FAQ - Часто задаваемые вопросы по осциллографам

Время чтения: 18 минут

Эксперт — Сергей Пустовой

Технический консультант, специалист по электромонтажным, ремонтным и наладочным работам, кандидат наук

Осциллограф, что это?

Это прибор, предназначенный для регистрации электрических сигналов. В зависимости от встроенного функционала эти устройства могут как просто визуализировать регистрируемые импульсы, так и способны к определению его различных параметров. В электронике эти приборы применяются для ремонта, диагностики и наладки схем и компонентов.

Классификация

Наиболее часто встречающийся вопрос – это какой осциллограф выбрать или купить? В первую очередь стоит посмотреть на их классификацию. Условно эти устройства можно разделить по таким признакам, как:

1. Тип исполнения:

• настольные – предназначены для эксплуатации в закрытых отапливаемых помещениях (ремонтные мастерские, лаборатории). Они не ограниченны в размерах, могут иметь несколько входных каналов и различные дополнительные функции.
• USB приставки – так как не имеют собственного дисплея, то используются только в сочетании с ноутбуком или компьютером (ПК). Область применения у них та же, что и у настольных моделей. Однако использование ПК в качестве устройства анализа и математической обработки позволяет расширить их функционал.
• портативные – снабжены герметичным корпусом и автономным источником питания (аккумулятор или другие элементы питания). Эта особенность позволяет эксплуатировать их на открытом воздухе в широком температурном диапазоне. Чаще их функционал несколько ограничен из-за размеров и особенностей питания.
• конструкторы – предназначены для самостоятельной сборки и настройки, вследствие чего обладают наихудшими претензионными характеристиками и функционалом. Используются в учебных целях или начальном этапе практики работы.
• мотор-тестеры – специализированный инструмент диагностики автомобилей. Конструктивно ближе к USB приставкам, но снабжен специализированными разъемами, датчиками, а также диагностическим программным обеспечением.

2. Тип и число входных каналов:

• только аналоговые (от 1 до 4 каналов);
• аналоговые и цифровые (8 или 16 цифровых каналов).

3. Основные характеристики:

• полоса пропускания;
• частота дискретизации;
• время нарастания;
• глубина памяти;
• функционал автоматических измерений.

4. Наличие дополнительного встроенного функционала:

• генератор импульсов;
• логический анализатор;
• анализатор спектра;
• анализатор протоколов данных.

Экран

На экране устройства отображается принятый устройством импульс – осциллограмма. При наличии нескольких каналов можно отслеживать соответствующее число импульсов, а также выполнять их анализ и математическую обработку.

Что означает - прецизионный?

Прецизионный - значит высокоточный, выполненный с соблюдением высокой точности параметров или обладающий высокой точностью. Практически все современные цифровые осциллографы можно назвать прецизионными.

Электронный осциллограф

Первые созданные устройства регистрировали сигнал на бумажной ленте, как самописец. В следующих моделях запись осуществлялась уже на чувствительную к свету пленку. Электронными же их стали называть за использование электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) в качестве экрана, а также за то, что они создавались на базе электронных компонентов. Поэтому можно любой из ныне существующих устройств назвать электронным, так как в них также используются электронные компоненты.

С развитием микроэлектроники техники пришла цифровая обработка сигналов, а на смену ЭЛТ экранам – жидкокристаллические (ЖК). В настоящее время их уже называют не электронными, а используют термин – цифровой.

Цифровой или аналоговый?

Аналоговые устройства (электронно-лучевые) практически полностью вытеснены их цифровыми моделями. Однако для отображения реальной формы сигнала, а также регистрации меняющихся с высокой частотой сигналов, аналоговые приборы все же остаются незаменимыми.

Однако в большинстве случаев все же приходится работать с цифровыми импульсами, а также сигналами типовых форм, и здесь преимущество именно за цифровыми устройствами. Они обладают:

• высокой точностью выполняемых измерений;
• большой полосой пропускания;
• возможностью автоматического анализа и декодирования;
• возможностью обработки (сложение, вычитание, преобразование Фурье и др.);
• возможностью хранения и передачи;
• компактностью;
• автономностью (некоторые модели).

Основной недостаток цифровых приборов – их высокая стоимость.

Осциллограф в диагностике автомобиля?

Обычным устройством можно регистрировать импульсы датчиков положения коленвала, распредвала, расходомера, генератора, катушек зажигания, работу форсунок, а также другие сигналы систем автомобиля. При наличии встроенного логического анализатора можно отслеживать работу и взаимодействие электронных блоков управления автомобиля.

Однако при оценке исследуемых сигналов необходимы знания о эталонной форме и частоте регистрируемых импульсов, а также сведений о работе и взаимодействии всех элементов автомобиля. Поэтому без специальных знаний и навыков выявить неисправность будет сложно.

Для диагностики автомобильной электроники чаще используют специальные устройства – мотор-тестеры. Они обладают профессиональным ПО анализирующим регистрируемые данные.

Измерения, выполняемые осциллографом?

Аналоговые устройства позволяют измерить параметры принимаемого сигнала только примерно. Это связано с тем, что измерения на них можно выполнить только визуально по сетке, размещенной на экране.

С учетом коэффициентов развертки и усиления на аналоговых устройствах можно определить только:

• амплитуду сигнала и его размах;
• частоту колебаний;
• длительность импульса;
• наличие дефектов в импульсе;
• выполнение сложения двух сигналов.

Цифровые приборы имеют больше вспомогательных функций. Помимо четкого изображения, они способны на автоматические вычисления большинства параметров принимаемого сигнала. Таких, например, как:

• период;
• частота;
• длительность положительного и отрицательного импульсов;
• длительность фронта;
• длительность спада;
• максимум, минимум и размах сигнала;
• среднее значение напряжения;
• среднеквадратичное значение напряжения;
• среднеквадратичное значение за период и по курсору;
• скважность, фазу, задержку импульса.

Также на цифровых устройствах можно выполнять различные курсорные измерения такие, как:

• определение разности напряжений между курсорами;
• определение разницы во времени между курсорами;
• выполнение трассировки напряжения;
• определение времени по точкам сигнала 1/ΔT.

Что можно проверить осциллографом?

В первую очередь прибор предназначен для анализа параметров сигналов в электрических схемах. Его можно использовать для:

• определения формы сигнала;
• определения временных характеристик;
• определения амплитудных характеристик;
• сравнения сигналов;
• определения фазового сдвига;
• определения корректности работы элементов схемы;
• проверки работы ШИМ-контроллеров и микроконтроллеров.

Также его можно использовать для проверки целостности, а также соответствия параметров резисторов, конденсаторов, дросселей и других полупроводниковых элементов. Однако для этого требуется специальная приставка – характериограф. В настоящее время такой способ измерения мало актуален. Удобнее и проще воспользоваться доступными устройствами для проверки элементной базы такими, например, как: мультиметры, ESR и RLC-тестеры.

Назначение осциллографа Постоловского?

Прибор, созданный Постоловским - это специальный автомобильный диагностический прибор, разновидность мотортестеров. Он предназначен для расширенной диагностики автомобильной электроники. Основной функционал этого устройства включает функции:

• аналогового и цифрового осциллографа;
• диагностики систем: зажигания и газораспределения;
• запись и автоматический анализ принимаемых сигналов средствами программного обеспечения.

Устройство изготавливается в виде приставки с возможностью подключения к компьютеру. Комплектуется специализированными датчиками и пробниками для подключения к диагностируемым системам автомобиля.

Автомобильная диагностика

Автодиагностический осциллограф отличается от обычного, цифрового, наличием:

• автономности работы (питание осуществляется от бортовой сети автомобиля);
• до 4 аналоговых каналов;
• до 16 цифровых каналов;
• высокой полосы пропускания (не менее 60…100 МГц);
• высокой частоты дискретизации (не менее 100…200 Мвыб/с);
• арифметических функций;
• функции быстрого преобразования Фурье;
• функции декодирования цифровых сигналов;
• высокого объема встроенной памяти;
• специального программного обеспечения для анализа принимаемых сигналов;
• специальных щупов и датчиков.

Калибровка прибора

Перед первым использованием, а также смене щупов и пробников требуется их обязательная калибровка. Эта операция позволяет скомпенсировать погрешность, вносимую щупом, за счет собственного сопротивления. Для выполнения операции калибровки используется встроенный генератор сигналов. В устройствах, где нет генератора сигналов, организован специальный тестовый выход на опорной частоте. Используемый для калибровки сигнал имеет прямоугольную форму – форму меандра.

Генератор сигналов

Генератор в осциллографе способен выдавать импульсы различной формы, периодичности и амплитуды. Они используются в качестве управляющих для подачи на электронные компоненты и блоки различных схем при их диагностике. На выходе генератора можно получит импульсы простых и сложных форм:

• простые: синусоидальные, прямоугольные, треугольные, пилообразные;
• сложные: аналоговые, цифровые с ШИМ и КИМ, кодированные, псевдослучайные.

Опорная частота

Опорная частота – это минимальная частота сигнала, регистрируемая прибором без ослабления. Обычно она составляет 1 кГц, но не более 1/20 от полосы пропускания. Относительно опорной частоты осуществляется определение полосы пропускания устройства.

Полоса пропускания

Полоса пропускания отражает диапазон частот, в котором ослабление регистрируемого сигнала не превышает -3 дБ относительно величины сигнала на опорной частоте.

Принимаемые импульсы могут иметь частоту колебаний от нескольких герц до нескольких сотен мегагерц. Поэтому диапазон регистрируемых с минимальными искажениями частот, очень важен при выборе прибора.

Синхронизация

Синхронизация – это функция формирования статичного изображения одного или нескольких импульсов периодического сигнала. Синхронизация осуществляется по уровню напряжения при его нарастании (по фронту) или при снижении (по спаду) или другим параметрам (триггерам).

Можно выделить два вида синхронизации: внешнюю и внутреннюю.

Внешняя синхронизация осуществляется по периодическому сигналу, получаемому из вне. Это может быть и сетевое напряжение или внешний генератор.

Внутренняя – осуществляется по сигналам внутреннего генератора прибора.

Режимы синхронизации запуска

Режим синхронизации запуска или режим триггера (Trigger mode) определяет порядок начала сбора данных о принимаемом импульсе. Существует три режима синхронизации:

• однократный режим (single) – регистрация импульса начинается при возникновении выбранного события. Регистрация не перезапускается по окончании сбора данных;
• ждущий режим (normal) – регистрация импульса начинается при возникновении выбранного события. Регистрация перезапускается по окончании сбора данных;
• автоматический режим (auto) – регистрация импульса начинается вне зависимости от возникающих событий. Регистрация перезапускается по окончании сбора данных.

Режимы триггера

Триггер – это условие, при выполнении которого начинается сбор и отображение данных принимаемого импульса. Триггер позволяет зарегистрировать определенное периодическое или одиночное событие. У моделей с минимальным функционалом присутствуют триггеры, реагирующие только на фронт импульса.

Более продвинутые модели могут иметь следующие триггеры запуска:

• перепад за перепадом;
• по N-ному фронту серии;
• по видеосигналу;
• по времени нарастания или спада;
• по выделенной зоне;
• по длительности импульса;
• по кодовому слову;
• по укороченному импульсу;
• по условию ИЛИ;
• по установке и удержанию;
• по фронту сигнала;
• последовательный.

Развертка

Развертка – это диапазон разрешения отображаемого на экране прибора сигнала. Выделяют вертикальную развертку, измеряемую в вольтах на деление, и коэффициент горизонтальной развертки измеряемый в секундах на деление.

Чувствительность

Чувствительность - это предельная регистрируемая амплитуда принимаемого сигнала. В электронно-лучевых приборах она измеряется в вольтах на миллиметр (В/мм), в цифровых – в вольтах на деление (В/дел). Чувствительность характеризуется верхним и нижним пределами.

Дискретизация

Частота дискретизации — это частота с которой происходит запись или сэмплирование регистрируемого импульса. В аналоговых приборах она измеряется в герцах, а в цифровых в выборках за секунду (Выб/с). Чем выше частота дискретизации, тем достовернее будет воспроизведена форма принятого импульса. Поэтому в цифровых устройствах этот показатель составляет миллионы или миллиарды выборок в секунду.

Время нарастания

Характеристика, отражающая время, за которое уровень импульса меняется от низкого опорного значения до высокого опорного значения – называется временем нарастания сигнала. Чем этот показатель меньше – тем достовернее будут отображаться нарастания и спады регистрируемых импульсов.

Глубина записи

Глубина записи - это показатель устройства, отражающий объем памяти выделяемый для записи выборок регистрируемого сигнала. Глубина измеряется в байтах. Она может составлять от нескольких килобайт до десятков мегабайт. Чем этот показатель выше – тем подробнее может быть исследован принимаемый сигнал.

Аттенюатор

Аттенюатор — это устройство, предназначенное для дополнительного ослабления исследуемого сигнала. Их часто применяют для исследования напряжения первичной цепи системы зажигания, где амплитуда импульсов значительно превышает максимальное входное напряжение регистрирующего устройства.

Пробник или обычный провод?

Пробник или просто щуп – это специальный инструмент, предназначенный для передачи регистрируемых сигналов с минимальными искажениями. Если использовать обычный провод в качестве пробника, то с высокой долей вероятности вы получите не верную картину принимаемого сигнала. Причины этого – наводимые в кабеле помехи от другого электрического оборудования. Также материал, используемый для обычных проводников, имеет низкое качество и однородность. Это также ухудшает качество сигнала и значительно ослабляет его.

Сам пробник состоит из кабеля с BNC разъемом, а также держателя с щупом. Кабель имеет внешнюю оплетку для экранирования передаваемого импульса от внешних помех. Его внутренняя жила имеет небольшой диаметр. Это позволяет снизить собственную емкость кабеля. На конце держателя размещен контакт в виде иглы или крючка. Игольчатые контакты часто выполнятся пружинящими, для предотвращения повреждения дорожки или контакта. В самом держателе или у BNC разъема, размечается схема компенсации с отверстием под регулировку подстрочного конденсатора.

Также пробники часто снабжаются делителем напряжения от 10Х до 1000Х. Это позволяет расширить диапазон регистрируемых напряжений.

Характеристики пробников и аттенюаторов

Характеристики, которыми обладают эти устройства, оказывают прямое влияние на качество передаваемого импульса. При их выборе обязательно учитываются как собственные характеристики, так и характеристики используемого с ними прибора.

К важнейшим характеристикам пробников, а также аттенюаторов можно отнести:

• коэффициент ослабления;
• полосу пропускания;
• входную ёмкость;
• входное сопротивление;
• максимальное входное сопротивление.

К второстепенным характеристикам относятся:

• размеры;
• вес;
• условия эксплуатации.

Используемые условные сокращения

Если у настольных устройств за счет большого экрана практически отсутствуют сокращения слов, то с портативными моделями дела обстоят сложнее. Экраны небольшого размера не позволяют четко описать отображаемую характеристику. Поэтому в таких приборах используют ряд общепринятых сокращений. При этом различные производители могут использовать разные варианты сокращений. Далее приводятся основные общепринятые сокращения.