Современные осциллографы представляют собой быстродействующие, точные и многофункциональные измерительные приборы. Их главное назначение в отображении форм исследуемых сигналов и тестирование характеристик. Ни одно метрологическое средство не может конкурировать с осциллоскопами в области изучения скоротечных импульсных процессов.
В этой статье на примерах будет рассказано, как готовить осциллографы к работе для проведения разных видов измерений, как читать осциллограммы и интерпретировать результаты исследований.
Время чтения: 23 минуты
- Подготовка к тестированию и предварительные настройки
- Особенности измерений на электронных компонентах
- Аналоговые процессы внутри микросхемы: примеры и измерения
- Цифровые процессы: логика, переходные процессы и временные диаграммы
- Тестовые артефакты: как отличить реальные процессы от ошибок измерения
- Практические рекомендации и шпаргалка для инженера
- Чеклист покупки: какое оборудование от Суперайс выбрать
Осциллографы — что это?
С помощью этих измерительных приборов можно получить временные, амплитудные и спектральные параметры исследуемых процессов во временной области. Такая информация необходима для понимания явлений, происходящих в аналоговых и цифровых узлах и блоках электронной аппаратуры.
Во многих современных осциллоскопах реализован алгоритм FFT (fast Fourier transform — быстрое преобразование Фурье). С их помощью можно наблюдать процессы во временной и в спектральной областях.
Многоканальные измерители позволяют отследить очерёдность наступления определённых событий в разных точках схемы. Эта потребность возникает при диагностике цифровых схем.
Визуализация сигналов осциллографом очень важна для выявления и устранения причин возникновения отклонений в функционировании электронных устройств от нормы.
Подготовка к тестированию и предварительные настройки
Для измерения в схемах применяют осциллографы, которые могут оборудоваться аналоговыми и (или) цифровыми входами. Независимо от особенностей этих приборов, все они нуждаются в подготовке к эксплуатации. Процедура подготовки детально изложена в руководстве оператора.
Подготовка к работе
Рассмотрим общие подходы к подготовке любых осциллоскопов к работе.
Проверка работоспособности измерителей может выполняться с помощью встроенных средств калибровки. При отсутствии таких средств применяют внешние заведомо исправные источники эталонных колебаний.
Для диагностики на вход прибора подают эталонный испытательный сигнал с известными характеристиками. Затем с помощью прибора измеряют параметры колебания и сравнивают результаты тестирования с заданными характеристиками. Результаты проверки считаются положительными, если не обнаружены значительные отклонения итогов тестирования от ожидаемых.
Предварительные настройки
Чтобы правильно интерпретировать показания прибора, его нужно предварительно настроить. Именно от тщательности прохождения этих этапов зависит дальнейшая точность исследований.
1. Установка полосы пропускания
Полоса пропускания осциллографа — это область частот, в которой аппарат обеспечивает допустимую погрешность результатов измерений. Для идеального измерителя этот параметр находится в диапазоне от нуля до бесконечности. Реально полоса пропускания ограничена частотной характеристикой канала вертикального отклонения (КВО).
При слишком узкой полосе пропускания КВО происходят искажения формы колебаний с широким спектром и коротких импульсов.
Необходимая полоса пропускания осциллографа и время нарастания измеряемого напряжения взаимосвязаны. Чем меньше время нарастания и короче исследуемые импульсы, тем шире должна быть полоса пропускания измерителя. Определение времени нарастания иллюстрирует следующий рисунок.
Полоса пропускания определяется частотными характеристиками встроенных в осциллоскоп цифровых фильтров. Их тип задаёт оператор. Это может быть фильтр верхних, нижних частот, режекторный или полосовой фильтр.
2. Выбор масштаба по амплитуде
Амплитудный масштаб некритичен для цифровых схем, поскольку величина цифровых сигналов определяется типом используемой логики. Она может быть в диапазоне от 0 до 9 В.
При работе с амплитудами, превышающими максимальные для КВО, применяют измерительный щуп с делителем. Например, используют пробник 10x vs 1x. Стандартный коэффициент деления такого пробника 1:10. Главная цель этой процедуры — не перегрузить КВО по входу, так как это может привести к отказу измерителя.
В аналоговых устройствах величина тестируемой амплитуды может изменяться в очень широких пределах, поэтому чувствительность КВО устанавливают минимальной. После подключения осциллографа к схеме чувствительность КВО постепенно уменьшают так, чтобы амплитуда наблюдаемого колебания составляла не более 90% от вертикальной шкалы устройства.
3. Выбор параметров временной базы
Один из таких параметров — скорость развёртки, определяемая целью испытаний:
- для измерения уровня шумового спектра достаточна скорость развёртки, при которой отсутствует мерцание изображения;
- для тестирования параметров периодических колебаний скорость должна быть такой, чтобы вдоль оси времени укладывался 1–3 периода колебания;
- для наблюдения фронтов или спадов импульсов скорость выбирается примерно в 100 раз быстрее, чем в ситуации, описанной выше.
4. Влияние Sample Rate (частота дискретизации)
Это количество выборок, которое может захватить осциллограф в единицу времени. Чем больше выборок, тем точнее будет воспроизведён исследуемый процесс, но тем больше ресурсов аппарата для этого понадобится. Кроме того, с увеличением частоты дискретизации увеличивается возможный диапазон частот, в пределах которого исследуемые колебания будут тестироваться с требуемой точностью.
Если частота дискретизации мала, то анализируемый спектр будет искажён.
5. Назначение режима запуска (триггера)
Существует две разновидности этого режима: автоколебательный и обычный.
Автоколебательный способ применяется на начальной стадии испытаний для обнаружения интересующего процесса и предварительной установки масштабов по амплитуде и времени.
Нормальный триггер используется тогда, когда на осциллограмме выбрана точка триггера и задан его тип.
6. Выбор типа запуска
Наиболее часто применяется старт тестирования по событию. К таким событиям относятся пуск по фронту (спаду) импульса, по длительности перепада или по амплитуде.
7. Установка режима работы входа (открытый или закрытый)
Если для анализа результатов тестирования нужны сведения о постоянной и переменной составляющих спектра, применяют открытый вход. Если достаточно только переменной составляющей, то используют закрытый вход.
Подготовка к тестированию
В некоторых случаях для получения корректных результатов испытаний необходимо согласование измерителя с тестируемой схемой.
Для этого при исследовании радиочастотных схем рекомендуется подключить к их выходу активный резистор. Его величина зависит от волнового сопротивления тракта и составляет 50 или 75Ом. В телефонии такое сопротивление должно быть 600 Ом.
В обоих случаях измерения проводят с использованием стандартного щупа из комплекта измерителя.
При тестировании соединительных линий типа «витая пара» величина активного сопротивления должна составлять около 120 Ом. Так как такая пара является симметричной линией передачи, для измерений необходимо применять дифференциальный щуп.
Особенности измерений на электронных компонентах
В процессе диагностики микросхем осциллографом рекомендуется придерживаться следующих дополнительных мер предосторожности:
- Защита от статического электричества микросхем и дискретных полупроводниковых приборов. Она обеспечивается применением антистатических браслетов и инструментов, а также использованием металлизированной поверхности рабочего места. Такая поверхность соединяется с общей шиной заземления через резистор сопротивлением 1 МОм.
- Исключение случайного замыкания измерительным щупом соседних выводов микросхемы при попытке подключения прибора к одному из них. Для этого используют щупы специальной конструкции. При их отсутствии можно при обесточенном устройстве припаять к нужному выводу микросхемы отрезок провода небольшой длины и подключить к нему измеритель. Затем включить питание и провести тестирование. Этот способ неудобный, но его применение гарантированно защищает микросхему от случайного повреждения. Он подходит для изучения процессов амплитудой более 0,5В, но неприемлем для тестирования малых амплитуд.
Перечислим рекомендации по безопасности при измерениях непосредственно на выводах электронных компонентов:
- применение дифференциальных щупов в работе с устройствами, построенными по симметричным относительно земляной шины схемам;
- если потенциалы на выводах исследуемых элементов неизвестны, применяют щуп с делителем и устанавливают минимальную чувствительность КВО. Затем корректируют чувствительность до получения необходимого уровня.
Рекомендуемые принадлежности:
- запасная карта памяти;
- комплект дополнительных измерительных щупов;
- портативный тестовый источник;
- нагрузочные резисторы на 50, 75, 120 и 600 Ом;
- запасной аккумулятор (если его замена предусмотрена конструкцией прибора);
- зарядное устройство и блок питания (при наличии);
- инструменты монтажа и для пайки.
При сомнениях в достоверности результатов исследований рекомендуется сравнить их с результатами, полученными с помощью другого измерителя.
Аналоговые процессы внутри микросхемы: примеры и измерения
Анализ аналоговых сигналов осциллографом потребуется при оценке работоспособности и настройке аналоговых датчиков, усилительных устройств, линейных и импульсных стабилизаторов. Рассмотрим несколько примеров.
Пример 1. Испытания усилителя, работающего с минимальным входным колебанием
В ходе таких испытаний измеряют соотношение сигнал-шум, динамический диапазон, качественно оценивают величину гармонических искажений усилителя. Остановимся на измерении соотношения SNR (signal-to-noise ratio — соотношение сигнал-шум).
1. Тестирование SNR
Ко входу усилителя подключается тестовый генератор, формирующий колебания с требуемой частотой.
Вначале их амплитуда устанавливается равной номинальной чувствительности усилителя. Измеряется амплитуда на выходе устройства.
Затем амплитуда на входе уменьшается до 0 В и тестируется уровень шумов на выходе усилителя.
Осциллограмма, иллюстрирующая картину на экране измерителя, показана на следующем рисунке.
Соотношение SNR вычисляется как разность между первым и вторым измерением в дБ.
2. Качественная оценка THD (Total Harmonic Distortion — полные гармонические искажения)
Такая оценка в осциллографическом режиме проводится визуально.
Ко входу усилителя подключается тестовый генератор, формирующий колебания с требуемой частотой и номинальным напряжением. Время развёртки устанавливается таким, чтобы на экране измерителя укладывалось 2–4 периода наблюдаемого процесса.
Амплитуда генератора плавно увеличивается до тех пор, пока на экране измерителя будут заметны незначительные искажения выходного колебания. Осциллограмма на выходе показана на следующем рисунке.
Искажения синусоиды будут около 10%.
Для точного вычисления THD необходимо измерить уровень каждой гармонической составляющей. Такой тест выполняется с использованием осциллографа в режиме FFT.
Большинство осциллоскопов позволяют измерять только амплитудные значения напряжений. Для дальнейших расчётов их нужно пересчитать в RMS (Root Mean Square — среднеквадратичное значение).
THD по электрическому напряжению вычисляется по следующей формуле:
K= √(U22+U23+……..+U2n)/U1х100%,
где U1 — среднеквадратичное значение амплитуды основной частоты, Un — среднеквадратичная величина n-ой гармоники.
Пример 2. Диагностика работоспособности источника питания
Рассмотрим осциллограммы, иллюстрирующие функционирование инверторного источника питания. Они представлены на следующем рисунке.
Блок питания должен быть нагружен на расчётную нагрузку. Как видно из рисунка, выходное напряжение, вырабатываемое инверторным стабилизатором, очищено от относительно медленных флуктуаций и коротких выбросов, содержащихся в питающей сети. Это свидетельствует об исправности тестируемого изделия.
Цифровые процессы: логика, переходные процессы и временные диаграммы
Осциллограф — незаменимый инструмент для анализа цифровых сигналов и обнаружения причин некорректной работы логических схем. Рассмотрим несколько типичных случаев.
1. Искажение фронтов (спадов) импульсов
Это иллюстрирует следующий рисунок.
На этой осциллограмме изображены два процесса, для наглядности наложенные друг на друга:
- идеальный прямоугольный импульс на входе исследуемой схемы, содержащей инерционные элементы;
- искажённый импульс на выходе этой схемы.
Инерционными элементами считаются сочетания реактивных электронных компонентов друг с другом и резисторами.
На выходной осциллограмме хорошо видны затухающие переходные процессы, совпадающие с фронтом и спадом прямоугольного импульса.
Выбросы напряжения способны повредить следующие за исследуемым устройством каскады или привести к нарушению функционирования логических схем.
«Дребезг» механических контактов
Он порождает glitch (сбой) в работе цифровых устройств. Он возникает из-за многократного замыкания-размыкания контактов переключателей, герконов или электромагнитных реле в момент коммутации. Это явление поясняет следующий снимок.
На этом рисунке на дребезг указывают утолщённые линии осциллограммы на спадах импульсов. Утолщения возникают потому, что в отмеченных областях графика контакт многократно изменяет своё состояние с замкнутого на разомкнутое и наоборот. Это приводит к сбою в работе цифровых схем.
Межсимвольная интерференция
Это наложение элементов одного и того же сообщения друг на друга. В результате принятое сообщение искажается. Рассматриваемое явление иллюстрирует следующий рисунок.
В верхней части снимка показан сигнал, передаваемый при отсутствии интерференции. В нижней части скриншота изображена осциллограмма, иллюстрирующая наличие интерференции.
Рассмотрим несколько практических примеров.
Пример 1. Анализ функционирования последовательного интерфейса UART
Universal Asynchronous Receiver/Transmitter — универсальный асинхронный приёмник/передатчик реализован на микроконтроллере, который предварительно должен быть прошит. Осциллограф нужно подготовить к измерению импульсных последовательностей. Он подключается к соединителю DB9M RS-232: измерительный щуп к контакту 3 (передача), а общий провод щупа к контакту 5 (земля).
Проанализируем структуру кадра, передаваемого по UART. Её иллюстрирует следующий рисунок.
Как видно из рисунка, кадр, передаваемый микроконтроллером, состоит из стартовой посылки, восьми бит данных и стоповой посылки. Бит чётности не используется. Данные содержат число 110, которое в двоичном формате записывается как 01101110.
Наблюдаемая структура соответствует стандартной, что свидетельствует о корректной работе интерфейса.
Пример 2. Применение осциллоскопов в режиме FFT
FFT осциллограф полезен при анализе импульсных процессов. На следующем рисунке приведена осциллограмма (вверху) и спектрограмма (внизу) одиночного импульса.
На нижнем графике хорошо видна составляющая основной частоты и её гармоники, но не видны шумы. Если использовать логарифмический масштаб шкалы амплитуд и правильно используемый для измерений фильтр, то спектрограмма того же импульса будет выглядеть следующим образом.
Теперь в нижней части спектрограммы хорошо видны шумы. Так можно оценить соотношение сигнал-шум.
Тестовые артефакты: как отличить реальные процессы от ошибок измерения
Для уменьшения ошибок тестирования необходимо соблюдать следующие правила:
- Перед измерениями убедиться в исправности используемого прибора и аксессуаров. Часто отказывают тестовые щупы и кабели, соединяющие их с измерителем. Если есть сомнения в работоспособности аксессуаров, лучше их заменить на заведомо исправные.
- Исключить плохие контакты в точках подключения измерительных щупов к исследуемому изделию. Типичная ситуация, когда инженер пытается что-то измерить, подключая щуп к разным точкам работающей схемы «на весу», не прибегая к соединению пайкой.
- Правильно выбирать полосу пропускания прибора. Сужение полосы приводит к погрешностям в измерении амплитуд гармонических процессов и искажению формы импульсных сигналов.
- Разграничивать понятия «земля» и «общий провод». Существует множество схем, где шина заземления и общий провод изолированы друг от друга. В таком случае при использовании многоканального режима работы осциллоскопа недопустимо произвольное подключение общих проводов разных каналов.
Например, соединение общего провода одного канала с землёй, а другого с общим проводом устройства создаст короткое замыкание. В результате изучаемый аппарат будет повреждён.
Практические рекомендации и шпаргалка для инженера
Кратко остановимся на важных особенностях, которые нужно учитывать при испытаниях электроники.
- Перед использованием пробника необходимо скомпенсировать вносимые им искажения. Для этого применяют встроенный в измеритель эталонный источник. Компенсация достигается подстройкой переменного конденсатора, расположенного на пробнике.
- При испытании инверторных стабилизаторов задействуют двухканальный режим измерителя. Для этого необходимо обеспечить гальваническую изоляцию его корпуса от опасных входных и выходных напряжений. Кроме того, нужно исключить возможность короткого замыкания измеряемых цепей на корпус прибора.
- Измерить шум питания блока LDO-Low Dropout — низкое падение (напряжения) и пульсации на его выходе осциллографическими методами затруднительно. Эти величины очень малы, поэтому для их оценки используются специальные аппараты — селективные микровольтметры.
- Проблема подавления дребезга механических контактов решается использованием триггеров или шинных формирователей.
- Если испытываемое изделие не новое, то печатный монтаж и выводы радиокомпонентов обычно окислены и хороший контакт щупа и компонентов отсутствует. Поэтому перед тестированием места пайки компонентов нужно как следует пропаять.
- Полоса пропускания измерителя должна превышать ширину спектра изучаемого колебания как минимум в 10 раз.
- При диагностике и ремонте электроники её часто приходится включать и отключать. Для этого используйте дополнительный внешний выключатель со световой индикацией наличия питания на тестируемом изделии. Этот простой приём поможет избежать многих ошибок.
С целью обеспечения выполнения этих условий, а также требований техники безопасности, осциллоскоп подключается к входу и выходу исследуемого блока через развязывающие трансформаторы. Их коэффициенты трансформации должны быть предварительно измерены. Они влияют на выбор коэффициентов ослабления измерительных щупов.
Режим прибора по входу устанавливается AC coupling (связь).
Чеклист покупки: какое оборудование от Суперайс выбрать
Аппаратуру для осциллографических исследований можно разделить на 3 группы: базовая, продвинутая и лабораторная.
К базовой группе относятся цифровые двухканальные аппараты с умеренной полосой анализа и минимальным функционалом.
В категорию продвинутых изделий включены испытатели MSO с логическими анализаторами. От базовых моделей они отличаются большим числом каналов, широкополосностью и высокой степенью автоматизации.
Лабораторные измерители выделяются повышенной точностью по сравнению с продвинутыми экземплярами. Они включены в Государственный реестр средств измерений РФ.
Разным специалистам потребуются аппараты, относящиеся разным группам. В следующей таблице представлены основные критерии выбора измерителей.
| Наименование | Статус-специалист | ||
| Инженер-исследователь | Инженер-ремонтник бытовой электроники | Сервисный инженер | |
| Группа | лабораторная | продвинутая | базовая |
| Количество аналоговых КВО | 4 | 2 | 4 |
| Количество цифровых каналов | - | 16 | - |
| FFT | + | + | - |
| Полоса пропускания КВО, МГц | 2000 | 500 | 300 |
| Частота дискретизации ГВыб/с | 10 | 2 | 2 |
| Глубина памяти, Мб | 500 | 200 | 220 |
| Возможность автономной работы | - | - | + |
| Модель | RIGOL MSO8204 | Siglent SDS2502X Plus | Micsig TO3004 |
Осциллограф позволяет инженеру понять, что происходит внутри отдельных микросхем и всего аппарата в целом. Основой для такого понимания служит анализ осциллограмм в контрольных точках исследуемого устройства.
В зависимости от решаемых задач, специалисту потребуются измерители с определёнными метрологическими характеристиками.
Каждый инженер может выбрать необходимые ему радиоизмерительные приборы дистанционно, используя информационные ресурсы фирмы Суперайс. Наша компания предлагает большой выбор измерительной техники, комплектующих, электронных компонентов, расходных материалов и инструментов.
Покупатели получат квалифицированную консультативную помощь сотрудников Суперайс по любым доступным каналам телекоммуникаций.
