Параметры осциллографа: что на самом деле значат полоса, синтезы и память

Время чтения: 24 минуты

Точность получаемой информации зависит от его технических характеристик. При работе с аналоговыми сообщениями, цифровыми протоколами или при диагностике неисправностей критически важно правильно интерпретировать прежде всего такие показатели, как полоса пропускания (ПП), частота дискретизации (ЧД, Fd) и глубина памяти (ГП).

Осциллограф — незаменимый измеритель в разных сферах:

ПП (Bandwidth, BW) — это диапазон радиочастот, в пределах которого прибор способен корректно отображать форму входного напряжения с допустимыми искажениями. Это не граничная частота, которую он может показать, а та, где входная синусоида ослабляется на -3 дБ (амплитуда уменьшается до ~70.7% от реальной). Это точка, где погрешность измерения амплитуды достигает 30%, что уже критично для большинства задач. Фактически это фундаментальный параметр, определяющий предел точности всего измерительного тракта прибора: от входного разъёма до АЦП.

Неверное понимание показаний может привести к:

Как характеристики влияют на работу прибора:

Почему параметры важны:

Статья поможет не просто запомнить цифры, а связать их с практическими задачами.

ПП определяет граничную сигнальную радиочастоту, которую можно измерить. Она влияет на точность отображения формы сигнала, напрямую связана с временными характеристиками. Является частью первостепенных показателей при выборе прибора.

Точность измерений напрямую зависит от соотношения ПП и частоты исследуемого радиосигнала. При недостаточной полосе возникают:

Рассмотрим влияние ПП на форму напряжения типа МЕАНДР, представляющий собой прямоугольные импульсы со скважностью 2. Французский учёный Жан-Батист Жозеф Фурье доказал, что сигнал любой сложности можно представить суммой гармоник (см. преобразование Фурье).

Применим Тригонометрический ряд Фурье

, где a_n и b_n — весовые коэффициенты.

У нечётной функции (каковую мы выбрали только для примера), все коэффициенты an равны нулю. Для упрощения анализа (и с учётом техвозможностей) примем n = 1…9

Таким образом, получим разложение вида:

F(x) = sin(ꙍt)+1/3sin(3ꙍt)+1/5sin(5ꙍt)+1/7sin(7ꙍt)+1/9sin(9ꙍt)

Исследуем зависимость формы сигнала от составляющих гармоник на калькуляторе Нехаева:

Колебания вершин импульсов вызваны ограничением бесконечного ряда Фурье (в нашем эксперименте 9-ю гармоническими составляющими) и наличием точек разрыва на фронтах импульсов. Это явление названо эффектом Гиббса в честь американского учёного Джозии Уилларда Гиббса:

Теперь смоделируем ситуацию, когда ПП не захватывает 9-ю гармонику:

Далее сужаем полосу моделируемого осциллографа ещё на одну гармонику:

Теперь ограничим ПП двумя главными гармониками:

Оставим главную гармонику в одиночестве и посмотрим, во что превратится наш импульсный радиосигнал с такой ПП:

Делаем выводы:

Что же на практике? В качестве примера исследуемого осциллографа возьмём осциллографическую приставку к ПК PCSGU250 с ПП = 12 МГц. Рассмотрим скриншоты разночастотных радиосигналов.

Практические результаты подтвердили выводы, сделанные из анализа на калькуляторе.

Помните: выбирать ПП нужно с запасом, ориентируясь на самые быстротекущие процессы в вашей схеме, а не на частоту тактового генератора.

ЧД (Sample Rate) — это количество сигнальных отсчётов, измеряемое в выборках в секунду (выб/с) или в герцах (Гц). В цифровом осциллографе (ЦО) входное напряжение преобразуется в последовательность дискретных значений.

Процесс дискретизации включает:

Большое значение имеет т. н. «битность» АЦП — его разрядность. Обычно составляет 8–12 бит, что обеспечивает 256–4096 уровней квантования соответственно. Благодаря ему непрерывное входное напряжение преобразуется в цифровую последовательность с заложенной в ней входной информацией. Чем больше разрядность, тем точнее преобразование.

Что произойдёт, если Fd слишком низкая? Возникают две главные проблемы:

Недодискретизация (Under-sampling) или aliasing. Если Fd меньше, чем удвоенная максимальная частота радиосигнала (противоречит теореме Котельникова-Найквиста-Шеннона или теореме отсчётов), то радиосигнал будет отображаться искажённым, не соответствующим оригиналу. Высокочастотные компоненты «превращаются» в низкочастотные, создавая ложные отображения.

Пример: радиосигнал 10 МГц, Fd = 15 Мвыб/с. На экране увидим 5 МГц-вый «фантом».

Искажение формы сигнала. Даже если условия теоремы отсчётов выполнены, возможны искажения при недостаточном числе выборок на периоде. Например, фронты импульсов будут размыты, а маленькие детали могут быть пропущены.

Чтобы «заполнить» пробелы между дискретными точками, используют интерполяцию. Самый распространённый метод — Sin(x)/x (или sinc-интерполяция). Этот метод позволяет восстановить форму радиосигнала с большой точностью, но только в том случае, если Fd достаточно велика, иначе интерполяция не сможет «дорисовать» правильную форму.

Нет «золотого правила» для соотношения ПП и Fd, но есть рекомендации:

Рекомендуемая частотная дискретизация в зависимости от полосы пропускания:

На первый взгляд, может показаться, что 5 Гвыб/сек — это избыточная Fd для ЦО с ПП 200 МГц. Однако есть несколько причин, по которым частотный запас может быть полезен даже в этом случае:

Частота дискретизации — это не менее важный параметр, чем ПП. Правильный её выбор позволяет избежать алиасинга, искажения сигнальной формы и получить более точные результаты измерений. Не стоит пренебрегать этим свойством, прежде всего при работе с цифровыми и импульсными радиосигналами. Повышенная ЧД может быть полезна даже при неширокой ПП, позволяя захватывать редкие события и точнее отображать сложные сигналы.

Это ещё один решающий параметр ЦО, который непосредственно влияет на то, как долго и с какой детализацией вы сможете анализировать радиосигналы.

ГП (Memory Depth) — это объём памяти ЦО, выделенный для хранения оцифрованных данных. Измеряется в точках (samples) или иначе в выборках (points). Чем глубже память, тем продолжительнее запись (Record Length) и детальнее изображение (Time Resolution) сложных сигналов даже на низких частотах дискретизации.

Недостаточная ГП ограничивает способность прибора зафиксировать редкие события («глюки», сбои), преимущественно при долговременных измерениях. Это вредит точности анализа медленных процессов и переходных явлений.

Эти три параметра взаимосвязаны формулой:

T= ГП / Fd, где:

T — время записи (с)

Формула показывает, что при фиксированной ГП увеличение Fd приводит к уменьшению продолжительности записи, и наоборот.

Например:

У вас ЦО с ГП = 1Мвыб.

Есть ещё один определяющий параметр, о котором часто вспоминают уже после приобретения ЦО в момент использования: «мёртвое время» (Dead Time) — это время, необходимое устройству для обработки и отображения данных после окончания захвата.

В итоге вклад параметров в измерение:

Важно: глубокая память не заменяет высокую Fd, а дополняет её, обеспечивая точность результата исследования процессов.

Пример: 10 Мвыб против 1 Квыб при одной и той же Fd

Допустим:

Найдём частотную границу, не выше которой можно выполнять задание, по формуле:

Fcmax↑ = N / Т = (10 х Fd) / ГП

подставляя значения:

Fc1max↑ = (10 х 107) / 103 = 105 (Гц) ⬄ 100 (кГц)

Fc2max↑ = (10 х 107) / 107 = 10 (Гц)

Теперь вычислим максимальную радиочастоту, которая определяется теоремой Котельникова:

Fcmax↓ = Fd/5 = 2 МГц

Таким образом, выполнение указанного задания

Преимущество ЦО с бо́льшей ГП налицо.

Представьте ситуацию: вы отлаживаете цифровую схему и замечаете, что время от времени в радиосигнале появляются редкие «глюки» — кратковременные импульсные помехи, которые приводят к сбоям в работе устройства. Они происходят нерегулярно, например, раз в несколько секунд или даже минут:

ГП — существенный параметр ЦО. Она позволит фиксировать редкие события, исследовать сигналы с длительной предысторией и получать более точное представление об их форме. Но не следует забывать о «мёртвом времени», в течение которого ЦО не может захватывать новые данные, что приводит к пропуску серьёзных событий. Поэтому при выборе ГП необходим компромисс между продолжительностью записи и «мёртвым временем».

Даташит — это паспорт прибора, содержащий ключевые характеристики. Умение правильно его читать позволяет сделать осознанный выбор при покупке или оценке возможностей имеющегося прибора. Однако производители используют разные способы представления информации, а иногда и хитрые маркетинговые уловки.

Главные разделы даташита с технической информацией:

Полоса пропускания:

Частота дискретизации:

Глубина памяти:

Входные характеристики:

Дополнительные функции:

Предположим, мы рассматриваем даташит на ЦО Rigol DS1054Z. В разделе «Models and Key Specifications» (модели и основные характеристики) видим общие технические параметры:

Часто поставщики оборудования переводят даташиты на русский язык. Например, проще изучить характеристики рассматриваемого осциллографа, приведённые компанией «Суперайс».

Характеристики осциллографа, указанные в даташите, измеряются без учёта влияния пробников. Однако их подключение изменяет входной импеданс и ёмкость прибора, что влияет на ПП, точность измерений сигнала и вносимые искажения. Поэтому пробники нужно проверять на соответствие требованиям измеряемого сигнала. Их характеристики приводятся в спецификациях к ним.

Часто вендоры немного «лукавят» в описаниях, чтобы сделать своё оборудование привлекательнее. Вот какие параметры нужно проверять особо внимательно.

Интерполированная дискретизация:

Заявленная полоса пропускания на одном канале:

ГП с оговорками:

Маркетинговые термины:

Примеры маркетинговых уловок и как их распознать:

Практические рекомендации:

Важно помнить: при выборе осциллографа нужно опираться на конкретные характеристики, а не на маркетинговые обещания. Всегда запрашивайте детальные спецификации и проверяйте условия измерений.

Как выбрать осциллограф? Подбор параметров под конкретные задачи:

Но иногда лучше взять «более простой» прибор. Преимущества «простых» осциллографов:

Критерии выбора несложного прибора:

Когда целесообразно выбрать недорогой осциллограф:

Важно помнить: не всегда нужно гнаться за максимальными показателями. Главное — подобрать прибор, который продуктивно решает стоящие задачи и обеспечивает необходимую точность измерений. При выборе следует учитывать не только характеристики, но и условия эксплуатации, бюджет и требования к обслуживанию.