Цифровой осциллограф: характеристики и выбор

Полоса пропускания и время нарастания

Полоса осциллографа — частота, на которой синус на экране ослаблен до 70,7 % настоящей амплитуды, то есть на 3 дБ (XYZs, разд. Bandwidth). Это не предел, после которого сигнала нет, а точка, где ошибка уже велика: по ABCs of Probes 100-мегагерцовый прибор на частоте 100 МГц занижает амплитуду почти на 30 %, а чтобы ошибка не превышала 3 %, полосу берут в 3–5 раз выше частоты сигнала. Tektronix формулирует это как «правило пяти»: полоса не меньше пятикратной высшей частотной составляющей сигнала, тогда ошибка меньше ±2 %. Подробнее — в словарной статье «Полоса осциллографа».

Для цифровых сигналов удобнее мыслить временем нарастания. Полоса и время нарастания связаны:

Время нарастания самого осциллографа должно быть в пять раз меньше, чем у измеряемого фронта (XYZs, разд. Rise Time). Типичные фронты логических семейств по таблице Tektronix: TTL — 2 нс (сигналу нужна полоса 175 МГц), CMOS — 1,5 нс (230 МГц), LVDS — 400 пс (875 МГц).

Данные — из спецификаций руководства RIGOL (гл. 18). Числа сходятся с формулой: 0,35 / 100 МГц = 3,5 нс. Полоса считается у входа прибора; со щупом действует полоса системы «щуп + осциллограф», и щуп должен быть не уже прибора — об этом статья «Щупы осциллографа».

Ограничение полосы (BW Limit, у DS1000Z — 20 МГц) срезает высокочастотный шум и звон, но вместе с ними — и быстрые фронты (руководство RIGOL, гл. 2). Включайте его, когда смотрите пульсации питания или медленные сигналы, и выключайте, когда меряете фронты, — подробнее в статье «Ограничение полосы».

Частота дискретизации и интерполяция

Частота дискретизации — сколько отсчётов в секунду берёт АЦП. Теорема Котельникова (Найквиста) требует больше двух отсчётов на период высшей частоты, но предполагает бесконечную запись и непрерывный сигнал, поэтому на практике двух мало (XYZs, разд. Sample Rate). Tektronix даёт два практических порога: не меньше 2,5 раза высшей частоты при интерполяции sin(x)/x и не меньше 10 раз при линейной интерполяции, которой удобнее показывать прямоугольные импульсы.

Если частоты выборок не хватает, RIGOL описывает три симптома (гл. 4): форма искажена, детали потеряны; при частоте ниже удвоенной частоты сигнала восстановленная частота оказывается ниже настоящей — это наложение спектров; короткие события пропадают между отсчётами.

Важно: указанная в паспорте частота — наибольшая, и у многих приборов она делится между каналами. У серии DS1000Z — 1 Гвыб/с на один канал, 500 Мвыб/с на два и 250 Мвыб/с на три-четыре (гл. 18). Подробнее — в статье «Частота дискретизации».

Глубина памяти: сколько времени помещается в запись

Память ограничивает длительность записи при заданной частоте выборок:

(XYZs, разд. Record Length). У RIGOL то же записано через развёртку: глубина памяти = частота выборок × время на деление × 12 делений (руководство, формула 4-1). Отсюда главное следствие: на медленной развёртке прибор снижает частоту выборок, чтобы запись поместилась в память, и чем больше память, тем дольше он держит высокую частоту. У DS1000Z стандартная память — 12 млн точек на один канал, 6 млн на два и 3 млн на три-четыре канала; 24 млн — опция. Подробнее — «Длина записи».

Вертикальный тракт: разрешение, вход, связь

• Разрядность. Большинство осциллографов общего назначения — 8-битные: у DS1000Z вертикальное разрешение 8 бит (гл. 18). 256 уровней приходятся на весь экран, поэтому сигнал растягивают по вертикали почти на всю высоту — иначе шаг квантования станет заметен. Режимы усреднения и высокого разрешения повышают эффективную разрядность для повторяющихся сигналов (XYZs; RIGOL, гл. 4).
• Чувствительность. Наименьший коэффициент у прибора общего назначения — около 1 мВ/дел (XYZs); у DS1000Z — от 1 мВ/дел до 10 В/дел при щупе 1:1. Погрешность усиления DS1000Z — ±3 % полной шкалы на пределах от 10 мВ/дел (гл. 18): осциллограф — не вольтметр, точные постоянные уровни меряют мультиметром.
• Входное сопротивление. Высокоомный вход — 1 МОм с ёмкостью параллельно: у DS1000Z (1 МОм ± 1 %) ‖ (15 ± 3 пФ). У старших моделей есть второй режим — 50 Ом для работы с согласованной линией и активными щупами (XYZs, разд. Vertical Controls). Входное сопротивление и ёмкость щупа нагружают схему, это главный источник искажений при измерении.
• Связь входа. DC пропускает весь сигнал; AC убирает постоянную составляющую — удобно смотреть пульсации на фоне 12 В; GND отключает сигнал и показывает положение нуля (XYZs; RIGOL, гл. 2). У DS1000Z при связи AC нижняя граница полосы — 5 Гц, так что медленные изменения при AC искажаются.

Запуск: как поймать нужное событие

Запуск (триггер) синхронизирует развёртку с сигналом: стабилизирует повторяющийся сигнал и ловит однократный (XYZs, разд. Triggering). Основной — по фронту: уровень и направление. Для поиска сбоев полезны запуск по длительности импульса — срабатывает на первый импульс короче или длиннее заданного — и запуски по «рантам» и тайм-ауту. Многие приборы умеют запускаться и декодировать последовательные шины — I2C, SPI, CAN, LIN, UART; у DS1000Z запуски RS232, I2C и SPI — платные опции (руководство, гл. 5).

Режимы запуска: Auto рисует развёртку и без события, Normal — только по событию, Single — один раз и останавливается. Для однократного события (бросок тока при включении, первый байт после сброса) нужен Single — см. «Как поймать однократный импульс». Подробнее о типах запуска — «Запуск осциллографа».

Измерения и БПФ

Автоматические измерения (частота, период, размах, время нарастания, скважность) удобны, но считаются по записи на экране: если на экране меньше периода или сигнал занимает две клетки по вертикали, результат будет неточным. Курсоры дают ручную проверку.

Режим БПФ раскладывает запись на частоты. RIGOL предлагает шесть окон (гл. 6): прямоугольное — лучшее разрешение по частоте и худшее по амплитуде, Flattop — наоборот, Hanning, Hamming, Blackman и треугольное — промежуточные. Разрешение по частоте определяется длительностью записи, а верхняя частота — половиной частоты выборок. Подробнее — «БПФ в осциллографе».

Безопасность: земля щупа соединена с сетью

Осциллограф с сетевым питанием заземлён через защитный провод шнура, и с этой землёй соединены внешний контакт каждого BNC и зажим земли пассивного щупа. RIGOL требует, чтобы провод земли щупа был подключён к земле и никогда — к высокому напряжению (руководство, раздел безопасности); Teledyne LeCroy — не подключать его к точке с потенциалом, отличным от земли (PP023). Если схема питается прямо от сети без трансформатора — выпрямитель импульсного блока питания, симисторный регулятор, драйвер светодиодной лампы, — её минус находится под сетевым потенциалом. Зажим земли на таком узле — это короткое замыкание через провод PE: сгорают дорожки, щуп и вход прибора.

Второе ограничение — категория измерений. Вход DS1000Z рассчитан на CAT I 300 В RMS и CAT II 100 В RMS (гл. 18); CAT I — цепи, не подключённые к сети напрямую (раздел безопасности руководства). Перед измерением в любой цепи, связанной с сетью, проверьте категорию и напряжение и самого прибора, и щупа — см. «Категория измерений» и «Можно ли осциллографом измерять сеть».

Пример: подбираем полосу и проверяем память

Полоса. Нужно правдиво увидеть фронт длительностью 5 нс (наш пример). По правилу Tektronix время нарастания системы должно быть в пять раз меньше — 1 нс, что требует полосы 0,35/1 нс = 350 МГц (наш расчёт). Осциллограф DS1054Z с расчётным временем нарастания 7 нс покажет этот фронт заметно более медленным, чем он есть: для измерения таких фронтов он не годится. Зато для проверки обмена по UART, I2C и SPI на единицах мегагерц его полосы 50 МГц хватает с запасом.

Память. Нужно записать 120 мс обмена по UART на 115 200 бит/с — развёртка 10 мс/дел на 12 делений. По формуле RIGOL при одном канале и 12 млн точек частота выборок составит 12 · 10⁶/(0,01 с · 12) = 100 Мвыб/с, при четырёх каналах и 3 млн точек на канал — 25 Мвыб/с (наш расчёт). Бит длится 1/115 200 ≈ 8,68 мкс, то есть при 25 Мвыб/с на него приходится около 217 отсчётов — для декодирования более чем достаточно. Сколько отсчётов нужно на бит, разобрано в ответе «Какая частота дискретизации нужна для UART».

Как выбрать осциллограф

Ориентиры — по XYZs of Oscilloscopes и спецификации RIGOL DS1000Z. Если нужно много цифровых линий и длинные записи протоколов, а аналоговая форма не важна, дешевле и удобнее логический анализатор; многие осциллографы со входами логического анализатора (MSO) совмещают оба прибора.

Частые ошибки

• Зажим земли на узле без развязки от сети. Короткое замыкание через защитное заземление; используйте дифференциальный щуп или изолятор.
• Щуп 1:1 вместо 10:1. Полоса падает до единиц мегагерц, ёмкость нагружает схему; держите щуп в положении 10X, если не меряете милливольты.
• Нескомпенсированный щуп. Выбросы или завалы на фронтах — прибор не виноват; компенсируйте щуп по калибратору.
• Медленная развёртка и алиасинг. Частота на экране не та: прибор снизил частоту выборок. Ускорьте развёртку или увеличьте память.
• Длинный провод земли. Звон на фронтах от индуктивности провода — используйте короткую пружинку.
• Сигнал на две клетки по вертикали. Восьмибитный АЦП даёт грубую ступеньку, автоматические измерения ошибаются; растягивайте сигнал на большую часть экрана.
• Включённое ограничение полосы при измерении фронтов. Фронты выглядят медленнее; выключите BW Limit.