Осциллограф.ОсновныесведенияУчебное пособие

Осциллограф. Основные сведения

Версия 1.1

Опубликовано Rohde & Schwarz USA, Inc.

8661 A Robert Fulton Dr., Columbia, MD 21046

R&S® является зарегистрированным торговым знаком компании Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG

Фирменные названия являются торговыми знаками их владельцев.

Осциллограф. Основные сведения

www.rohde-schwarz-scopes.com 3

Содержание

Общие сведения ................................................................ 4

Где всё это началось .................................................... 4

Маяки цифровой эры ........................................ 4

Типы цифровых осциллографов ................................. 5

Цифровые стробоскопические осциллографы5

Стробоскопические осциллографы реальногомасштаба времени ............................................ 5

Осциллографы смешанных сигналов ............. 6

Основные компоненты цифровых осциллографов ... 6

Система вертикального отклонения ............... 6

Система горизонтального отклонения............ 7

Система запуска (синхронизации) .................. 7

Запуск по аналоговому сигналу ......... 8

Запуск по цифровому сигналу ........... 9

Процедура запуска......................... 10

Режимы запуска ............................ 11

Связь по запуску ифункция удержания ....................... 11

Система отображения и интерфейс пользователя . 12

Пробники ........................................................................... 13

Активные пробники ......................................... 14

Пассивные пробники ...................................... 14

Дифференциальные пробники ...................... 15

Токовые пробники ........................................... 15

Высоковольтные пробники ............................ 15

Характеристики пробников......................................... 15

Нагрузка цепи .................................................. 15

Заземление ...................................................... 16

Рекомендации по выбору пробников ............ 17

Анализ технических характеристик осциллографа ..... 18

Полоса частот .............................................................. 18

Эффективное число битов (ENOB) ........................... 18

Каналы........................................................................... 19

Частота дискретизации ............................................... 19

Глубина памяти ............................................................ 19

Типы запуска (синхронизации) .................................. 19

Время нарастания ....................................................... 20

Амплитудно-частотная характеристика ................... 20

Погрешность усиления (по вертикали) и временнойразвертки (по горизонтали) ........................................ 21

Разрешающая способность АЦП по вертикали ...... 21

Чувствительность по вертикали ................................ 21

Дисплей и интерфейс пользователя ........................ 21

Коммуникационные возможности ............................. 21

Основные типы измерений с использованиемосциллографа .................................................................... 22

Измерения напряжения .............................................. 22

Измерения фазового сдвига ...................................... 22

Измерения времени .................................................... 22

Измерение ширины и времени нарастания импульсов ........................................................................................ 22

Анализ последовательных шин данных .................. 22

Анализ спектра, статистические данные иматематические функции ........................................... 22

Заключение ....................................................................... 23

Глоссарий .......................................................................... 24

4

Рисунок 1 – Лауреат Нобелевскойпремии по физике К.Ф. Браун

Рисунок 2 – Самый первый осциллограф

Общие сведенияОсциллограф заслуженно может быть назван одним из самых полезных приборов, когда-либо созданныхдля использования инженерами по радиоэлектронике. За более чем пять десятилетий с момента созда-ния современного аналогового осциллографа были разработаны сотни полезных документов и написанытысячи статей, освещающие принципы и методы работы и содержащие общие сведения и примерыиспользования осциллографа в конкретных областях применения. Задачей настоящего пособия являетсяописание цифровых осциллографов, которые практически полностью вытеснили своих аналоговых пред-шественников в подавляющем большинстве приложений. Приведенные сведения охватывают принципыработы осциллографа, переход от аналоговой концепции к цифровой, типы цифровых осциллографов иих ключевых подсистем, основные сравнительные характеристики и возможности измерения.

Где всё это началосьЛауреат Нобелевской премии по физике немецК.Ф. Браун (рисунок 1) совершенно случайно изобрелэлектронно-лучевой осциллограф в 1897 году. Онприложил осциллирующий сигнал к горизонтальным, аиспытательный сигнал – к вертикальным пластинамэлектрода покрытой люминесцентным составомэлектронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Пластиныспроецировали приложенные электрические колебанияна маленький люминесцентный экран. Это открытиеположило начало созданию измерительного прибора(рисунок 2), который постепенно улучшался в течениепоследующих 50-ти лет. Инженер Говард Воллум(Howard Vollum) в 1947 году модернизировал прибор,впервые введя возможность управления функциейразвертки посредством сигнала запуска, что сделалоосциллограф чрезвычайно полезным прибором.

Ранние модели осциллографов, не оснащенные функ-цией запуска (синхронизации), начинали отображатьосциллограмму входного напряжения при превышенииэтим напряжением регулируемого порогового значения.

Функция запуска позволила стабилизироватьпериодическое колебание на экранах электронно-лучевых осциллографов, накладывая множественныеповторяющиеся фрагменты поверх исходной кривой.При отсутствии этой функции осциллограф отображаетмножественные копии в различных местах экрана, чтоприводит к беспорядочной некогерентности илимельканию осциллограммы. Осциллографыпродолжали совершенствоваться в обоихнаправлениях в течение многих лет, идя в ногу состремительным прогрессом в областибыстродействующих аналоговых и цифровыхполупроводниковых приборов и прикладного ПО.

Маяки цифровой эрыЦифровые осциллографы начали свой путь квсеобщему признанию в начале 1980-х годов, реализуяпреимущества ускоренного аналого-цифровогопреобразования и наличия памяти для записи иотображения осциллограмм (рисунок 3). Даже самыепервые модели цифровых осциллографовобеспечивали гибкость, достаточную для реализациифункций запуска, анализа и отображения, недоступных

Осциллограф. Основные сведения

www.rohde-schwarz-scopes.com 5

Формы сигналов Параллельные данные Последовательные данные / СтандартыФронты сигналов Интеграция высокого уровня Системная интеграция

Документация Возможностьсопряжения

Высокочастотные явления

Аналоговое ЗУ Удобство виспользовании

Увеличенные тактовые частоты

Автоматические измерения Комплексный анализПростота эксплуатации

Рисунок 3 – Встающие перед осциллографом задачи измерения

при работе с аналоговыми осциллографами. Прогресс вобласти полупроводниковых приборов и прикладного ПОявился основополагающим фактором для преобразова-ния структуры компонентов прибора из преимуществен-но аналоговой в преимущественно цифровую форму.Выгоды от обработки сигналов в цифровой областианалогичны оным для любых других потребительских,коммерческих или промышленных продуктов, однакоосновные преимущества от этого получают именноосциллографы. По сути, теперь они могут не толькооперировать сигналами недоступными ранее способами,но и, среди прочего, выполнять глубокий анализ,одновременно обеспечивая соответствие постояннорастущим требованиям высокоскоростных потоковданных. Пользователи получили возможность произво-дить захват событий, происходящих при выполненииопределенных условий, а также анализировать состо-яние системы до их возникновения. Теперь осциллогра-фы могут являться частью автоматизированныхиспытательных систем, а благодаря управлениюпосредством ЛВС или Интернета результаты измерениймогут предоставляться пользователям в соседнихпомещениях, городах или даже на других континентах.Одной из основных вех в истории архитектурыцифровых осциллографов стало внедрение в 2009 годуфункции цифрового запуска, реализованной компаниейRohde & Schwarz, что позволило устранить ограничения(такие как дрожание), присущие сигналам запускааналогового типа. Все это будет более подробноописано в последующих разделах.

Типы цифровых осциллографовЦифровые осциллографы выполняют две основныезадачи: сбор и анализ данных. В ходе сбора данныхдискретизированные сигналы сохраняются в память,после чего выполняется анализ и вывод результатов надисплей. Ниже рассматриваются лишь наиболеераспространенные в настоящее время типы цифровыхосциллографов.

Цифровые стробоскопические осциллографыЦифровые стробоскопические осциллографы дискре-тизируют сигнал перед выполнением какого-либопреобразования, такого как ослабление или усиление.Конструктивные особенности осциллографовобеспечивают возможность работы в очень широкомчастотном диапазоне, правда, они же и в некоторойстепени ограничивают динамический диапазон(приблиз. размахом 1 В). В отличие от некоторыхдругих типов цифровых осциллографов, цифровойстробоскопический осциллограф может осуществлятьзахват сигналов, частоты составляющих которыхзначительно превышают частоту дискретизацииприбора. Это свойство позволяет применять такиеосциллографы для измерения сигналов, обладающихкрайне малым периодом повторения, что выгодноотличает их от осциллографов других типов. Какследствие, цифровые стробоскопическиеосциллографы используются в сверхширокополосныхобластях применения, таких как оптоволоконные сис-темы, что позволяет окупить их высокую стоимость.

Стробоскопические осциллографы реальногомасштаба времениПреимущества дискретизации в реальном временипроявляются при обработке сигналов, ширина полосыкоторых не превышает половины максимальногозначения частоты дискретизации осциллографа. Этотметод позволяет прибору осуществлять захват оченьбольшого числа отсчетов в одном цикле развертки,обеспечивая прецизионную точность отображения. Внастоящее время только этот метод позволяетпроизводить захват однократных импульсовпереходных процессов. В эту категорию изделийпопадают и осциллографы серии &S®RTO.

Встраиваемые на уровне плат системы, как правило,охватывают обработку однобитных сигналов, синхро-низированные и несинхронизированные параллель-ные и последовательные шины, а также стандартизи-рованные или собственные форматы передачи.

Аналоговые сигналы Цифровые сигналы Смешанные сигналы

Цифровые запоминающиеосциллографы Цифровые осциллографыАналоговые осциллографы

Зада

чи и

змер

ения

6

Рисунок 4 – Система вертикального отклонения

Для всех этих направлений необходимо проведениеанализа, который, как правило, требует использованиякомплексных измерительных установок и множестваприборов. Кроме того, зачастую возникаетнеобходимость отображения как аналогового, так ицифрового сигналов. В связи с этим ряд современныхосциллографов оснащены особыми опциями, которыепревращают цифровой осциллограф в комплексныйприбор, обладающий функционалом логическогоанализатора. Это особенно полезно в контексте отладкицифровых цепей, что стало возможным благодаряналичию функции запуска по цифровому сигналу,высокой разрешающей способности, функции сбораданных и средств анализа.

Осциллографы смешанных сигналовОсциллографы смешанных сигналов расширяютфункциональные возможности цифровыхосциллографов благодаря поддержке функцийлогического и протокольного анализа, которыеупрощают измерительную установку и обеспечиваютодновременное отображение аналоговых колебаний,цифровых сигналов и данных протокольного анализа наэкране одного прибора. Разработчики аппаратныхсредств применяют осциллографы смешанных сигналовдля анализа целостности сигнала, а разработчики ПОиспользуют их для анализа содержимого сигнала.Типовой осциллограф смешанных сигналов содержитдва или четыре аналоговых и множество цифровыхканалов. Аналоговые и цифровые каналы осуществляютсбор данных синхронно, что позволяет согласовывать ихво времени и анализировать в одном приборе.

Основные компоненты цифровыхосциллографовКаждый цифровой осциллограф содержит четыре базо-вых функциональных блока – систему вертикальногоотклонения, систему горизонтального отклонения, сис-тему запуска (синхронизации) и систему отображения.Чтобы по достоинству оценить функциональныевозможности цифрового осциллографа, нужно иметь

представление о поддерживаемых функциях и ихроли в обработке сигналов. Большая часть переднейпанели цифрового осциллографа выделена подфункции систем вертикального и горизонтальногоотклонения, а также под функцию запуска, посколькуони охватывают основной объем требуемых операцийрегулирования. Функции системы вертикальногоотклонения отвечают за ослабление и усилениесигнала посредством управляющего параметра«вольт на деление», который изменяет значениеослабления или усиления для обеспечениясоразмерного отображения сигнала на дисплее.Функции системы горизонтального отклонениясвязаны с временной разверткой прибора иустанавливают временной масштаб погоризонтальной оси посредством управляющегопараметра «секунд на деление». Система запускареализует базовую функцию стабилизации сигнала,инициируя сбор данных прибором, и позволяетпользователям выбирать особые типы запуска ивидоизменять механизмы их работы. Наконец,система отображения содержит само отображение исоответствующие средства управления, а также ПО,требуемое для реализации ряда функцийотображения.

Система вертикального отклоненияЭта подсистема осциллографа (рисунок 4) позволяетпользователю располагать и масштабироватьосциллограмму по вертикальной оси, выбиратькоэффициент связи по входу, а также изменятьпараметры сигнала для соответствия требуемомутипу отображения на дисплее. Пользователь может спрецизионной точностью располагать осциллограммупо вертикальной оси отображения и осуществлять еемасштабирование. Дисплеи всех осциллографовсодержат координатную сетку, разбивающую видимуюобласть на 8 или 10 вертикальных делений, каждое изкоторых соответствует некоторой части полногонапряжения. Иначе говоря, осциллографы,координатная сетка дисплеев которых содержит 10делений, позволяют отобразить сигнал напряжением50 В делениями с шагом в 5 В.

Память

Последующаяобработка

Обработкасобранных

данных

Система горизон-тального отклонения

Системазапуска

Система вертикального отклонения

АЦП

Усил

УсилАттен

Дисплей

Осциллограф. Основные сведения

www.rohde-schwarz-scopes.com 7

Выбор 8, 10 или другого числа делений являетсяпроизвольным; для простоты обычно используетсяразбиение на 10 делений: на 10 делить легче, чем на 8.На масштаб отображения также оказывают влияниепробники, которые могут как вовсе не ослаблять сигналы(1X пробники), так и ослаблять их в 10 (10X пробники)или даже 1000 раз. Описание пробников приводится вследующих разделах настоящего пособия.

Упомянутая ранее связь по входу, по сути, определяетпуть сигнала от захвата пробником до попадания вприбор. Связь по постоянному току обеспечиваетзначение согласования на входе 1 МОм или 50 Ом. Привыборе 50 Ом входной сигнал непосредственноподается на усилитель системы вертикальногоотклонения осциллографа, что позволяет максимальнорасширить полосу частот. При выборе режима связи попостоянному или переменному току (и соответствующегозначения согласования 1 МОм) перед усилителемсистемы вертикального отклонения подключаетсядополнительный ограничивающий усилитель, который,как правило, сужает ширину полосы частот до 500 МГц вобоих случаях. Преимуществом такого высокогоимпеданса является предоставление защиты от высокихнапряжений. При выборе значения «ground» (земля) напередней панели прибора система вертикальногоотклонения отключается, и на дисплее отображаетсянулевой уровень 0 В.

Другие цепи, относящиеся к системе вертикальногоотклонения, содержат ограничитель ширины полосычастот, который, наряду со снижением уровня шума наотображаемой осциллограмме, ослабляетвысокочастотные составляющие сигнала. В рядеосциллографов также реализована функция цифровойобработки сигналов с применением выравнивающихфильтров с произвольной АЧХ, что позволяет вывестиширину полосы частот прибора за пределы исходногодиапазона входного каскада посредством приданияопределенной формы ФЧХ и АЧХ канала осциллографа.Однако частота дискретизации при этом должнасоответствовать критерию Найквиста – как минимум вдва раза превышать частоту наивысшей составляющейспектра сигнала. В связи с этим частота дискретизацииприбора жестко устанавливается на максимальноезначение и не может быть уменьшена с цельюотображения сигнала в расширенном временноминтервале без отключения фильтра.

Система горизонтального отклоненияСистема горизонтального отклонения в большей степенисвязана со сбором данных, чем система вертикальногоотклонения, и влияет на такие показателипроизводительности, как частота дискретизации иемкость памяти, а также на другие, непосредственносвязанные со сбором данных и преобразованиемсигналов. Временной промежуток между соседнимиотсчетами называется интервалом дискретизации, асами отсчеты представляют собой хранящиеся в памятичисленные значения, предназначенные дляформирования итоговой осциллограммы. Временнойпромежуток между соседними точками осциллограммыносит название интервал построения осциллограммы;

поскольку одна точка осциллограммы можетформироваться несколькими отсчетами, несколькоточек порой могут оказаться взаимосвязанными ииметь одинаковое значение.

Функционал меню режима сбора данных обычногоосциллографа весьма ограничен в связи свозможностью отображения лишь однойосциллограммы на канал; для выбора доступентолько тип децимации или один из типоварифметических операций над осциллограммой.Однако некоторые осциллографы поддерживаютодновременное отображение трех осциллограмм наканал, при этом для каждой из осциллограммпредставлена возможность комбинирования типадецимации и типов арифметических операций надосциллограммой. Доступны следующие типовыережимы:

· Режим дискретизации (Sample mode): точкаосциллограммы формируется одним отчетом длякаждого интервала построения осциллограммы.

· Режим высокой разрешающей способности(High Res mode): отображение среднегозначения по отсчетам, входящим в интервалпостроения осциллограммы.

· Режим поиска пиков (Peak detect mode):отображение минимальной и максимальнойточек осциллограммы для каждого интервала.

· Режим отображения среднеквадратическогозначения (RMS): отображениесреднеквадратического значения (СКЗ) поотсчетам, входящим в интервал построенияосциллограммы. Это значение пропорциональномгновенному значению мощности.

Типовые режимы арифметических операций надосциллограммой включают:

· Режим огибающей (Envelope mode): наосновании осциллограмм, захваченных привозникновении как минимум двух событийзапуска, осциллограф формирует границураздела (огибающую), которая представляетнаибольшие и наименьшие значенияосциллограммы.

· Режим усреднения (Average mode):формирование среднего значения по всемотсчетам, входящим в интервал построенияосциллограммы

Система запуска (синхронизации)Система запуска является одним изосновополагающих элементов любого цифровогоосциллографа, поскольку она обеспечивает захватвозникающих событий сигналов с целью проведенияподробного анализа и гарантирует устойчивоеотображение повторяющихся осциллограмм.Точность и гибкость работы системы запускаопределяют степень погрешности отображения ианализа сигнала.

8

Рисунок 5 – Запуск по аналоговому сигналу

Как было указано выше, применение запуска поцифровому сигналу позволяет пользователямосциллографов получить ощутимые преимущества вотношении погрешности измерения, частоты взятияотсчетов и функциональных возможностей.

Запуск по аналоговому сигналуФункция запуска осциллографа (рисунок 5)обеспечивает устойчивое отображение осциллограммыпри непрерывном измерении повторяющихся сигналов.Являясь реакцией на возникновение определенногособытия, запуск может успешно применяться длявыделения и отображения особых параметров сигнала,таких как недостигнутые «рантовые» логические уровнии искажения сигналов, вызванные перекрестнымипомехами, медленно нарастающими фронтами илинекорректной временной синхронизацией каналов. Современем число событий запуска значительноувеличилось, а возможности функции запускасущественно расширились.

Несмотря на то, что «цифровые» осциллографы по сутиподразумевают дискретизацию измеряемого сигнала иего последующее сохранение в виде непрерывнойпоследовательности числовых значений, функциязапуска до недавних пор реализовываласьисключительно в аналоговых цепях обработки исходногоизмеряемого сигнала. Входной усилитель приводитамплитуду измеряемого сигнала в соответствиерабочему диапазону АЦП и дисплея; преобразованныйсигнал с выхода усилителя параллельнораспределяется и подается в аналого-цифровойпреобразователь (АЦП) и систему запуска.

В первом тракте АЦП дискретизирует измеряемыйсигнал и заносит числовые значения в область памятидля хранения собранных данных, а во втором системазапуска анализирует сигнал на предмет совпадения сдействительными событиями запуска, такими какпревышение порога запуска при работе в режимезапуска по «перепаду». При совпадении с действи-тельными условиями запуска АЦП перестаетдискретизировать сигнал, после чего собранныеданные обрабатываются и отображаются в видеосциллограммы. Превышение уровня запускарезультатами измерения сигнала влечет за собойвозникновение действительного события запуска.Однако для обеспечения точного отображениясигнала требуется прецизионная настройка точкисрабатывания сигнала запуска. В противном случаеотображаемая осциллограмма, возможно, не будетпересекать точку запуска (точку пересечения уровня ипозиции запуска).

Это может быть вызвано рядом причин. Во-первых,сигнал в системе запуска сравнивается с порогомзапуска с помощью компаратора; длительностьфронтов сигнала на выходе компаратора должнабыть измерена с высокой точностью сиспользованием преобразователя «время-цифровойкод» (TDC). Если TDC не может обеспечитьнадлежащую точность, произойдет смещениеотображаемой осциллограммы относительно точкизапуска, что повлечет за собой изменение смещениядля каждого события запуска и приведет квозникновению дрожания (джиттера) сигнала запуска.

Другая причина заключается в наличии источниковпогрешностей в обоих трактах обработки измеряемогосигнала.

системазапуска расположение осциллограммы на дисплее

остановка сбора

измеряемыйсигнал

времен-ная

разверткавремя

периоддискретизации

отсчетыАЦП

Сохраненные отсчетыпамять

дисплей

Осциллограф. Основные сведения

www.rohde-schwarz-scopes.com 9

Рисунок 6 – Запуск по цифровому сигналу

Сигнал обрабатывается в двух различных трактах (трактсбора данных АЦП и тракт системы запуска), в каждомиз которых сигнал подвергается различным линейным инелинейным искажениям. Это приводит к появлениюсистематического несоответствия между отображаемымсигналом и заданной точкой запуска. В худшем случаезапуск не будет инициироваться действительнымисобытиями запуска, даже если последние отображаютсяна дисплее, или будет реагировать на события запуска,которые не могут быть захвачены в тракте сбора данныхи отображены на дисплее.

Последней причиной является наличие в обоих трактахисточников помех, вызываемых применением усилите-лей с различными уровнями шумов. Это приводит кпоявлению задержек и колебаний амплитуды, порожда-емых смещениями положения запуска (дрожанием) наотображении. Все эти погрешности могут бытьустранены применением запуска по цифровому сигналу.

Запуск по цифровому сигналуВ отличие от запуска по аналоговому сигналу, системазапуска по цифровому сигналу (рисунок 6) оперируетнепосредственно отсчетами АЦП и не распределяетсигнал по двум трактам, а обрабатывает его,обеспечивая сбор данных и отображение. Это позволяетполностью устранить искажения, присущие системамзапуска по аналоговому сигналу. Для определения точкизапуска система цифрового запуска (система запуска поцифровому сигналу) использует алгоритмыпрецизионной цифровой обработки сигналов,позволяющие обнаруживать действительные событиязапуска и с высокой точностью измерять значения вточках, соответствующих временным меткам.

Для обеспечения эффективного мониторингаизмеряемого сигнала необходимо решить задачуреализации функции обработки сигналов в реальномвремени. Например, в системах цифрового запускаприборов серии R&S®RTO реализован алгоритм 8-разрядной дискретизации с использованием АЦП счастотой взятия отсчетов 10 млрд отсчетов/с искоростью обработки данных 80 Гбит/с.

Поскольку система цифрового запуска использует теже оцифрованные данные, что и тракт сбора данных,можно добиться запуска по событиям сигналов впределах диапазона АЦП. Компаратор производитсравнение сигнала с заданным порогом запуска длявыбранного события запуска. В простейшем случае(запуск по перепаду) возникновение событияфиксируется при превышении сигналом порогазапуска в требуемом направлении – по переднему илизаднему фронту сигнала. В системах цифровогозапуска последний характеризуется собраннымиотсчетами, при этом частота дискретизации должнакак минимум в два раза превышать частотунаивысшей составляющей спектра сигнала. Толькопри соблюдении этого условия можно добитьсяполного восстановления сигнала.

Запуск, основанный исключительно на отсчетах АЦП,является малоэффективным, поскольку в такомслучае возможен пропуск события пересеченияпорога запуска, поэтому в системах запускареализован алгоритм увеличения разрешающейспособности по времени посредством повышающейдискретизации сигнала до частоты 20 млрд отсчетов/сс использованием интерполятора. Компараторсравнивает полученные на выхода интерполяторазначения отсчетов для определения порога запуска;при обнаружении события запуска происходитизменение уровня сигнала на выходе компаратора.

память сохраненные отсчеты

АЦП

дисплей

отсчеты

периоддискретизациивременная

развертка

измеряемыйсигнал

остановка сбора

расположение осциллограммы на дисплеесистемазапуска

отсчеты

10

Рисунок 7 – Пропуск в «слепой» зоне

На рисунке 7 приведен пример сужения «слепой» зонысигнала благодаря расширению разрешающей способ-ности посредством увеличения частоты дискретизации вдва раза. В левой части рисунка взятие отсчетовосциллограммы не охватывает выброс на фронтеимпульса, поэтому последний не будет обнаружен и невызовет превышения порога запуска при обработкеотсчетов АЦП. В правой части рисунка частотадискретизации увеличена в два раза с помощьюинтерполяции, позволяя обнаружить выброс на фронтеимпульса и инициировать запуск. Максимальноезначение частоты составляет 3,5 ГГц, что позволяетсистеме запуска по цифровому сигналу обнаруживатьчастотные составляющие с помощью АЦП, поддержи-вающего работу на скорости до 10 млрд отсчетов/с.

Поскольку некоторые события запуска, такие как запускпо глитчу или по ширине импульса, основаны насоответствии временным условиям, запуск поцифровому сигналу может быть с высокой точностьюинициирован этими событиями благодаря возможностиопределения точек пересечения порога в реальноммасштабе времени. Время срабатывания событийзапуска может быть задано с шагом 1 пс, а минимальнаяширина обнаружения импульса может быть установленана значение 100 пс.

Характерные преимущества цифрового запускаприведены в таблице 1.

Процедура запускаЖдущая развертка запускается в указанной точке, обес-печивая возможность отображения как периодическихсигналов, таких как синусоидальные или прямоугольныеколебания, так и апериодических сигналов, таких какодиночные импульсы или импульсы, повторяющиеся спеременной частотой. Самым распространенным типомзапуска является запуск по перепаду (фронту), которыйинициируется при превышении напряжением сигналанекоторого заданного значения.

Для запуска может быть выбран как передний, так изадний фронт сигнала. Запуск по глитчу позволяетинициировать запуск прибора по импульсу, длитель-ность которого больше или меньше некоторого задан-ного временного интервала. Характерной областьюприменения запуска такого типа является выявлениеслучайных или периодических ошибок, обнаружениекоторых связано со значительными трудностями.

Запуск по ширине (длительности) импульса вконтексте задачи обнаружения импульсовопределенной ширины во многом схож с запуском поглитчу и позволяет выявлять импульсы какотрицательной, так и положительной полярности, атакже задавать положение запуска по горизонтальнойоси. Преимуществом этого типа запуска являетсяпредоставление возможности отображения событий,произошедших до или после запуска, что позволяетвыявлять причины возникновения запуска, например,при обнаружении ошибки. Если установить задержкупо горизонтальной оси равной нулю, событие запускабудет расположено по центру экрана; при этомсобытия, произошедшие до или после событиязапуска, будут отображаться в левой или правойчастях экрана, соответственно.

Помимо перечисленных выше, существуют и другиетипы запуска, предназначенные для применения вконкретных приложениях и позволяющиеобнаруживать искомые события. Например, взависимости от используемого прибора, пользовательможет инициировать запуск по амплитуде, времени(ширина импульса, глитч, скорость нарастаниянапряжения, время установки/удержания и времяпростоя) и логическому состоянию или шаблону. Кдругим функциям запуска относятся запуск попоследовательным шаблонам, запуск типа A+B изапуск по сигналу параллельной илипоследовательной шины.

с интерполированными отсчетами

слепая зона

интерполированныеотсчеты

отсчеты от АЦП

только исходные отсчеты

Осциллограф. Основные сведения

www.rohde-schwarz-scopes.com 11

Таблица 1 – Преимущества запуска по цифровому сигналу

Низкий уровеньдрожания (джиттера) приобработке сигналов вреальном времени

Использование одних и тех же значений отсчетов для сбора данных и обработки сигналовзапуска позволяет добиться чрезвычайно низкого уровня дрожания сигнала запуска (СКЗ ниже1 пс). В отличие от систем запуска с «программным расширением», реализованным сиспользованием алгоритмов постобработки, системы с запуском по цифровому сигналу нетребуют выдерживания «слепого» временного интервала после каждого цикла сбора данных.Это позволяет прибору R&S®RTO достичь максимальной скорости сбора данных и скоростианализа 1 млн. осциллограмм в секунду.

Оптимальнаячувствительностьзапуска

Чувствительность запуска по аналоговому сигналу ограничена одним делением по вертикаль-ной оси, а для обеспечения устойчивого запуска по зашумленным сигналам можно выбратьболее высокое значение гистерезиса при работе прибора в режиме «noise reject» (подавлениешума). Однако применение запуска по цифровому сигналу позволяет оптимизироватьчувствительность по отношению к соответствующим параметрам сигнала благодаря наличиювозможности настройки значения гистерезиса в диапазоне от 0 до 5 делений. Это позволяетосуществлять высокоточный запуск с шагом 1 мВ/дел без ограничения полосы частот.

Отсутствие пропусковсобытий запуска

При работе с запуском по аналоговому сигналу после возникновения события запускатребуется выдержать некоторый временной интервал, позволяющий привести схему запуска врабочую готовность; лишь после этого может быть инициирован новый запуск. В течение этоговременного интервала осциллограф не реагирует на новые события запуска, что приводит к ихпропуску. Применение запуска по цифровому сигналу позволяет обрабатывать отдельныесобытия запуска через 400 пс интервалы с разрешающей способностью 250 фс.

Адаптивная фильтрациясигналов запуска

Специализированная интегральная схема (ASIC), реализующая функции сбора данных изапуска в приборах серии R&S®RTO, обеспечивает возможность гибкого задания частоты срезацифрового ФНЧ в режиме реального времени и применяется для обработки сигналов запускаи/или измеряемых сигналов. Низкочастотная фильтрация сигнала запуска при захвате иотображении неискаженного фильтрацией измеряемого сигнала подавляет лишьвысокочастотные помехи.

Распознавание запускапри использованиифункции компенсациисдвига по фазе

Временные соотношения между входными каналами осциллографа играют важную роль припроведении измерений и соблюдении условий запуска при параллельной обработке двух иболее сигналов. При работе с запуском по аналоговому сигналу используется функциякомпенсации сдвига по фазе для устранения задержек представленных на разных входахсигналов, обрабатываемых в тракте сбора данных после блока АЦП. Это приводит к сокрытиюзадержек и влечет за собой неустойчивое отображение обрабатываемых системой запускасигналов. Запуск по цифровому сигналу использует одни и те же оцифрованные иобработанные данные, поэтому отображаемые осциллограммы и обрабатываемые системойзапуска сигналы остаются согласованными во времени даже при использовании функциикомпенсации сдвига по фазе.

Запуск цифровых осциллографов может осуществлятьсяпо обычному и отложенному событиям, позволяяосуществлять управление режимом обнаружения этихсобытий и осуществлять сброс запуска для повторнойинициации последовательности запуска по истечениизаданного промежутка времени, при переходе в опреде-ленное состояние или при появлении соответствующегособытия. Это позволяет обнаруживать требуемыесобытия даже в самых сложных сигналах.

Цифровые осциллографы оснащены функциейуправления положением запуска, которая позволяетзадавать положение запуска по горизонтальной оси наотображении осциллограммы. Управляя этимположением, пользователь может захватыватьотображение сигнала, соответствующее оному дособытия запуска. Положение запуска определяетдлительность отображения сигнала до и после точкизапуска. Система управления крутизной запускаосциллографа позволяет определить точку сигнала, вкоторой произойдет запуск (иначе говоря, выбратьзапуск по переднему или заднему фронту).

Режимы запускаРежим запуска определяет условия, при которыхосциллограф начнет отображение осциллограммы. Восциллографах представлено два режима запуска:ждущий (normal) и автоматический (auto). При работев ждущем режиме осциллограф запускаетотображение осциллограммы лишь при достиженииопределенной позиции сигнала. В автоматическомрежиме развертка будет запускаться даже приотсутствии событий запуска.

Связь по запуску и функция удержанияНекоторые модели осциллографов поддерживаютвозможность выбора типа связи по запуску (попеременному (AC) или постоянному (DC) току), а вряде других реализованы функции подавлениясигнала на высоких и низких частотах, а такжефункция подавления шумов. Расширенные настройкипозволяют удалить шумовые и другие частотныесоставляющие из сигнала запуска, предотвращаявозникновение ложного запуска.

12

Обеспечение запуска в требуемой точке сигнала поройсвязано с некоторыми трудностями, для преодолениякоторых в ряде приборов реализована функция«удержания запуска», позволяющая установитьнекоторый временной интервал после возникновениясобытия запуска, в течение которого прибор не будетреагировать на новые события запуска, что особеннополезно при запуске по сигналам сложной формы.

Система отображения и интерфейспользователяКак следует из названия, система отображения осущест-вляет управление всеми параметрами представлениясигнала пользователю. Отдельные элементы системыкоординат дисплея образуют координатную сетку иливизирное перекрестие. Конструкция цифровыхосциллографов и выполняемые ими задачи весьмасложны, что накладывает определенные требования наинтерфейс пользователя: он должен охватывать всефункциональные возможности и при этом обеспечиватьпростоту управления. Например, сенсорный дисплейприборов серии R&S®RTO оборудован органамиуправления с цветовой маркировкой, содержит меню слинейно-организованной структурой и оснащенклавишами для часто используемых функций. Вприборах серии R&S®RTM нажатие одной единственнойкнопки активирует функцию «быстрого измерения»,предназначенную для отображения характеристиктекущего сигнала. Помимо этого, система отображениясодержит полупрозрачные диалоговые окна,перемещаемые измерительные окна, настраиваемуюпанель инструментов и пиктограммы предварительногопросмотра с отображением осциллограмм в реальноммасштабе времени.

Осциллограф. Основные сведения

www.rohde-schwarz-scopes.com 13

Рисунок 8 – Различные типы пробников и аксессуары для пробников

ПробникиОсновным назначением пробников является передача в осциллограф сигнала из цепи с обеспечениеммаксимально возможного уровня информационной прозрачности. Пробник – это не просто обычный«аксессуар» для осциллографа, это связующее звено между прибором и испытуемым устройством илицепью. Его электрические параметры, способ подключения и обеспечиваемое взаимодействие междуосциллографом и цепью оказывают значительное влияние на выполнение измерения.

Идеальный пробник должен обеспечивать простотуподключения, надежность и безопасность контакта, неухудшать и не искажать передаваемый сигнал, обладатьлинейной ФЧХ и не привносить ослабления, поддержи-вать работу в неограниченной полосе частот, обеспечи-вать высокую помехоустойчивость и не нагружатьисточник сигнала. На практике невозможно обеспечитьсоответствие всем этим требованиям, однако в рядеслучаях предлагаемых характеристик будет более чемдостаточно для удовлетворения потребностей любогоизмерения. На практике зачастую случается так, чтодоступ к измеряемому сигналу сильно затруднен, егоимпеданс варьируется в широком диапазоне значений,вся измерительная установка обладает высокойчувствительностью к помехам и является частотно-зависимой, полоса частот ограничена, а различия враспространении сигналов порождают некотороевременное рассогласование (фазовый сдвиг) междунесколькими измерительными каналами.

К счастью, производители осциллографов делают всевозможное для минимизации проблем, связанных сприменением пробников, что позволяет упростить иповысить надежность подключения пробников кисследуемой цепи. Например, работать сосциллографом одной рукой, одновременно удерживаяпробник в другой, всегда было непросто. Активныепробники осциллографов серии R&S®RTO позволяютпользователи переключаться между функциямиосциллографа с помощью кнопки на пробнике, которойможно назначить различные функции.

Прибор также оснащен встроенным вольтметромR&S®ProbeMeter, позволяющим проводить прецизи-онные измерения по постоянному току, которыепревышают по точности измерения с использованиемтрадиционных каналов осциллографа.

Двумя базовыми типами пробников являютсяпробники напряжения и токовые пробникипеременного и постоянного/переменного тока. Однакосуществуют и другие типы пробников (рисунок 8),предназначенные для проведения особых измерений,в том числе логические пробники для анализалогических состояний цифровых цепей. Пробники длязондирования окружающей среды предназначены дляработы в широком температурном диапазоне, атемпературные пробники позволяют измерятьтемпературу компонентов и контрольных точекисследуемых цепей, работающих в условиях высокихтемператур. Помимо этого, существуют пробники,предназначенные для использования визмерительных станциях на уровне подложкикристалла, оптические пробники, которыепреобразуют оптические сигналы в электрические ипозволяют отображать их на экране осциллографа, атакже пробники для измерения сверхвысоковольтныхсигналов.

14

Рисунок 9 – Активные пробники

Полоса частот пассивных пробников, как правило,варьируется в диапазоне от менее 100 до 500 МГц.При работе с 50 Ом оборудованием, обрабатываю-щим высокоскоростные (высокочастотные) сигналы,требуется наличие 50 Ом пробника, полоса частоткоторого может составлять несколько гигагерц, авремя нарастания сигнала быть равным 100 пс илименьше.

Пассивные пробники поддерживают функцию низко-частотной настройки, используемую при подключениипробника к осциллографу. Низкочастотная коррекцияобеспечивает соответствие емкостногосопротивления пробника входной емкостиосциллографа. Функция высокочастотной настройкииспользуется только при обработке сигналов, частотакоторых превышает 50 МГц. Пассивные пробникиразличных поставщиков, предназначенные дляизмерения на высоких частотах, настраиваются назаводе, поэтому пользователям необходимоосуществлять лишь низкочастотную настройку.Активные пробники не требуют проведения такихвидов настройки, поскольку их характеристики ифункции коррекции задаются в заводских условиях.

Активные пробникиПреимущества активных пробников (рисунок 9)заключаются в незначительной нагрузке источникасигнала, настраиваемом смещении по постоянномутоку для наконечника пробника, обеспечивающемвысокую разрешающую способность при обработкенизкоуровневых сигналов переменного тока, которыенакладываются на постоянные уровни напряжений, иавтоматическом распознавании прибором,устраняющем необходимость в проведении ручнойнастройки. Активные пробники доступны внесимметричном и дифференциальном исполнении.Активные пробники используют активные компоненты,такие как полевые транзисторы, что обеспечиваеточень низкую входную емкость и позволяет добитьсявысокого входного импеданса, уровень которогоостается неизменным в широком диапазоне частот.Кроме того, они позволяют измерять сигналы цепей снеизвестным импедансом и поддерживаютиспользование удлиненных заземляющих проводов.Благодаря чрезвычайно низкой нагрузке источникасигнала они незаменимы при подключении квысокоимпедансным цепям, неприемлемонагружаемым пассивными пробниками.

Однако встроенный в активные пробники буферныйусилитель несколько ограничивает рабочий диапазоннапряжений, а импеданс активных пробников зависитот частоты сигнала. Кроме того, несмотря наспособность работы с напряжениями в тысячи вольт,активные пробники все же являются активнымиприборами и потому не обладают той механическойнадежностью, которая присуща пассивнымпробникам.

Пассивные пробникиЯвляясь самым простым и дешевым типом пробников,пассивные пробники обладают всеми необходимымивозможностями измерения. Основу этих пробниковсоставляют провода и соединители, а принеобходимости внесения ослабления – еще и резисторыи конденсаторы. Пассивные пробники не содержатактивных компонентов, что позволяет им с присущейнадежностью функционировать без необходимостиполучения электропитания от прибора.

Пробники 1X («однократные») обладают динамическимдиапазоном, идентичным диапазону осциллографа, апробники с ослаблением расширяют (с помощьюоперации умножения) динамический диапазон приборапосредством уменьшения уровня сигнала в 10, 100 иболее раз. Наиболее универсальным типом пробниковявляется пробник 10X, поскольку он в меньшей степенинагружает источник сигнала и поддерживает болееширокий диапазон напряжений. Как правило, пробникименно этого типа по умолчанию поставляется сосновной массой приборов.

Пассивный высокоимпедансный пробник 1X подключает-ся к 1 МОм входу осциллографа и обладает высокойчувствительностью (вносит малое ослабление); пассив-ный высокоимпедансный пробник 10X, также подключае-мый к 1 МОм входу осциллографа, обеспечивает болееширокий динамический диапазон, обладая увеличеннымвходным сопротивлением и более низким емкостнымсопротивлением по сравнению с пробниками 1X.Пассивный низкоимпедансный пробник 10X,подключаемый к 50 Ом входу осциллографа, обладаетнизким уровнем отклонения значения импеданса приизменении частоты, но существенно нагружает источниксигнала из-за низкого номинального импеданса 50 Ом.

Пробник 1X может оказаться полезным приисследовании низкоамплитудных сигналов, однако еслисигнал представляет собой совокупность составляющийс малыми и средними амплитудами, целесообразнеевоспользоваться переключаемым пробником 1X/10X.

Осциллограф. Основные сведения

www.rohde-schwarz-scopes.com 15

Дифференциальные пробникиХотя для измерения дифференциального сигнала можновоспользоваться отдельными пробниками, оптимальнымрешением будет применение дифференциальногопробника. Дифференциальный пробник используетвстроенный дифференциальный усилитель,предназначенный для реализации операции вычитаниядвух сигналов, что позволяет ему занимать всего одинканал осциллографа, обеспечивая значительно болеевысокое значение коэффициента ослаблениясинфазного канала CMRR в более широком частотномдиапазоне по сравнению с несимметричнымипробниками. Дифференциальные пробники могутиспользоваться в приложениях, использующих какнесимметричную, так и дифференциальную передачусигналов.

Токовые пробникиПринцип работы токовых пробников основан наизмерении напряженности электромагнитного поля припротекании тока через проводник. Затем измереннаянапряженность преобразуются в соответствующеенапряжение для проведения измерения и анализа восциллографе. Использование пробников совместно сматематическими и измерительными функциямиосциллографа обеспечивает возможность проведенияширокого спектра измерений мощности.

Высоковольтные пробникиМаксимальное напряжения универсальных пассивныхпробников, как правило, ограничено значением 400 В.Если в цепи предполагается наличие напряжений уровня20 кВ, можно воспользоваться специальнымипробниками, обеспечивающими безопасность измерениятаких напряжений. Несомненно, обеспечениебезопасности при проведении измерений на такихвысоких напряжениях является задачей первостепеннойважности, которая может быть решена благодаряприменению высоковольтных пробников с увеличеннойдлиной кабелей.

Характеристики пробниковНагрузка цепиОсновополагающей и наиважнейшей характеристикойпробника по отношению к цепи является вносимая имнагрузка, которая может быть резистивного, емкостногои индуктивного типов. Резистивная нагрузка отвечает заослабление амплитуды, сдвиг смещения по постоянномутоку и изменение напряжения смещения (bias).Резистивная нагрузка имеет особое значение, есливходное сопротивление пробника идентичносопротивлению измеряемой цепи, поскольку частьпротекающего в цепи тока поступает в пробник.

Преимущества АЦПбез чередованияИзмерительный сигнал с выхода пробника в первуюочередь поступает на АЦП осциллографа, методобработки сигнала которого определяетпродуктивность работы последующих элементовобработки. АЦП осциллографов, как правило,реализуются на базе нескольких параллельночередующихся преобразователей, система которыхи образует устройство. Однако использованиевместо этого одиночного АЦП имеет ярковыраженные преимущества, которые былиреализованы компанией Rohde & Schwarz вприборах серии RTO.

Даже при чередовании лишь несколькихпреобразователей крайне важно обеспечитьминимально возможный уровень изменения уровняшумов, фазовых и частотных характеристик. Крометого, временные параметры чередования будутиметь ключевое значение, если интервалыизмерения составляют десятки или единицыпикосекунд, при этом распределяемый в каждыйпреобразователь сигнал тактовой частотыдискретизации должен обладать чрезвычайноустойчивыми фазовыми характеристиками во всемчастотном диапазоне прибора. Реализация всеговышесказанного является крайне непростойзадачей. Положения фаз каждого входящего в АЦПпреобразователя на несколько градусовотличаются друг относительно друга, поэтому причередовании пяти преобразователей будутполучены пять различных тактовых частотдискретизации, что повлечет за собойвозникновение дополнительных составляющих вокрестности основной частоты.

Уровень этих частотных составляющих, какправило, находится на 40 или 50 дБ ниже пределашкалы (тем не менее, они остаются четкоразличимыми). Составляющие возникаютпериодически, что не позволяет усреднить их, какэто было бы сделано с шумом. Появлениечастотных составляющих вызвано временным и/илиамплитудным рассогласованием. Вследствиеприсутствия как в частотной, так и во временнойобласти, они могут принимать вид шума, чтовызвано наличием большого числа составляющихна разных частотах, совокупность которых выглядиткак случайный сигнал.

Именно поэтому некоторые производителиосциллографов используют множествопреобразователей, которые, будучиобъединенными в систему, порождаютшумоподобный сигнал, который может бытьобнаружен и в некоторой степени ослаблен.

(продолжение на странице 15)

16

(продолжение, начало на странице 15)

Однако это приводит к смешиванию широкополос-ного информационного сигнала на входе осцилло-графа с помеховым сигналом преобразователей ипорождает дополнительные помехи. Одним словом,общий уровень шума осциллографа (шум +искажения) ограничивает эффективную разрядностьАЦП. Поскольку именно чередование несколькихпреобразователей вносит основной вклад в общийуровень шума, самым очевидным способомустранения этой проблемы является использованиеодного АЦП вместо нескольких.

Стабильно высокая эффективная разрядностьАЦП осциллографов серии R&S®RTO гарантируетвысокоточное представление сигналов,одновременно обеспечивая сверхвысокийдинамический диапазон.

Вот почему компания Rohde & Schwarz реализовалаименно этот подход в приборах серии R&S®RTO.Применяемое устройство представляет собойодиночный параллельный преобразователь сразрешающей способностью 8 битов, выполняющийдискретизацию на скорости 10 млрд отсчетов/с иобладающий эффективной разрядностью 7 (из 8-мивозможных). Результатом использованияпреобразователя является уменьшение уровнясобственных шумов системы приблизительно на6 дБ, приводящее к увеличению отношениясигнал/шум и расширению динамическогодиапазона, что позволяет с легкостью различатьнизкоуровневые сигналы.

Кроме того, это позволяет повысить точностьизмерения в частотной области таких параметров,как мощность канала, общий уровень нелинейныхискажений и мощность по соседнему каналу, чтостало возможным благодаря предотвращениюискажения спектра собственным шумомосциллографа. Эти преимущества былиреализованы в специализированных интегральныхсхемах (ASIC), что позволило значительноувеличить скорость работы прибора на этапеперехода от первичных целочисленных значений свыхода АЦП к осциллограмме измеряемого сигнала.Например, для сбора данных и построенияосциллограммы, содержащей 40 млн. отсчетов,обычному осциллографу может потребоватьсянесколько минут, тогда как прибор серии R&S®RTOвыполнит эти операции за считанные доли секунды.

Это, в свою очередь, приводит к уменьшению напря-жения цепи в точке контакта с пробником. Порой этоне оказывает влияния на корректность работы цепи,но в ряде случаев может приводить к появлениюошибок. Для уменьшения влияния резистивнойнагрузки рекомендуется использовать пробники,сопротивление которых в 10 раз превышаетсопротивление измеряемой цепи.

Емкостная нагрузка уменьшает скорость нарастаниясигнала, сужает полосу частот и увеличивает задерж-ку распространения. Причиной ее возникновенияявляется емкостное сопротивление наконечникапробника. Емкостная нагрузка приводит к появлениючастотно-зависимых погрешностей измерения иявляется большой проблемой при выполненииизмерений длительности задержки и временинарастания сигнала. Своим появлением она обязанаемкостному сопротивлению пробника, выступающемупри работе на ВЧ в роли ФНЧ, который шунтируетвысокочастотный информационный сигнал на землю,тем самым значительно уменьшая входной импеданспробника на ВЧ. Во избежание этого рекомендуетсяиспользовать пробники, наконечники которыхобладают низким емкостным сопротивлением.

Влияние индуктивной нагрузки приводит к искажениюизмеряемого сигнала. Причиной ее возникновенияявляется индуктивное сопротивление контура, обра-зованного наконечником пробника и его проводомзаземления. Низкочастотные помехи, вызываемыевносимой в провод заземления индуктивной нагрузкойи емкостным сопротивлением наконечника пробника,могут быть минимизированы с помощью эффективно-го заземления, которое позволяет вынести частотуНЧ-помех за пределы полосы частот прибора.Рекомендуется использовать провод заземленияминимально возможной длины, что позволяетуменьшить размер контура и тем самым снизитьиндуктивность. Более низкое значение индуктивностиобеспечивает снижение уровня помех, накладывае-мых поверх осциллограммы измеряемого сигнала.

ЗаземлениеОбеспечение надлежащего заземления являетсязадачей первостепенной важности при проведенииизмерений с помощью осциллографа и позволяетдобиться высокой точности измерения, гарантируябезопасность пользователя, особенно при работе свысокими напряжениями. Заземление приборадолжно быть выполнено с помощью сетевого шнура.Не рекомендуется работать с прибором приотключенном защитном заземлении. Это можетповлечь за собой появление нежелательных сетевыхпомех, если сигнальная земля ИУ подключена к шинезаземления через другую электрическую сеть,образуя контур заземления. Общепринятой практикойявляется развязка сигнальной земли и сетевой шинызаземления и обеспечение подключения к сигнальнойземле в точке, расположенной как можно ближе ксигнальному контакту.

Частота входного сигнала, ГГц)

ENOB

бит

Эффективная разрядность (ENOB)

Осциллограф. Основные сведения

www.rohde-schwarz-scopes.com 17

Рекомендации по выбору пробниковПри выборе подходящего пробника напряжения следуетруководствоваться такими параметрами, как полосачастот, требуемая для захвата сигнала без внесенияискажений, и минимальное значение импеданса,позволяющее минимизировать нагрузку цепи.Номинальная полоса частот осциллографа достижиматолько при входном импедансе 50 Ом и в ограниченномдиапазоне входных напряжений. Полоса частот приборадолжна как минимум в пять раз превышатьмаксимальную частоту следования импульсовизмеряемого сигнала, что позволяет охватить всечастотные составляющие, тем самым обеспечиваяцелостность сигнала.

Номинальное значение импеданса по постоянному токуслишком мало для проведения измерений попеременному току. С ростом частоты происходитуменьшение импеданса, что особенно заметнопроявляется при использовании пассивных пробников.Наличие необходимости удержания входного импедансана уровне, как минимум в 10 раз превышающемзначение импеданса источника на наивысшей частотесигнала, делает задачу выбора пробника весьматривиальной. Порой это помогает ограничить выбородной или двумя моделями пробников, параметрыкоторых наилучшим образом удовлетворяюттребованиям измерительной установки. Активныепробники позволяют в полной мере оценитьпреимущества использования всей полосы частотосциллографа в диапазоне СВЧ.

Следует помнить, что наивысшим значением импедансана НЧ обладают пассивные пробники 10x, которые впринципе не привносят смещений по постоянному току ине приводят к появлению помех. Активные пробникиобеспечивают неизменность импеданса на частотахпорядка нескольких сотен килогерц и наивысшеезначение импеданса на частотах до нескольких сотенмегагерц. Низкоимпедансные пробники обеспечиваютпостоянное значение импеданса на частотах вплоть до1 ГГц. И хотя порой ключевым требованием являетсязначение импеданса на одной конкретной частоте,обеспечение низкого, но постоянного значенияимпеданса позволяет избежать искажения сигналов,содержащих множество частотных составляющих.

Одним словом, использование активных пробниковпоказано при измерении сигналов, частотысоставляющих которых превышают 100 МГц, посколькунизкая входная емкость позволяет добиться болеевысокого значения резонансной частоты. Длина кабелейактивных пробников должна быть минимальной, чтопозволит обеспечить работу в широкой полосе частот.Кроме того, при нестабильном нулевом уровне можетпотребоваться дифференциальный пробник.

При проведении измерений с помощью пассивныхпробников важно использовать модели,рекомендованные к применению для конкретныхприборов, даже если кажется, что пробник обладаетболее широкой полосой частот, чем это необходимо.Низкое значение входной емкости позволяет добитьсяболее высокого значения резонансной частоты. Длинапровода заземления должна быть минимальной, чтопозволит снизить индуктивность контура заземления.Следует быть особенно внимательным при измерениивремени нарастания крутых фронтов сигналов,поскольку резонансная частота может бытьзначительно меньше полосы частот системы.Импеданс пробника должен примерно в десять разпревышать импеданс измеряемой точки цепи, чтопозволит избежать ее чрезмерной нагрузки.

18

Анализ технических характеристик осциллографаКак и любое другое электронное измерительное оборудование, цифровые осциллографы обладаютнабором основных характеристик. Некоторые из них очевидны, однако другие могут привести взамешательство в связи с особенностями их задания различными производителями или по ряду другихпричин. Как следствие, приведенные ниже определения являются в некоторой степени обобщенными.

Полоса частотМаксимальная ширина полосы частот являетсяпревалирующей характеристикой, указываемой каждымпроизводителем цифровых осциллографов. Онаопределяет частотный диапазон, сигналы которого могутбыть с приемлемой точностью измереныосциллографом. Если полоса частот прибора неотвечает требованиям конкретной области применения,он становится непригодным для проведения точныхизмерений, поскольку собранных им данных будетнедостаточно для полноценного отображения сигнала.Полоса частот осциллографа определяется наименьшейчастотой, на которой входной сигнал ослабляется на3 дБ, то есть частотой, на которой амплитудасинусоидального колебания будет уменьшена до 70,7 %от исходного значения.

Выбор подходящей полосы частот для заданной областиприменения может оказаться непростой задачей. Самымочевидным способом ее решения является выборприбора с самой широкой полосой частот. Однако ценаза использование осциллографов со сверхширокойполосой частот может оказаться непомерно высокой.Кроме того, расширение полосы частот приводит кувеличению уровня шума и сужению динамическогодиапазона, что может повлечь за собой возрастаниепогрешности измерения в той же степени, что инесоответствующая полоса частот. Как следствие,оптимальным будет выбор осциллографа с минимальновозможной шириной полосы частот, обеспечивающейполноценное измерение сигналов при работе всоответствующих областях применения.

Основным назначением осциллографов являетсяизмерение цифровых импульсов. Идеальным импульсомс бесконечной полосой частот считается прямоугольныйсигнал. Частотный спектр такого сигнала состоит изсоставляющей сигнала на основной частоте и нечетныхгармоник. Амплитуда гармоник в частотной областиимеет вид функции sin(x)/x, поэтому уровень третьейгармоники находится на 13,5 дБ ниже уровня основнойсоставляющей, а уровень пятой гармоники – на 27 дБниже. Седьмая гармоника, уровень которой меньше на54 дБ, находится ниже уровня собственных шумовбольшинства осциллографов. Общим правилом привыборе полосы частот осциллографа является такназываемое «правило пятой гармоники», основанное наспектре прямоугольного сигнала. Однако в ряде случаевследование этому правило приводит к выборучрезмерно широкой полосы частот.

Упомянутый выше спектр относится к прямоугольнымсигналам идеальной формы, однако на практике всецифровые сигналы обладают конечным временемнарастания, при этом отличие их спектра от спектраидеального прямоугольного сигнала заключается вуменьшенных амплитудах гармоник высокого порядка.Нередко уровень пятой гармоники находится значи-тельно ниже уровня собственных шумов осциллогра-фа, что позволяет сузить ширину требуемой полосычастот. Как правило, это справедливо для сигналов,передающих информацию на скоростях от 3 Гбит/с ивыше, таких как сигналы для последовательной пере-дачи данных, время нарастания которых составляет30 % от длительности битового интервала. В этомслучае для проведения точных измерений можноиспользовать полосу частот, менее чем в пять разпревышающую частоту основной составляющей.

Достижимая полоса частот также зависит от использу-емого пробника, не являющегося идеальным устрой-ством и потому обладающего собственной полосойчастот, которую необходимо учитывать при проведе-нии измерений. Следует помнить, что полоса частотпробника всегда должна быть как минимум в 1,5 разашире полосы частот осциллографа. Например, дляработы с осциллографом, обладающим полосойчастот 1 ГГц, рекомендуется использовать пробник,полоса частот которого составляет 1,5 ГГц, что поз-волит обеспечить полноценное функционирование.Более высокое значение полосы пробника играетважную роль в контексте обеспечения нахожденияизмеряемых сигналов на плоском участке АЧХ проб-ника. В «обычных» осциллографах, полоса частоткоторых составляет 1 ГГц, ширина этого участка, какправило, составляет одну треть от максимальнойширины полосы частот пробника, т.е. 300 МГц.

Строго говоря, основная масса измеряемых сигналовнамного сложнее обычных синусоидальных колеба-ний. Эти сигналы содержат множество частотныхсоставляющих, таких как гармоники. Например, дляотображения цифровых сигналов осциллографдолжен обладать полосой частот, ширина которойпримерно в пять раз превышает тактовую частоту.При отображении аналоговых сигналов требуемаяполоса частот осциллографа определяется наивыс-шей частотой прибора, к которому он подключается.

Эффективное число битов (ENOB)Эффективное число битов (ENOB) – это характе-ристика, с пониманием которой могут возникнуть

Осциллограф. Основные сведения

www.rohde-schwarz-scopes.com 19

некоторые проблемы, поскольку она может относитьсякак к битам разрешающей способности АЦП, так и к«эффективному» числу битов, которое может бытьдостигнуто в рамках прибора. Первая характеристикавсегда имеет более высокое значение, при этом ни одноиз значений ENOB не приводится в техническомпаспорте осциллографа. Тем не менее, следуетпонимать, что обозначает эта аббревиатура. ЗначениеENOB определяется рядом факторов и меняется взависимости от частоты, шума входного каскада,нелинейных искажений и искажений, вызванныхприменением чередования, а также ряда другихфакторов. Поставщики осциллографов указывают«сырое» значение ENOB (например, более 7 битов из 8доступных для приборов серии R&S®RTO), которое вбольшинстве случаев недостижимо. (см. врезку«Преимущества АЦП без чередования» на стр. 15).

КаналыКогда-то основная масса цифровых осциллографовсодержали 2 или 4 канала, однако в наши дни их числоможет достигать 20, что вызвано необходимостью изме-рения не только аналоговых, но и сложных цифровыхсигналов. Для покупателей осциллографов очень важнавозможность точного расчета характеристик ожидаемогочисла каналов, поскольку это является хорошейальтернативой использованию аппаратных средств длявнешнего запуска. К примеру, при использовании вовстроенных приложениях отладки осциллографасмешанных сигналов он будет чередовать 16 логическихвременных каналов с 2 или 4 традиционными каналами.

Частота дискретизацииЧастота дискретизации осциллографа определяетсячислом отсчетов, которые могут быть собраны за однусекунду, и должна как минимум в 2,5 раза превышатьширину полосы частот осциллографа. Новейшие моделицифровых осциллографов поддерживают чрезвычайновысокие значения частоты дискретизации и обладаютполосой частот свыше 6 ГГц, поэтому их основной зада-чей является работа с одиночными высокочастотнымикратковременными событиями. Это стало возможнымблагодаря применению алгоритма избыточной дискре-тизации на частотах, которые могут более чем в пять разпревышать номинальную полосу частот. Заявленнаяпроизводителями осциллографов максимальная частотадискретизации зачастую может быть достижима толькопри использовании лишь одного или двух каналов. Еслиединовременно задействуется большее число каналов,частота дискретизации будет снижена. Поэтому числоканалов, которые могут быть задействованы без ущербадля максимальной частоты дискретизации прибора,является фактором первостепенной важности. Как и длялюбых других систем, в которых аналоговые сигналыпреобразуются в цифровые, более высокое значениечастоты дискретизации позволяет добиться болеевысокой разрешающей способности, что в случаецифровых осциллографов обеспечивает улучшенноеотображение результатов измерения.

Глубина памятиВажность этой характеристики обусловлена тем, чтопри увеличении частоты дискретизации такжевозрастает и объем памяти, требуемой для хранениясобранных данных. Чем больше объем памятиприбора, тем больше осциллограмм может бытьзаписано при работе на максимальной частотедискретизации. По сути, долговременные интервалысбора данных требуют значительной глубины памяти,однако выбор наибольшего значения глубины памятиможет привести к снижению частоты обновленияданных на экране осциллографа.

Классические осциллографы в ходе сбора (захвата)данных непрерывно сохраняют, обрабатывают иотображают данные. По сути, в это время приборявляется «слепым» по отношению к характеристикамизмеряемого сигнала. При работе на самых высокихчастотах дискретизации длительность временипростоя может превышать 99,5 % от общего временисбора данных, поэтому непосредственно наизмерения остается менее 0,5 % времени, скрываявозможные сбои сигнала. Вероятно, наиболее остраяпотребность в отношении подходящей глубиныпамяти испытывается при измерении случайного илиредко возникающего события, поскольку принедостаточной глубине памяти чрезвычайновозрастает вероятность его пропуска. Помимобыстродействующей памяти, осциллографы серииR&S®RTO содержат специализированнуюинтегральную схему (ASIC), осуществляющуюпараллельную обработку нескольких процессов исущественно снижающую длительность временипростоя, позволяя достичь скорости анализа порядка1 млн. осциллограмм в секунду, что в 20 разпревышает скорость работы других приборов.

Типы запуска (синхронизации)К счастью для потенциального покупателя, основнаямасса осциллографов поставляется с широкимитрадиционными возможностями запуска, частькоторых предназначена специально для работы вшироко распространенных областях применения. Этоособенно важно в связи с многообразием типовзапуска, без ряда которых невозможно обеспечитьполноценную работу с некоторыми приложениями.Фактически, каждый цифровой осциллографподдерживает запуск по перепаду и глитчу, а такжезапуск по шаблонам. Осциллографы смешанныхсигналов поддерживают запуск как по логическимканалам, так и по каналам осциллографа. Инженерам,работающим с общепринятыми интерфейсамипоследовательной шины, требуются протоколызапуска для SPI, UART/RS-232, CAN/LIN, USB, I2C,FlexRay и других интерфейсов, поэтомутеоретические требования к запуску учитываются входе определения технических характеристикосциллографа.

20

Рисунок 10 – АЧХ гауссовской формы прибора R&S®RTO1024(синяя) и АЧХ осциллографа с максимально плоской вершиной(зеленая), наложенные на идеальную гауссовскую АЧХ(фиолетовая); график наглядно демонстрирует высокуюстепень сходства с идеальной АЧХ.

Время нарастанияАбсолютное большинство современных приложенийтребуют проведения измерений времени нарастаниясигнала. В особенности это касается измеренияцифровых сигналов, время нарастания которых крайнемало, что делает этот показатель важным, как никогда.Время нарастания сигнала осциллографа, по сути,определяет фактическое значение эффективногочастотного диапазона прибора. Осциллограф с болеевысокой скоростью нарастания предоставляет болееточную информацию о фронтах ВЧ-сигналов. С точкизрения пробника отклик на единичное ступенчатоевоздействие определяет минимальную длительностьимпульса, который может быть передан пробником навход осциллографа. Общее для этой характеристикиправило звучит следующим образом: для проведениявысокоточных измерений времени нарастания и спадаимпульса время нарастания полной системы, то естьосциллографа и пробника, должно быть в 3-5 разменьше ожидаемой длительности фронтов сигналов.

Амплитудно-частотная характеристикаАмплитудно-частотная характеристика (АЧХ) – это,казалось бы, всего лишь очередная характеристикаосциллографа, однако именно она вносит основнойвклад в его быстродействие, хотя и не указываетсяпроизводителями в техническом паспорте прибора.Долгое время она оставалась в тени, главным образомпотому, что работа с аналоговыми сигналами иосциллографами всегда подразумевала наличие АЧХ сгауссовской формой. Однако АЧХ цифровыхосциллографов может иметь максимально плоскуюформу или соответствовать характеристикам фильтраЧебышева, Баттерворта, Гаусса и др., при этом каждыйтип АЧХ оказывает различное влияние на выбросы илинизкочастотные помехи, которые вносят определенныйвклад в возникновение погрешностей амплитуды и

времени нарастания, поэтому очень важно иметьполное представление об этой «загадочной»характеристике.

Все сигналы представляют собой совокупностьсинусоидальных колебаний различных частот и фаз,представляемых в частотной области в видеспектральных линий, каждая из которых поотдельности взвешивается АЧХ осциллографа.Несомненно, было бы очень полезно знать, с какимиименно коэффициентами АЧХ осуществляетвзвешивание каждой из составляющих сигнала,однако об этом можно лишь догадываться, посколькув техническом паспорте прибора указаны толькополоса частот на уровне 3 дБ и время нарастания.

Каждый производитель имеет свое собственноепредставление о том, какой должна быть«идеальная» АЧХ. Некоторые уверены, чтонаилучшие результаты могут быть получены примаксимально плоской АЧХ, поскольку она остаетсянеизменной на всем протяжении полосы частотприбора вплоть до частоты среза, после которойначинается резкое падение. Использование такоготипа АЧХ также позволяет расширять частотныйдиапазон прибора, следствием чего является оченьвысокая крутизна спада характеристики.

Реализация АЧХ максимально плоской формы требу-ет значительных компромиссов. К примеру, примене-ние такой АЧХ приводит к появлению проблем напереходной частоте, поскольку невозможно сделатьАЧХ идеально плоской, одновременно обеспечивотсутствие «выбросов» кривой АЧХ на высокихчастотах. АЧХ фильтров Баттерворта, Чебышева идругих типов также имеют некоторуюнеравномерность в полосе пропускания, даже прииспользовании современных цифровых фильтров.

Компания Rohde & Schwarz уверена, что традицион-ная АЧХ гауссовской формы является наилучшимкомпромиссом между несовместимыми характерис-тиками и обеспечивает наивысшую общую точность,сводя к минимуму низкочастотные помехи и выбросы.Она обладает уникальной возможностью реализациикак во временной, так и в частотной областях, в обоихслучаях обеспечивая отсутствие низкочастотныхпомех. АЧХ 2 ГГц-осциллографа R&S®RTO, наряду смаксимально плоской АЧХ 4 ГГц-осциллографа(рисунок 10), наглядно демонстрируют высокуюстепень сходства формы АЧХ прибора R&S®RTO сгауссовской кривой «из учебника». На рисунке 11приводится сравнение переходных характеристикобоих осциллографов, наглядно демонстрирующее,что выбросы прибора R&S®RTO находятся на уровнепримерно 1 %, тогда как выбросы осциллографа смаксимально плоской АЧХ – на уровне 8 %.Применение АЧХ с нормальным распределениемприводит к необходимости компромисса в виде болееузкой полосы частот по уровню 3 дБ, поскольку АЧХтакого типа обладает высокой крутизной спада. Темне менее, она обеспечивает самую высокую точность(особенно на фронтах сигналов), предотвращает воз-никновение низкочастотных помех и демонстрирует

Осциллограф. Основные сведения

www.rohde-schwarz-scopes.com 21

Рисунок 11 – Переходные характеристики двух осциллографов, показывающие, что прибор R&S®RTO1024 демонстрируетвыбросы на уровне примерно 1 %, тогда как его аналог с максимально плоской АЧХ – на уровне 8 %.

выбросы на уровне менее 1 %, что значительно нижесреднего по отрасли значения – от 5 до 10 % или более.Уменьшение уровня выбросов (максимальный размахамплитуды, выраженный в процентах от общей амплиту-ды) играет крайне важную роль, поскольку в ином случаехарактеристики ИУ будут искажены, что приведет кневозможности проведения точных измерений.

Погрешность усиления (по вертикали) ивременной развертки (по горизонтали)Низкий уровень погрешности усиления осциллографаявляется основным фактором обеспечения высокойточности изменения амплитуды входного сигналасистемой вертикального отклонения, а погрешностьвременной развертки определяет способность системыгоризонтального отклонения отображать временныехарактеристики сигнала.

Разрешающая способность АЦП повертикалиРазрешающая способность по вертикали – это показа-тель точности, с которой АЦП преобразует аналоговоенапряжение в цифровой двоичный код. Например, 8-разрядный АЦП преобразует сигнал в 256 дискретныхуровней напряжения, распределенных в соответствии спараметром «вольт на деление». При выбранномзначении параметра 1 мВ/деление значение младшегоразряда составляет 39 мкВ. Эта характеристикаотличается от эффективного числа битов, поскольку неучитывает неидеальность характеристик АЦП и входногокаскада осциллографа.

Чувствительность по вертикалиСпособность усилителя вертикального отклоненияувеличивать напряжение сигнала носит названиечувствительности по вертикали и обычно составляетоколо 1 мВ на вертикальное деление экрана. Не всеосциллографы обладают чувствительностью, равной1 мВ на деление, и многие из них полагаются на ПО,позволяющее компенсировать недостатокчувствительности, что приводит к уменьшениюэффективного числа битов осциллографа.

Кроме того, для устранения этого недостатказачастую применяется ограничение ширины полосычастот, особенно при более низких значенияхнапряжения на деление шкалы.

Дисплей и интерфейс пользователяВ то время как отдельные характеристики определяютбыстродействие осциллографа, дисплей и интерфейспользователя отвечают за удобство в использованиии наглядность отображения результатов. Производи-тели осциллографов сходятся во мнении о том, какимдолжен быть дисплей прибора. В наши дни, как прави-ло, применяется жидкокристаллический тонкопленоч-ный дисплей (TFT LCD) с высоким разрешением, ино-гда оснащенный системой светодиодной подсветки.Однако интерфейс пользователя в значительнойстепени зависит от производителя осциллографа,изменяясь с каждым новым поколением приборов. Та-кие показатели, как простота проведения измеренийпользователем, а также скорость и точность,позволяющие интерпретировать полученныерезультаты, являются субъективными, поэтому привыборе осциллографа крайне желательно в полноймере изучить каждый из рассматриваемых вариантов.

Коммуникационные возможностиВ наши дни цифровые осциллографы оснащаютсяшироким спектром интерфейсов связи, начиная страдиционных GPIB и RS-232 и заканчивая Ethernet иUSB. Еще не так давно единственным вариантомобмена данными являлось применение компакт-дискас многократной записью (CD-RW), в настоящее жевремя это намного проще выполняется с помощьюпростого USB-флэш накопителя, а за удаленнуюпередачу данных теперь отвечает Интернет. Все этотакже открывает возможности для загрузкиобновлений встроенного ПО, опций и других функций.Кроме того, наличие Ethernet-интерфейсаобеспечивает возможность управления прибором иобмена данными с любым адресатом, имеющимдоступ в Интернет, что позволяет сделатьосциллограф частью более крупнойавтоматизированной испытательной системы.

22

Основные типы измерений с использованием осциллографаКак аналоговый, так и цифровой осциллограф представляет собой универсальную единицу контрольно-измерительного оборудования. Несмотря на то, что основным назначением осциллографа являетсяизмерение и отображение напряжений, его функциональные возможности простираются гораздо дальше.Помимо приведенных ниже, существуют и другие типы измерений, используемые в конкретных областяхприменения, описание которых приводится в указаниях по применению и других документах, широкодоступных в Интернете. Они охватывают описанные здесь автоматические измерения, а также обнаруже-ние сигналов, проведение анализа в коммерческих и оборонительных системах и многие другие области.

Измерения напряженияБазовое измерение напряжения – это, фактически, тотсамый основной этап, по прохождении которогостановятся доступны многие другие типы вычислений.Например, измерение размаха напряжения используетсядля расчета разности напряжений в точках осциллограм-мы с самым высоким и самым низким уровнями, аизмерение среднеквадратического значения (СКЗ)напряжения впоследствии может быть использовано дляопределения уровня мощности.

Измерения фазового сдвигаОсциллограф предлагает удобный способ измеренияфазового сдвига с помощью функции «XY mode» (режимXY). Для проведения измерения один входной сигналподается на систему вертикального, а второй – насистему горизонтального отклонения. Результатомявляется образование фигур Лиссажу, показывающихотносительные фазы и частоты переменныхнапряжений. Их форма позволяет определять разностьфаз и соотношение частот двух сигналов.

Измерения времениОсциллограф может применяться для проведенияизмерений временных интервалов по горизонтальнойшкале, что используется для расчета характеристикимпульсов. Иными словами, частота – это обратная кпериоду величина, поэтому для определения частотынеобходимо поделить 1 на известное значение периода.Четкость отображения информации может бытьулучшена путем увеличения масштаба требуемогоучастка сигнала.

Измерение ширины и времени нарастанияимпульсовИзмерение ширины (длительности) и временинарастания импульсов играет ключевую роль во многихобластях применения, поскольку наиболее важныехарактеристики этих импульсов могут исказиться, чтоприведет к снижению эффективности функционированияили полному отказу цифровых цепей. Ширина импульсаопределяется как время нарастания от 50 % от уровняполного размаха амплитуды до его максимальногозначения и обратного снижения до уровня 50 %.

Измерение ширины импульсов отрицательнойполярности позволяет определить время снижения от50 % от уровня полного размаха амплитуды до егоминимального значения и последующего обратногонарастания до уровня 50 %. Еще одним параметромимпульсных сигналов является их время нарастания,которое определяется как время увеличенияамплитуды импульса от 10 % до 90 % от значенияполного напряжения. Эти отраслевые нормативыгарантируют отсутствие неравномерностей в верхнихточках фронтов импульсов.

Анализ последовательных шин данныхАнализ последовательных протоколов передачиданных, таких как I2C, SPI, UART / RS-232, CAN, LIN,FlexRay и другие, является еще одним частоиспользуемым набором измерений, выполняемых спомощью осциллографа. Эти возможностиизмерения, как правило, входят в состав одной илинескольких опций ПО и могут быть добавлены привозникновении соответствующих потребностей.

Анализ спектра, статистические данныеи математические функцииПомимо статистических функций, таких какпостроение гистограммы и вычисление среднихзначений, к измеряемым сигналам могут бытьприменены математические функции. Это позволяетупростить анализ осциллограммы, обеспечиваяотображение данных с большей степеньюинформативности. Объединение и преобразованиеопорных осциллограмм и других данных в расчетнуюосциллограмму позволяет получить требуемоеприложением представление данных.

Основная масса осциллографов оснащенаматематическими функциями, позволяющимискладывать, вычитать, перемножать и делить сигналыразличных каналов. Среди других базовыхматематических функций стоит упомянутьпреобразование Фурье, обеспечивающее частотноепредставление сигнала на экране осциллографа, атакже функцию определения абсолютного значения,которая показывает соответствующее значениенапряжения осциллограммы.

Осциллограф. Основные сведения

www.rohde-schwarz-scopes.com 23

Программная реализация математических операций,тестирования по маске, гистограмм, отображенияспектра и автоматических измерений потребляетвычислительные ресурсы, что приводит к увеличениюинтервалов времени простоя и замедлению скоростиотклика прибора. Компания Rohde & Schwarz воплотиланакопленный опыт работы в области анализа спектра,реализовав все эти функции аппаратно, что в сочетаниис малошумящими входными каскадами и высокимэффективным числом битов АЦП обеспечиловозможность проведения полнофункциональногоанализа спектра на базе БПФ.

Высокое быстродействие функции БПФ и высокаяскорость сбора данных обеспечивают отображениеспектра в режиме реального времени. Это позволяет

добиться четкости отображения быстрых измененийсигнала, помех и низкоуровневых наложенныхсигналов.

Функции тестирования по маске приборов серииR&S®RTO также были реализованы аппаратно, чтопозволило добиться неизменно высокой скоростисбора данных даже при обработке достаточнобольшого числа осциллограмм, требуемых дляполучения статистических данных. Доступностьсохраненных осциллограмм для проведения анализапозволяет быстро обнаруживать сбои сигнала ивыявлять причины их возникновения с высокойстепенью достоверности.

ЗаключениеОсциллограф – в высшей степени универсальныйприбор, который используется в самых разнообразныхсредах разработки. По сути, чем выше эффективностьработы систем горизонтального и вертикальногоотклонения, тем с большей точностью будет отображенсигнал. Кроме того, гибкие возможности запускапозволяют настраивать осциллограф на захватслучайных или редко возникающих сигналов. Пробник(или набор пробников) соответствующего типанезаменим для переноса исследуемого сигнала визмерительную систему. Как уже говорилось ранее,цифровые осциллографы находят свое применение вразличных областях, а их производители неизменнопредоставляют указания по применению и другиеважные документы с описанием приборов.

Помимо прочего, в этих документах содержитсябольшой объем информации по каждой освещенной внастоящем пособии теме, что в ряде случаев можетоказаться полезным. Поэтому после приобретенияосциллографа в первую очередь необходимополучить как можно больше информации о работеприбора в требуемых областях применения.

24

ГлоссарийААналого-цифровойпреобразователь (АЦП):входящее в состав осциллографаустройство, преобразующеевходные аналоговые сигналы вцифровой двоичный код;эффективность работы этогоустройства определяетбыстродействие осциллографа.

Аналоговый сигнал:непрерывный электрическийсигнал, амплитуда или частотакоторого варьируется в ответ наизменение напряжения.

ВВременная развертка(подсистема): электрическаясхема прибора, управляющаявременной разверткой.

Время нарастания сигнала:значение, определяемое каквремя увеличения амплитудыимпульса от 10 % до 90 % полногонапряжения.

ГГлитч: кратковременное и, какправило, нежелательное событие,которое исчезает само по себе,что делает процесс устраненияпричины его возникновениякрайне сложной задачей.

Горизонтальная развертка:процесс, запускаемый системойгоризонтального отклоненияприбора и формирующийотображение осциллограммы.

Д

Деление: ячейка координатнойсетки, формируемаявертикальными игоризонтальными линиями надисплее осциллографа.

Дискретизация: процесс захватадискретных отсчетов входногосигнала, которые впоследствиипреобразуются в цифровую форму,сохраняются в памяти иобрабатываются осциллографом.

Дискретизация в реальноммасштабе времени: режимдискретизации осциллографа,позволяющий производить сборочень большого числа отсчетов врамках единичного запуска.

ЗЗапуск (подсистема): подсистемаосциллографа, определяющаяусловия отображения первогоэкземпляра сигнала.

ККоординатная сетка: вертикальныеи горизонтальные линии на дисплееосциллографа.

Кратковременное событие:одиночный импульс, однократновозникающий в ходе сбора данныхсигнала (также известно какоднократное событие).

Крутизна: отношение вертикальногоучастка отображаемой кривой кгоризонтальному, которое являетсяположительным при возрастании иотрицательным при снижениикривой в направлении слеванаправо.

ННагрузка цепи: следствиевзаимодействия пробника сиспытуемым прибором или цепью.Степень этого взаимодействияопределяет влияние пробника наприбор и цепь.

ООгибающая: граница раздела,сформированная наибольшими инаименьшими точками сигнала,полученными по большому числуэкземпляров осциллограмм в ходесбора данных.

Однократный импульс:захваченное осциллографомкратковременное событие,однократно возникающее в потокесигнала.

Осциллограф смешанныхсигналов: цифровой осциллограф,оснащенный двумя или четырьмяаналоговыми каналами и 16-юцифровыми каналами, иобладающий функционаломлогического анализатора.

Отсчеты: данные, формируемыеАЦП и используемые для расчетаточек осциллограммы.

ППолоса частот: частотный диапазоносциллографа, ограничивающийсяточкой, в которой уровень его АЧХуменьшается на 3 дБ (т.е. это полосачастот по уровню -3 дБ).

Предварительный запуск:способность цифровыхосциллографов осуществлять захватхарактеристик сигнала до и послесобытия запуска.

Пробник: устройство для вводаданных в осциллограф,подключаемое к испытуемомуприбору или цепи.

РРазрешающая способность повертикали: точность, с которой АЦПи осциллограф преобразуют входнойаналоговый сигнал в цифровуюформу.

Осциллограф. Основные сведения

www.rohde-schwarz-scopes.com 25

Режим поиска пиков: режимсбора данных цифровогоосциллографа, позволяющийотображать критически важные исложные для обнаружениясигналы.

Режим сбора данных: методполучения точек осциллограммыиз отсчетов; в число стандартныхвходят режим дискретизации,режим поиска пиков, режимвысокой разрешающейспособности, режим усреднения ирежим огибающей.

ТТочка осциллограммы:напряжение сигнала в некоторойвременной точке, рассчитанное сиспользованием значенийотсчетов.

Точность масштабирования:способность системывертикального отклоненияосциллографа ослаблять илиусиливать сигнал.

УУдержание запуска:определяемый пользователемминимальный временнойинтервал между запусками,используемый при необходимостиосуществления запуска по началусигнала, а не по случайномуучастку осциллограммы.

Уровень запуска: значениенапряжения, которое должно бытьдостигнуто входным сигналом дляинициации запуска.

Усреднение: операция,выполняемая системой цифровойобработки сигналов осциллографаи позволяющая уменьшитьуровень шума в сигнале и наотображении.

ЦЦифровой сигнал: сигнал,информационные данные которогопредставляют собойпоследовательность битов, впротивоположность аналоговомусигналу, представляющему собойнепрерывный диапазон напряжений.

Цифровой стробоскопическийосциллограф: осциллограф,позволяющий анализироватьсигналы, частоты которыхпревышают частоту дискретизацииприбора.

ЧЧастота дискретизации: частота, скоторой цифровой осциллографдискретизирует сигнал, измеряемаяв числе отсчетов в секунду.

Частотная характеристика: кривая,характеризующая точностьпредставления осциллографомамплитуды входного сигнала внекотором частотном диапазоне.Идеальная характеристикаобладает равномерно плоскойвершиной, однако на практике этонедостижимо.

Чувствительность по вертикали:коэффициент, характеризующийвозможность усиления сигналаусилителем вертикальногоотклонения.

ЭЭффективное число битов(ENOB): фактическое число битовАЦП или цифрового осциллографа,определяющее разрешающуюспособность после преобразованияаналогового сигнала в цифровуюформу. Эффективное число битовАЦП, как правило, меньшезаявленного.

О компании Rohde & SchwarzRohde & Schwarz представляет собой независимуюгруппу компаний, специализирующуюся напроизводстве электронного оборудования. КомпанияRohde & Schwarz является ведущим поставщикомрешений в области контрольно-измерительногооборудования, теле- и радиовещания,радиоконтроля и радиолокации, а также системзащищенной радиосвязи.

Rohde & Schwarz успешно работает уже 75 лет,представительства и сервисные центры компаниинаходятся в более чем 70 странах. Головной офискомпании расположен в Мюнхене, Германия.

Контакты в регионахI Северная Америка | 1 888 837 8772

customer.support@rsa.rohde-schwarz.com

I Европа, Африка и Ближний Восток | +49 89 4129

123 45

customersupport.asia@rohde-schwarz.com

I Латинская Америка | +1 410 910 7988

customersupport.la@rohde-schwarz.com

I Азия/Тихоокеанский регион | +65 65 13 04 88

customersupport.asia@rohde-schwarz.com

Представительство в Москве:

115093, г.Москва ул.Павловская, 7, стр.1, этаж 5

тел. +7 (495) 981 35 60

факс + 7 (495) 981 35 65

info.russia@rohde-schwarz.com

www.rohde-schwarz.ru

www.rohde-schwarz-scopes.com