R&S®Essentials | Digital oscilloscope and probe fundamentals

Understanding basic oscilloscope operation

A fundamental understanding of oscilloscopes and the basic systems is necessary for correct oscilloscope operations and valid measured data. The following will provide an overview about the settings needed to perform basic voltage versus time measurements using an oscilloscope.

What is an oscilloscope and how is it used?

The primary purpose of an oscilloscope is to measure and display voltage versus time. They are widely used for electrical / electronic designing, testing and debugging of almost anything that runs on electricity.

Oscilloscopes show voltage versus time for periodic or repeating waveforms. Modern digital storage oscilloscopes can also easily display and hold non-periodic waveforms. In addition to the basic voltage versus time display, most modern oscilloscopes often have many additional functions, e.g.:

automatic measurement of peak-to-peak voltage or frequency
ability to look at serial buses and mixed signal analysis
frequency domain analysis for signals – similar to a spectrum analyzer

Для проведения измерений и отображения результатов в осциллографе настраиваются параметры четырех основных «систем»:

1) Система вертикального отклонения

Для проведения измерений и отображения результатов в осциллографе настраиваются параметры четырех основных «систем»:

2) Система горизонтального отклонения

Для проведения измерений и отображения результатов в осциллографе настраиваются параметры четырех основных «систем»:

3) Система синхронизации (запуска)

Для проведения измерений и отображения результатов в осциллографе настраиваются параметры четырех основных «систем»:

4) Система отображения

/

Система вертикального отклонения

По вертикальной оси отображается зависимость напряжения от времени. Система вертикального отклонения используется для масштабирования и вертикального позиционирования осциллограммы. Для отображения и масштабирования осциллограмм используется регулятор В/дел (количество вольт на одно деление), который управляет усилением или ослаблением входного сигнала.

Самая важная вещь, о которой следует помнить при настройке вертикальной системы, — использовать регулятор В/дел таким образом, чтобы отобразить на экране максимально развернутый по вертикали вид осциллограммы. Другими словами, чтобы положительные и отрицательные пики находились как можно ближе к верхней и нижней границам экрана без ограничения (обрезки) осциллограммы.

Такой подход гарантирует, что используются все разряды аналого-цифрового преобразователя (АЦП) осциллографа и все преимущества АЦП. Кроме того, при максимальном вертикальном масштабе легче увидеть мелкие детали или особенности сигнала.

При увеличении настройки вольт/деление осциллограмма уменьшается

При уменьшении настройки вольт/деление осциллограмма увеличивается

Регулятор положения можно использовать для перемещения осциллограммы вверх или вниз по экрану

/

Система горизонтального отклонения

При описании системы горизонтального отклонения необходимо рассматривать две отдельные темы или два аспекта: отображение осциллограммы и частоту дискретизации.

Отображение осциллограммы

Элементы управления отображением осциллограммы в системе горизонтального отклонения связаны с горизонтальной осью, которая соответствует оси времени. Эти элементы управления можно использовать для масштабирования осциллограммы и/или для изменения ее положения по горизонтали. Как и в случае регулятора В/дел в системе вертикального отклонения, регулятор сек/дел изменяет временной интервал, соответствующий одному делению, то есть определяет, сколько периодов сигнала можно увидеть на экране осциллографа. Используйте регулятор положения для перемещения осциллограммы вправо и влево по экрану.

Отображение осциллограммы

/

Частота дискретизации

Более важным аспектом системы горизонтального отклонения является понятие дискретизации.
Система оцифровывает входной сигнал с заданной в отсчетах в секунду частотой дискретизации или через каждый интервал дискретизации. Эти отсчеты хранятся в памяти и вместе составляют так называемую запись осциллограммы.

Чем выше частота дискретизации:

тем выше разрешение/детализация отображаемой осциллограммы
тем выше вероятность обнаружения редких событий
тем выше требования к хранилищу данных (требуется большая глубина памяти)

Какую частоту дискретизации выбрать?
Если входной сигнал дискретизируется с недостаточной частотой, существует риск получения ложного сигнала, который не будет точным представлением исходного сигнала.

Отсчеты, хранящиеся в памяти, которые составляют так называемую запись осциллограммы.

Правило Найквиста (теорема Котельникова-Найквиста) гласит, что выборка должна выполняться с вдвое большей частотой, чтобы избежать наложения спектров. Общая рекомендация состоит в том, чтобы иметь частоту дискретизации как минимум в 2,5 раза превышающую полосу пропускания осциллографа.

/

Система синхронизации (запуска) и режимы запуска

Система синхронизации (запуска) чрезвычайно важна, поскольку синхронизация (запуск) требуется практически для всех операций осциллографа. По сути, функция запуска определяет условия, которые должны быть выполнены перед тем, как осциллограф начнет захват данных, т.е. начнет получать отсчеты сигнала.
Синхронизация способна делать две разные вещи:

Во-первых, она способна стабилизировать повторяющийся или периодический сигнал, такой как синусоида, заставляя каждую развертку начинаться в заданной точке сигнала

Функции запуска также могут использоваться для захвата непериодических одиночных событий, таких как одиночный импульс, пакет импульсов и т. д.

/

Важно правильно настроить функцию запуска. Неправильная конфигурация запуска — одна из распространенных проблем при использовании осциллографов. Существует множество разных типов запуска. Современные осциллографы могут осуществлять запуск по таким вещам, как длительности импульсов, ранты или глитчи. Наиболее распространенный тип запуска (синхронизации) — запуск по фронту сигнала.

При запуске по фронту запуск происходит при достижении напряжением порогового значения либо по переднему фронту, либо по заднему фронту сигнала.

Помимо различных типов запуска, существуют также различные режимы запуска. Режим запуска определяет поведение прибора в случае отсутствия событий запуска. Здесь мы различаем автоматический и нормальный режимы запуска.

В автоматическом режиме, если условия запуска не выполнены, осциллограф вновь запускается через определенный промежуток времени. Если возникает событие запуска, оно получает приоритет. Этот режим помогает увидеть форму сигнала еще до установки функции запуска. Осциллограмма на экране не синхронизирована, и последующие осциллограммы не начинаются из одной и той же точки сигнала.

В нормальном режиме прибор получает стандартную осциллограмму только при срабатывании функции запуска, то есть при выполнении всех условий запуска. Если запуска не происходит, осциллограмма не захватывается и отображается последняя захваченная осциллограмма. Если захваченные ранее осциллограммы отсутствуют, то на экране ничего не отображается.

При запуске по фронту запуск происходит при достижении напряжением порогового значения либо по переднему фронту, либо по заднему фронту сигнала

/

Система отображения

В аналоговых осциллографах система отображения была несколько большим, чем просто электронно-лучевая трубка, отображающая светящийся зеленый след. Отображаемые анализируемые или измеряемые сигналы часто выводились на экран с нанесенными счетными делениями.

Современные цифровые осциллографы содержат множество функций отображения и измерения, таких как увеличение и уменьшение масштаба сигнала, а также использование курсоров или маркеров для выполнения ручных измерений. Они также содержат большое число автоматизированных измерительных функций, таких как пиковое напряжение или его размах, частота, время нарастания и спада, скорость нарастания, коэффициент амплитуды и количество импульсов.
Многие из этих значений также могут быть получены в виде статистики (статистическая измерения).