Основные принципы работы осциллографа Для студентов электротехнических и физических факультетов

Программа Что такое осциллограф? Основы проведения измерений (низкочастотная модель) Измерение напряжения и времени Надлежащее масштабирование сигналов на экране Описание запуска осциллографа Принцип работы осциллографа 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

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

Другие варианты названия Осциллограф наиболее распространенный термин. DSO Digital Storage Oscilloscope (цифровой запоминающий осциллограф). Цифровой осциллограф Оцифровывающий осциллограф Аналоговый осциллограф осциллограф на базе устаревшей технологии, который по-прежнему используется. CRO – Cathode Ray Oscilloscope (электронно-лучевой осциллограф). Несмотря на то, что в большинстве осциллографов 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 (осциллограф смешанных сигналов содержат каналы сбора данных логического анализатора)

Основы проведения измерений Пробники передают сигнал с тестируемого устройства на входы BNC осциллографа. 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".

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 осциллографа, 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

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

Описание дисплея осциллографа 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/делениеРазвертка = 1 мкс/деление 1 деление

Выполнение измерений методом визуальной оценки Период (T) = 4 деления x 1 мкс/деление = 4 мкс, Част = 1/T = 250 кГц. 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 = ? V парный импульс Период Отклонение = 1 В/делениеРазвертка = 1 мкс/деление V макс Индикатор уровня заземления (0,0 В) Наиболее распространенный метод измерения

Выполнение измерений с помощью курсоров Вручную установите курсоры X и Y в необходимые точки измерения. Осциллограф 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

Выполнение измерений с помощью автоматических параметрических измерений осциллографа Выберите не более 4 автоматических параметрических измерения с постоянно обновляемыми показаниями. Показание

Основные элементы управления настройкой осциллографа 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) Осциллографы Agilent InfiniiVision 2000 и 3000 серии X

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. - Отображается слишком много циклов. - Слишком малый масштаб амплитуды. Исходная настройка (пример) Оптимальная настройка Уровень запуска Настройка масштабирования сигнала осциллографа это повторяющийся процесс использования элементов на передней панели для получения оптимального изображения на экране.

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

Примеры запуска Точка запуска по умолчанию (начало отсчета) на DSO = центр экрана (по горизонтали) Единственная точка запуска на аналоговых осциллографах 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

Расширенный запуск осциллографа 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 I 2 C

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

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

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) Отклик при использовании осциллографа с полосой пропускания 100 МГц Вход = цифровой тактовый сигнал с частотой 100 МГц Отклик при использовании осциллографа с полосой пропускания 500 МГц

Другие важные характеристики осциллографа 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 осциллографа. 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.

Повторение измерения модель пробника для динамического диапазона/переменного тока C осциллографа и C кабеля это внутренняя/паразитная емкость (не заложенная в конструкцию прибора) C наконечника и C комп заложены в контракцию прибора для компенсации C осциллографа 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 осциллографа при параллельном подключении

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 компенсацияКанал 1 (желтый) = чрезмерная компенсация Канал 2 (зеленый) = недостаточная компенсация

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

Задание 1.Если C осциллографа = 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 = ?

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

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 осциллографа. 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)

Доступ ко встроенным обучающим сигналам 1.Подключите пробник ко входу BNC канала 1 осциллографа и контакту с надписью Demo1. 2.Подключите еще один пробник ко входу BNC канала 2 осциллографа 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). Подключение пассивных пробников 10:1 к контрольным контактам обучающих сигналов В большинстве лабораторных работ с осциллографом используется множество обучающих сигналов, встроенных в осциллографы Agilent 2000 или 3000 серии X, если для них имеется лицензия на комплект модуля обучения DSOXEDK.

Дополнительные технические ресурсы, поставляемые Agilent Technologies Стр Подставьте номер публикации в xxxx-xxxx

Стр. 29 Вопросы и ответы