Осциллографы, наряду с мультиметром, является наиболее популярным измерительным прибором. Сложно себе представить профессиональную мастерскую или инженерную лабораторию, которая обошлась бы без этого устройства.

Прибору уже более сотни лет и он до сих пор не имеет прямой замены. Более того, осциллограф стал основой для узкоспециализированных измерительных систем, которые работает по его принципу. Это незаменимый инструмент в руках специалистов-радиоэлектронщиков.

Что такое осциллограф

Осциллограф – это измерительный прибор, предназначенный для наблюдения за амплитудно-временной характеристикой сигнала. Устройство позволяет визуализировать форму электросигнала и, как следствие, проанализировать его.

Понять, что такое осциллограф, поможет сравнение с известным всем прибором – мультиметром. Представим себе ситуацию, когда специалист измеряет напряжение электрического сигнала. Мультиметр показывает значение, но это всего лишь мгновенное измерение. Оно отображает показатель напряженности в данный момент.

Для построения зависимости U от временного промежутка мультиметр не сильно удобен. Можно проводить измерения с заданной периодичностью, например, 1 раз в несколько секунд – записывать значения, формировать зависимость U от времени в формате таблицы. Более того, при достаточном количестве выходных данных не составляет труда сформировать график изменения амплитуды. Это и будет визуализация – не точная, но достаточная для представления с каким типом электросигнала мы имеем дело.

Чем точнее мы хотим получить график, тем чаще придется фиксировать показания мультиметром. Теперь представьте, как измерить амплитудно-временную зависимость для импульсов частотой, например, 50 Гц – стандартная сетевая частота. Обработать такой поток данных человеку не под силу. А ведь часто радиоэлектронщики имеют дело с частотами сигналов, измеряемых в МГц и даже ГГц. Производить фиксацию описанным «ручным» методом миллиардных колебаний электрического поля физически невозможно.

Поэтому создан прибор осциллограф – с его помощью мы можем не только с высокой степенью точности визуализировать сигнал, но и производить анализ параметров высоких и сверхвысоких колебаний.

Устройство и характеристики осциллографов

Понимание, что такое осциллограф и для чего он нужен, начинается с анализа его структуры. Любой прибор данного типа можно разделить на несколько основных блоков:

  • блок питания: для осциллографов критически важно стабильное питание, от этого зависит точность анализа входных электросигналов;
  • входная часть: отвечает за прием измеряемого сигнала, его подготовку к измерению;
  • блок обработки сигнала;
  • блок построения и вывод графического отображения.

Поскольку сегодня все более активно используются цифровые варианты осциллографов, рассмотрим модульную структуру именно данного типа приборов. Основные узлы:

  1. АЦП – аналогово-цифровой преобразователь. Важнейшая часть и ядро цифровой измерительной системы. Блок отвечает за преобразование аналогового сигнала в цифровой аналог. Главным параметром блока является частота дискретизации. Она показывает, насколько быстро АЦП оцифровывает входной поток. Чем выше, тем точнее цифровая копия повторяет исходный сигнал.
  2. Аттенюатор. Отвечает за масштабирование электросигнала. Аттенюатор необходим для плавного уменьшения амплитуды без искажения первоначальной формы сигнала.
  3. Блок усиления вертикальной составляющей. Отвечает за линейное увеличение амплитуды сигнала. При этом учитывается динамический диапазон АЦП. Сигнал обязательно должен оставаться в рабочих диапазонах прибора.
  4. Блок синхронизации выборки. Определяет, с какой частотой АЦП будет осуществлять выборку по цифровым эквивалентам входного напряжения (точках выборки).
  5. Оперативная память. В ней хранится промежуточная информация измерений, точек выборки и других данных.

Современный осциллограф – это устройство многоуровневое и технически сложное. Приведенная структура отражает лишь общие конструктивные элементы для большинства приборов. Стоит понимать, что вариантов осциллографов много и методы реализации измерений в них могут отличаться. Например, приборы с технологией смешанных сигналов (MSO) имеют свои, уникальные особенности в отличие, от осциллографов комбинированных доменов (MDO).

Основные характеристики приборов:

  • количество каналов: определяет, сколько одновременно сигналов может анализировать система;
  • сопротивление на входе: как правило, оно достаточно большое (1 МОм и больше) для предотвращения искажений самим прибором;
  • диапазон исследуемых частот: сегодня осциллографы не ограничены МГц, в профессиональной среде активно используются приборы с ГГц диапазоном;
  • частота дискретизации (для цифровых моделей): число выборок в секунду – показывает количество срезов (снимков) сигнала за единицу времени;
  • динамическая память: больший объем дает возможность записать широкий участок сигнала без необходимости перезаписи предыдущих измерений (в цифровых моделях);
  • скорость обновления данных: показывает, насколько точно прибор отслеживает сигнал.

Увеличенная частота обновления уменьшает время, в течение которого части импульса остаются незамеченными. То, что показывает осциллограф с большей скоростью обновления, лучше соответствует реальной природе исследуемого сигнала. Это повышает точность анализа.

Для чего используют осциллограф

Основная задача для чего нужен осциллограф – дать специалисту понимание о форме и параметрах сигнала. Если вольтметр, амперметр и частотомер дают отдельно значение напряжения, тока и частоты, то осциллограф способен объединить эти величины в единую картинку. При этом человек наблюдает изображение сигнала в режиме реального времени.

Что можно измерить осциллографом:

  • амплитуды;
  • формы сигналов;
  • синхронизацию нескольких колебаний;
  • периодические, непериодические сигналы;
  • частоту, период колебаний;
  • асинхронные сигналы и т.д.

Цифровые пакеты данных можно быстро расшифровать, используя встроенный логический анализатор. Большинство цифровых осциллографов имеют эту опцию и способны моментально выполнять декодирование потока. Это основа работы с процессорной, микроконтроллерной техникой.

Разновидности осциллографов

Для чего используется осциллограф, мы разобрались, поговорим об их типах. Существует две больших группы данных приборов: аналоговые и цифровые. Первая – наиболее старая, эти устройства положили начало анализа быстропротекающих электрических процессов. Аналоговые системы можно встретить и сегодня. Однако ввиду сильно ограниченного функционала, эти модели реже встречаются в профессиональных задачах. В их основе вывод изображения сигнала на электронно-лучевую трубку (кинескоп).

Более широкая группа измерительных систем – цифровые. Сюда входят такие приборы:

  1. DSO – запоминающие осциллографы. В этих моделях отсутствуют недостатки аналоговых приборов. Что делает осциллограф DSO структуры – фиксирует, записывает и измеряет разные характеристики входящего сигнала. Более того, записанные данные можно сохранять и анализировать в любой момент, что было немыслимо в аналоговых инструментах. DSO можно объединять с компьютерами, группировать в единую сеть измерительной аппаратуры через LAN, подключать внешние накопители, устанавливать дополнительные программные модули – их возможности очень широки.
  2. MSO – цифровые осциллографы смешанных сигналов. Это те же запоминающие системы. Что можно проверить осциллографом MSO – одновременный анализ аналоговых и цифровых потоков. Итоговый результат измерений синхронизируется в едином временном масштабе.
  3. Стробоскопические. Предназначены для анализа сверхбыстрых импульсов. Данные, что измеряет осциллограф, последовательно стробируются. За счет этого они могут работать в широкой полосе пропускания, а рабочие частоты доходят до десятков ГГц. Дополнительной особенностью этих осциллографов является высокая входная чувствительность.
  4. Комбинированные. В данных приборах используется все возможности цифровых систем анализа сигналов. Помимо классического осциллографа, они могут оснащаться генераторами сигналов, логическими анализаторами, анализаторами спектра. Нередко в них присутствуют привычные функции мультиметра – измеритель напряжения, тока, частоты и т.д.

Ввиду большего количества задач, в которых есть необходимость использования осциллографов, производители начали выпуск портативных моделей. Их особенность – компактные размеры. Такие приборы можно положить в сумку и производить замеры непосредственно на выезде, в полевых условиях. Питание инструмента выполняется за счет встроенного АКБ.

Как выбирать осцилллограф

С понятием осциллографа и для чего он нужен, мы познакомились, теперь рассмотрим важные критерии его выбора. На что обратить внимание:

  1. Какие измерения будет выполнять прибор. Нужно ли выполнять логические преобразования, есть ли необходимость в анализе радиочастотного спектра – наличие этих и других моментов будет определяться типом осциллографа.
  2. Пропускная способность. Существует правило «пяти»: интересующая модель осциллографа должна иметь пятикратный запас по частотной полосе, с которой вы будете работать. Это даст меньшее количество ошибок и большую достоверность отображения сигнала.
  3. Частота дискретизации. Чем выше скорость выборки, тем детальнее прибор обрабатывает поток. Здесь также советуем использовать правило «пяти» – частота дискретизации должна превышать в 5 раз самую большую частотную компоненту вашей схемы.
  4. Щупы. Правильность вывода данных о сигнале зависит от того, насколько достоверную информацию получает измерительный прибор. Щупы для осциллографа имеют не меньшую важность, чем само устройство. В комплекте, как правило, производитель поставляет стандартные пассивные зонды. Однако если вы имеете дело с высокими частотами, есть смысл подыскать совместимые активные щупы с малой емкостной нагрузкой.
  5. Глубина памяти. Работаете со сложными сигналами? Обратите внимание на модели с увеличенной динамической памятью. Они обеспечат возможность фиксации длинных промежутков электросигналов без необходимости перезаписи предыдущих сегментов. Это повышает детализацию.
  6. Количество каналов. Учитывайте для чего осциллограф вам нужен и с каким количеством входных данных предстоит работать. Один, два или более каналов осциллографа позволяют одновременно наблюдать несколько сигналов на экране. Данная опция будет полезной при исследовании синхронизации импульсов, зависимости одного электросигнала от другого и т.д.

Основной критерий – сфера вашей деятельности. Конечно, можно приобрести прибор с очень широким функционалом и характеристиками уровня исследовательской лаборатории. Но не забывайте – все это отразится на ценнике устройства.

Выводы

В этой статье мы рассмотрели особенности осциллографов – что это такое, какие их важные параметры и на что обратить внимание при покупке данного инструмента. Если у вас остались вопросы, обращайтесь в интернет-магазин A-Radio. Наши сотрудники помогут подобрать нужное вам оборудование и проконсультируют в сфере измерительных приборов.