Характеристики цифрового осциллографа

Для того, чтобы научиться правильно пользоваться современным цифровым осциллографом требуется освоиться со всеми его основными параметрами и характеристиками, а также четко понимать принципы на базе которых он работает.

Основные характеристики цифрового осциллографа - Полоса пропускания

Осциллографы не способны измерять все сигналы. Они имеют некоторые ограничения, определяющие сигналы минимальной и максимальной частоты или амплитуды которые могут могут быть измерены. А полоса пропускания — это как раз одна из главных характеристика прибора, которая подскажет какой частотный диапазон может быть правильно измерен этим осциллографом. Параметр полоса пропускания обычно подразумевает верхнюю частотную границу, так как нижняя - это сигнал постоянного тока и его умеют рисовать абсолютно все современные и не очень осциллографы.

При реальных измерениях частотный интервал еще уже, чем заявлено в паспорте на измерительное устройство. В современных цифровых осциллографах сигнал проходит определенную обработку и оцифровку, прежде чем попадёт на электронный дисплей для вывода информации. Имеется даже теоретическая база из-за которой изготовители измерительной техники советуют выбирать осциллограф так, чтобы его полоса пропускания была в 3 раза больше, чем измеряемый синусоидальный сигнал и в пять раз больше, если сигнал цифровой (т.е. всевозможные формы и виды прямоугольных импульсов).

Нижняя и верхняя границы полосы пропускания - это частотные среза сигнала. Начиная с частоты среза сигнал будет ослабевать в два (или на 3Дб = log₁₀2) и больше раз с увеличением частоты.

Количество каналов осциллографа

Многие современные цифровые устройства способны анализировать сразу несколько сигналов, отображая их параллельно на дисплее. Обычно осциллограф имеет от двух до четырех каналов. Тут важно знать как устроено конкретное устройство. Многие каналы разделяют между собой различные общие ресурсы, что в результате скажется в не лучшую сторону на общую производительность при использовании сразу нескольких каналов.

Частота дискретизации

Эта характеристика актуально только для цифровых моделей. Она определяет сколько раз в единицу времени осциллограф считает измеряемый сигнал. Для цифровых устройств, имеющих более одного канала, частота дискретизации может снижаться, если параллельно задействовано сразу несколько каналов. Это зависит от конструкции устройства. В современных осциллографах частота дискретизации нераздельно связана с уже упомянутым параметром - полосой пропускания. Например, у Siglent SDS 1202X-E эта характеристика равна 1х10⁹. Чем выше это свойство, тем лучше, так как получается больше информации о сигнале на входе.

Вообще, параметр частота дискретизации очень важен. Для этого попытаемся разобраться в процессе аналогово-цифрового преобразования.

Если осуществлять сигнальные замеры (например, синусоиды) с частотой хотя бы в два раза выше частоты синусоиды на входе щупа, тогда по этим измерениям можно будет восстановить точный исходный сигнал с минимумом потери информации. Т.е. если замерять сигнал через временной интервал Δ t, то мы сможем его со 100% точностью восстановить.

Т.е характеристика частота дискретизации является одним из главных факторов, задающих максимальную частоту сигналов, которые осциллограф способен правильно обработать, с последующим выводом информации на ЖК экране.

А то после восстановления информации окажется, что восстановленный сигнал имеет меньшую частоту, чем измеряемый. Кроме того, может быть потеря некоторых важных сигнальных частей. Получается, для правильного измерения сигнала частотой 100 Мгц необходим осциллограф с частотой дискретизации хотя бы 200 Мгц. Но хватит ли его на самом деле? Давайте разберемся в этом вопросе.

Параметр частота дискретизации должен быть в 4-5 раз выше, чем верхняя граница полосы пропускания осциллографа. А значит для устройства с полосой до 200 Мгц частота дискретизации должна быть минимум порядка 800Мгц.

Например, у модели Siglent SDS1202X-E полоса пропускания 200Мгц, а частота выборки 1000Мгц в режиме одного канала. Так что, если хотим увидеть сигнал около к 200 Мгц, то Siglent SDS1202X-E вполне хватит, но при обязательном ограничении в один канал. Если же использовать сразу два канала, то полоса пропускания снизится сразу до 100 Мгц.

Эквивалентная частота дискретизации

Если вдруг вам не хватает реальной частоты дискретизации вашего осциллографа. Например, когда анализируется сигнал с частотой близкой к пределу полосы пропускания, а реальная частота дискретизации уже не изначальна мала. Тогда и используется такая характеристика, как эквивалентная дискретизация. По своей сути, это просто математика, когда финальный результат собирается на основе нескольких последовательных измерений. Но при этом каждое последующее измерение слегка смещено от предыдущего, чтобы получить, как можно больше точек для восстановления исходного.

Т.е при измерении сигнал 200 МГц с полосой до 200 МГц и частотой дискретизации 1 миллиард выборок в секунду (1GSa/s), то тогда на один период получается всего пять измерений. В принципе, этого должно хватить, но для лучшей детализации лучше задействовать функцию эквивалентной дискретизации и тогда получим вместо 1GSa/s уже 2.

О эквивалетной дискретизации с кучей формул смотри здесь:

Максимальное входное напряжение

Любой электронный прибор имеет предельно-допустимое напряжение. Осциллограф не может быть исключением из этого правила. Если подать на его вход напряжение, которое превышает максимально допустимое, то есть вероятность того, что вам потребуется новый осциллограф.

Например если максимальное напряжение в режиме щупа 1:1 равняется 40 вольт, а в режиме 1:10 около 400. То лучше не лезть в схему с напряженим около 400В без дополнительного делителя, а тем более выше.

Cкорость обновления сигналов на дисплее

Чем выше у осциллографа скорость обновления сигналов на цифровом дисплее, тем ниже у него величина мертвого времени, т.е. такого времени, которое необходимо на обработку захваченных данных перед тем, как они будут представлены на ЖК экран. ем оно меньше, тем быстрее обновляться осциллограммы на дисплее. Тем выше вероятность, что осциллограф захватит и вовремя покажет на экране какую-нибудь аномалию. Конечно, в радиолюбительской практике эта характеристика может и не играет особой роли, но тем не менее это свойство осциллографа довольно важно.

Глубина памяти

Цифровые осциллографы не просто так называют запоминающими, они способны запоминать измеряемый сигнал. Точнее они сохраняют в своей внутренней памяти его измеренные значения в отдельные моменты времени. На что влияет данная характеристика? Чем больше глубина памяти, тем выше частота дискретизации по мере уменьшения скорости развертки – время/делений. Чем меньше скорость развертки, тем больше измеренных значений прибору необходимо сохранять в своей памяти для последующей обработки и вывода на дисплее. Чем больше глубина памяти у конкретной модели, тем лучше.

Хотя, и здесь есть ложка дегтя. При измерении на медленных значениях развертки может запаздывать скорость обновления осциллограм на экране, а также осциллограф может немного тормозить, медленно реагируя на управление.