигналов, изменяющихся по времени, в двух измерениях (обычно напряжение и время). Инженеры и технические специалисты используют оссиллографы для тестирования, проверки и отладки электросхем. Оссиллограф является основным прибором, используемым в электротехнических/физических лабораториях для проведения запланированных экспериментов. ос·сил·ло·граф (оссилло́граф) 3

Page Другие варианты названия Оссиллограф наиболее распространенный термин. DSO Digital Storage Oscilloscope (цифровой запоминающий оссиллограф). Цифровой оссиллограф Оцифровывающий оссиллограф Аналоговый оссиллограф оссиллограф на базе устаревшей технологии, который по-прежнему используется. CRO – Cathode Ray Oscilloscope (электронно-лучевой оссиллограф). Несмотря на то, что в большинстве оссиллографов больше не используются электронно-лучевые трубки для отображения сигналов, австралийцы и новозеландцы по-прежнему обозначают их термином CRO. Вариант написания на английском языке O-Scope MSO Mixed Signal Oscilloscope (оссиллограф смешанных сигналов содержат каналы сбора данных логического анализатора) 4

Page Основы проведения измерений Пробники передают сигнал с тестируемого устройства на входы BNC оссиллографа. Существует множество различных пробников, которые используются в разных и особых целях (для высоких частот, высокого напряжения, тока и т. п.). Наиболее широко используемым типом пробника является "пассивный пробник 10:1 делителя напряжения". 5

Page Пассивный пробник 10:1 делителя напряжения Пассивный означает отсутствие активных элементов, например транзисторов или усилителей. 10:1 означает, что амплитуда сигнала, подаваемого на вход BNC оссиллографа, уменьшается на коэффициент, равный 10. Кроме того, входной импеданс увеличивается в 10 раз. Примечание. Все измерения должны выполняться относительно точки заземления! Модель пассивного пробника 10:1 6

Page Низкочастотная модель/модель для постоянного тока Низкочастотная модель/модель для постоянного тока должна быть упрощена до резистора 9 МОм с последовательным сопротивлением входа оссиллографа на 1 МОм. Коэффициент затухания пробника Некоторые оссиллографы, например Keysight 3000 серии X, автоматически определяют пробники 10:1 и настраивают все параметры отклонения и измерения напряжения относительно наконечника пробника. Для некоторых оссиллографов, например Keysight 2000 серии X, требуется ввести коэффициент затухания пробника 10:1 вручную. Модель для динамического диапазона/переменного тока будет рассмотрена далее, а также в лабораторной работе 5. Модель пассивного пробника 10:1 7

Page Описание дисплея оссиллографа Область отображения сигнала представлена сеткой (или делениями). Расстояние между вертикальными линиями сетки соответствует настройке числа вольт на деление. Расстояние между горизонтальными линиями сетки соответствует настройке числа секунд на деление. Вольты Время Отклонение = 1 В/деление Развертка = 1 мкс/деление 1 деление 8

Page Выполнение измерений методом визуальной оценки Период (T) = 4 деления x 1 мкс/деление = 4 мкс, Част = 1/T = 250 к Гц. V парный импульс = 6 делений x 1 В/деление = 6 В при парном импульсе V макс = +4 деления x 1 В/деление = +4 В, V мин = ? Наиболее распространенный метод измерения V парный импульс Период Отклонение = 1 В/деление Развертка = 1 мкс/деление V макс Индикатор уровня заземления (0,0 В) 9

Page Выполнение измерений с помощью курсоров Вручную установите курсоры X и Y в необходимые точки измерения. Оссиллограф автоматически умножит значения на коэффициенты масштабирования по вертикали и горизонтали для получения абсолютных значений и их разности. Курсор X1 Курсор X2 Курсор Y1 Курсор Y2 Δ показаний Абсолютное значение V и T Элементы управления курсорами 10

Page Выполнение измерений с помощью автоматических –Выберите не более 4 автоматических параметрических измерения с постоянно обновляемыми показаниями. параметрических измерений оссиллографа Показание 11

Page Основные элементы управления настройкой оссиллографа Оссиллографы Keysight InfiniiVision 2000 и 3000 серии X Масштабирование по горизонтали (s/div (с/деление)) Положение по горизонтали Положение по вертикали Масштабирование по вертикали (V/div (В/деление)) Входы BNC Trigger Level (Уровень запуска) 12

Page Надлежащее масштабирование сигнала Поворачивайте ручку V/div (В/деление), пока форма сигнала не заполнит большую часть экрана по вертикали. Поворачивайте ручку положения по вертикали, пока форма сигнала не будет выровнена по центру относительно вертикали. Поворачивайте ручку S/div (C/деление), пока по горизонтали не отобразится лишь несколько циклов. Поворачивайте ручку Trigger Level (Уровень запуска), пока уровень не будет находиться около центра формы сигнала по вертикали. Настройка масштабирования сигнала оссиллографа это повторяющийся процесс использования элементов на передней панели для получения оптимального изображения на экране. - Отображается слишком много циклов. - Слишком малый масштаб амплитуды. Исходная настройка (пример) Оптимальная настройка Уровень запуска 13

Page Описание запуска оссиллографа –Сравните "запуск" оссиллографа с синхронизированной фотосъемкой. –Один "снимок" сигнала состоит из множества последовательных оцифрованных проб. –Съемку необходимо синхронизировать по уникальной точке повторяющегося сигнала. –Чаще всего запуск оссиллографа основан на синхронизации циклов сбора (съемки) по переднему или заднему фронту сигнала на определенном уровне напряжения. Функцию запуска оссиллографа зачастую недооценивают, однако крайне важно уметь правильно ее использовать. Запуск оссиллографа можно сравнить фотофинишу на скачках 14

Page Примеры запуска –Точка запуска по умолчанию (начало отсчета) на DSO = центр экрана (по горизонтали) –Единственная точка запуска на аналоговых оссиллографах старых моделей = левая часть экрана Точка запуска Запуск не выполнен (несинхронизированная съемка) Запуск = передний фронт при 0,0 В Запуск = задний фронт при +2,0 В Уровень запуска над сигналом Положительн ое время Отрицательн ое время 15

Page Расширенный запуск оссиллографа В большинстве экспериментов, проводимых в студенческой лаборатории, используется стандартный запуск по фронту Для запуска по более сложным сигналам требуются расширенные варианты запуска Пример. Запуск по последовательной шине I2C 16

Page Принцип работы оссиллографа Блок-схема DSO Желтый = блоки канала Голубой = блоки системы (поддержка всех каналов) 17

Page Характеристики работы оссиллографа –Все оссиллографы обладают амплитудно-низкочастотной характеристикой. –Частота, при которой входной сигнал с синусоидальной волной затухает на 3 дБ, определяет полосу пропускания оссиллографа. –-3 дБ равняется приблизительно -30% амплитудной погрешности (-3 дБ = 20 Log ). Полоса пропускания является наиболее важной характеристикой оссиллографа Гауссова амплитудно-частотная характеристика оссиллографа 18

Page Выбор нужной полосы пропускания –Требуемая полоса пропускания для аналоговых приборов по меньшей мере в 3 раза выше частоты синусоидальной волны. –Требуемая полоса пропускания для цифровых приборов по меньшей мере в 5 раз выше тактовой частоты цифрового сигнала. –Более точное определение полосы пропускания основывается на скоростях фронтов сигнала (см. приложение "Полоса пропускания" в конце презентации) Вход = цифровой тактовый сигнал с частотой 100 МГц Отклик при использовании оссиллографа с полосой пропускания 100 МГц Отклик при использовании оссиллографа с полосой пропускания 500 МГц 19

Page Другие важные характеристики оссиллографа Частота дискретизации (проб/с) по меньшей мере в 4 раза больше полосы пропускания Объем памяти определяет максимальную длину сигнала, которую можно зарегистрировать, не прерывая отбор проб с максимальной частой дискретизации оссиллографа. Число каналов обычно 2 или 4. В модели MSO добавлено от 8 до 32 каналов сбора цифровых данных с разрешением 1 бит (высоким и низким). Скорость обновления сигнала более высокая скорость увеличивает вероятность регистрации редких проблем в цепи. Качество изображения дисплея размер, разрешение, число уровней яркости дисплея. Расширенные режимы запуска классифицированные по времени длительности импульса, по шаблону, видеосигналу, последовательному сигналу, нарушению сигнала (скорость фронта, время настройки/удержания, короткий пакет) и т. д. 20

Page Повторение измерения модель пробника для динамического диапазона/переменного тока C оссиллографа и C кабеля это внутренняя/паразитная емкость (не заложенная в конструкцию прибора) C наконечника и C комп заложены в контракцию прибора для компенсации C оссиллографа и C кабеля. Если компенсация пробника настроена должным образом, динамическое затухание/затухание переменного тока, обусловленное зависящим от частоты емкостным сопротивлением, должно совпадать с резистивным затуханием делителя напряжения, заложенным в конструкцию прибора (10:1). Модель пассивного пробника 10:1 Где C parallel это сумма C комп + C кабеля + C оссиллографа при параллельном подключении 21

Page Компенсация пробников –Подключите канал 1 и канал 2 пробника к контакту Probe Comp (совпадает с Demo2). –С помощью ручек "В/деление" и "С/деление" настройте вывод обоих сигналов на экран. –Для получения ровного (прямоугольного) отклика отрегулируйте конденсатор переменной емкости для компенсации пробника(C комп ) на обоих пробниках с помощью небольшой отвертки с плоским жалом. Правильная компенсация Канал 1 (желтый) = чрезмерная компенсация Канал 2 (зеленый) = недостаточная компенсация 22

Page Нагрузка пробника Модель пробника и входа оссиллографа можно упростить, оставив лишь резистор и конденсатор. Любой прибор (не только оссиллографы), подключенный к тестируемой цепи, становится ее частью и оказывает влияние на результаты измерений особенно при высоких частотах. "Нагрузка" подразумевает негативное влияние оссиллографа и пробника на производительность цепи. C нагр Модель нагрузки пробника и оссиллографа R нагр 23

Page Задание 1. Если C оссиллографа = 15 пФ, C кабеля = 100 пФ и C наконечника = 15 пФ, вычислите C комп при правильной настройке. C комп = ______ 2. Используя вычисленное значение C комп, определите C нагр. C нагр = ______ 3. Используя полученное значение C нагр, вычислите емкостное сопротивление C нагр при 500 МГц. X C-нагр = ______ C нагр = ? 24

Page Использование лабораторного руководства по оссиллографам и учебного пособия Лабораторное руководство по оссиллографам и учебное пособие Загрузите с Домашнее задание прочтите следующие разделы перед 1 лабораторной работой с оссиллографом: Раздел 1 Начало работы Измерение с помощью оссиллографа Обзор лицевой панели Приложение A Блок-схема оссиллографа и принцип работы Приложение B Учебное пособие по определению полосы пропускания оссиллографа Практические лабораторные работы с оссиллографом Раздел 2 Лабораторные работы по основным измерениям, выполняемым с помощью оссиллографа и модуля WaveGen (6 отдельных работ) Раздел 3 Лабораторные работы по дополнительным измерениям с помощью оссиллографа (9 дополнительных работ, назначаемых реподавателем) 25

Page Рекомендации по работе с лабораторным руководством Слова, выделенные жирным шрифтом в квадратных скобках, например «[Help] Справка», обозначают кнопки лицевой панели. Программными кнопками называют 6 клавиш/кнопок под дисплеем оссиллографа. Выполняемые ими функции зависят от выбранного меню. Программная кнопка с изображением изогнутой зеленой стрелки ( ) означает, что универсальная ручка Entry (Ввод) отвечает за управление выбранным объектом или переменной. Программные кнопки Надписи к программным кнопкам Ручка Entry (Ввод) 26

Page 1. Подключите пробник ко входу BNC канала 1 оссиллографа и контакту с надписью Demo1. 2. Подключите еще один пробник ко входу BNC канала 2 оссиллографа и контакту с надписью Demo2. 3. Подключите зажимы заземления обоих пробников к центральному контакту заземления. 4. Нажмите кнопку «[Help] Справка», затем программную кнопку Training Signals (Обучающие сигналы). Доступ ко встроенным обучающим сигналам В большинстве лабораторных работ с оссиллографом используется множество обучающих сигналов, встроенных в оссиллографы Keysight 2000 или 3000 серии X, если для них имеется лицензия на комплект модуля обучения DSOXEDK. Подключение пассивных пробников 10:1 к контрольным контактам обучающих сигналов 27

Page Дополнительные технические ресурсы, поставляемые Keysight Technologies Page 28 Наименование приложения Публикация Сравнение основных характеристик оссиллографа EN Сравнение полосы пропускания оссиллографов для конкретных областей применения EN Сравнение частоты и точности дискретизации оссиллографа EN Сравнение оссиллографов по скорости обновления сигналов EN Сравнение оссиллографов по качеству изображения EN Сравнение характеристик вертикального шума оссиллографов EN Сравнение оссиллографов для отладки схем смешанных сигналов EN Сравнение сегментированной памяти оссиллографа для использования последовательной шины EN Подставьте номер публикации в xxxx-xxxx

Page Вопросы и ответы Page 29