Осцилограф: історія і класифікація
Осцилограф – це один з найважливіших і незамінних інструментів для аналізу електричних сигналів, без якого неможливо уявити собі ні одну майстерню, не кажучи вже про великі сервісні центри. Осцилографи призначені для візуалізації амплітудних змін в часовому розрізі сигналів, що на них подаються і дозволяють спостерігати, вимірювати, а також записувати цей сигнал. Сучасні осцилографи є відмінними інструментами для тестування, налагодження та усунення неполадок, тому що з їх допомогою можна визначати стан окремо взятих електронних компонентів, а також модулів в зборі.
Історія осцилографів почалася з 1893 року, коли французький фізик Андре Блондель представив світу власноруч збудований магнітоелектричний осцилограф з біфілярним підвісом. Цей прилад дозволяв реєструвати значення електричних величин, таких як інтенсивність змінних струмів, на рухомій стрічці запису за допомогою чорнильного маятника, приєднаного до котушки. Через те що при роботі використовувалися відразу декілька механічних пристроїв, перші осцилографи були не надто точними і мали дуже малу смугу пропускання, в діапазоні 10-19 кГц.
Повністю автоматичний ондограф Госпіталь'є – попередник магнітоелектричного осцилографа з біфілярним підвісом Андре Блонделя
По-справжньому осцилографи еволюціонували з появою електронно-променевої трубки (CRT), яку винайшов в 1897 році німецький фізик Карл Браун. A.C. Cossor – британська компанія, що першою в світі адаптувала цю технологію, представила в 1932 році перший осцилограф на ЕПТ.
По закінченню Другої світової війни вимірювальні прилади, а з ними, відповідно, і осцилографи, набули розвитку у всьому світі, але в першу чергу це було помітно в Європі та Америці. У 1946 році Говард Воллюм і Мелвін Джек Мердок заснували компанію Tektronix, яка з часом стала світовим лідером в осцилографії. У тому ж році Воллюм і Мердок винайшли свій перший осцилограф із так званою «очікуючою розгорткою». Вони використали цю технологію в моделі 511, яка мала смугу пропускання 10 МГц. Очікуюча розгортка в осцилографі – це розгортка, яка спрацьовує тільки під час протікання спостережуваного електричного імпульсу.
У 1950-х роках практично у всіх технічно розвинених країнах стали виробляти ці прилади, завдяки чому осцилографи перетворилися в універсальний інструмент для вимірювань. Смуга пропускання і точність осцилографів стрімко збільшувалися, спочатку з появою перших промислових аналогових моделей, а потім і з появою цифрових осцилографів в 1985-му році. Цей рік можна з упевненістю назвати однією з ключових точок в історії розвитку осцилографії. Саме цього року для дослідницького центру CERN був розроблений перший у світі цифровий осцилограф з функцією пам’яті. Створенням цього приладу керував Уолтер ЛеКрой (Walter LeCroy), засновник компанії LeCroy. Починаючи з 1980-х років ринок цифрових осцилографів прогресував неймовірними темпами, завдяки чому ці прилади й донині вважаються незамінними.
Як і у випадку з будь-яким іншим електронним обладнанням, за способом обробки вхідного сигналу осцилографи можна розділити на аналогові і цифрові. Обидва типи, звичайно ж, мають своїми плюси, мінуси й унікальні характеристики, тому давайте розглянемо їх більш детально.
Аналоговий осцилограф
Поодинокі екземпляри аналогових осцилографів все ще можна зустріти на робочих столах бувалих майстрів, які в силу своєї звички не можуть перейти в епоху цифрового вимірювання сигналів. Але навіть такі рідкісні аналогові моделі поступово витісняються цифровими побратимами, тому що ситуація на ринку вимірювальних приладів аналогічна ринку персональних комп'ютерів, де вартість компонентів постійно знижується.
Практично будь-який аналоговий осцилограф повинен бути оснащений одним або декількома вертикальними каналами, горизонтальним каналом, часовою базою, схемою запуску (спусковою схемою), і, звичайно ж, ЕПТ модулем. Вертикальний канал повинен містити компенсований атенюатор, передпідсилювач, лінію затримки і вертикальний підсилювач, що призначений для посилення сигналу до потрібного рівня для ЕПТ модуля. Горизонтальний канал може використовуватися в двох різних режимах роботи: внутрішньому і зовнішньому. Обидва режими горизонтального каналу, за аналогією з вертикальним, працюють через горизонтальний підсилювач.
Часова база в основному складається з тригерів, інтегруючого підсилювача, а також схем для сумування інвертування.
Схема запуску складається з селектора фронту, тригера і схеми похідної дії. Селектор фронту призначений для перемикання між спадаючим і наростаючим фронтом. Схема тригера Шмітта, яка виводить сигнал прямокутної форми, синхронізується з іншими спусковими подіями. Управління рівнем запуску (спуску) проводиться за допомогою зміни перехідної напруги тригера Шмітта.
ЕПТ модулем прийнято називати спеціальну вакуумну трубку, що містить електронну гармату, набір горизонтальних і вертикальних відхиляючих пластин, кілька електронних лінз, а також дисплей, покритий всередині шарами флуоресцентного і фосфоресцентного покриття.
У більшості випадків смуга пропускання аналогових осцилографів обчислюється кількома сотнями мегагерц, а основним «обмежувачем» смуги є саме ЕПТ модуль. Такі прилади можуть використовуватися для відображення в реальному часі моментальних змін сигналів, тому що весь процес виведення сигналу на екран не проходить цифрову обробку. До аналогових осцилографів такі поняття, як буферизація, обробка вхідного сигналу та інші терміни, пов'язані з сучасним цифровими моделями, звичайно ж, не можуть бути застосовані. Сигнали, що подаються на вхід, постійно відображаються з невеликою затримкою, обумовленою безпосередньо компонентами електронних схем приладу.
Цифровий осцилограф
Зазвичай, цифрові осцилографи поділяють на три основні групи:
- запам’ятовуючий осцилограф (DSO), що використовує технологію вибірки в реальному часі;
- стробоскопічний осцилограф (DSaO), що використовує вибірку в еквівалентному масштабі часу;
- фосфорний осцилограф (DPO), що використовує останні напрацювання в технологіях вибірки і обробки сигналів.
Цифрові запам'ятовуючі осцилографи з'явилися завдяки технологічній еволюції гібридних аналого-цифрових перетворювачів (ADC), які відповідають за швидке і точне оцифровування високочастотних сигналів, а також завдяки розробкам у сфері запам'ятовуючих пристроїв, які в подібних приладах повинні зберігати дані настільки швидко, наскільки здійснюється вибірка, і компактних дисплейних модулів з низьким енергоспоживанням. По суті, запам'ятовуючі осцилографи використовують аналого-цифрові перетворювачі для представлення даних про сигнали в цифровому форматі.
Цифровим стробоскопічним осцилографом прийнято називати прилад, який для отримання зображення форми сигналу використовує впорядковану/випадкову вибірку миттєвих значень досліджуваного сигналу і здійснює його тимчасове перетворення. Принцип роботи подібного осцилографа базується на стробоскопічному ефекті, тому DSaO використовує вимірювання миттєвих значень повторюваних сигналів за допомогою коротких стробоскопічних імпульсів. Завдяки цьому принципу такі осцилографи забезпечують широку смугу пропускання і мають високу чутливість.
Цифрові фосфорні осцилографи - це найбільш розвинутий і високотехнологічний тип осцилографів, що існує на сьогоднішній день. DPO відображають сигнал в трьох площинах, що в деякій мірі можна порівняти з продуктивністю аналогового осцилографа: часовому, амплітудному і амплітудному в плині часу (інтенсивність). Такі осцилографи мають високу щільність вибірки, а також притаманну подібним приладам здатність захоплювати дані по інтенсивності досліджуваного сигналу. Дисплей DPO значно полегшує розпізнавання основної форми сигналу від його перехідних характеристик - картинка основного сигналу виглядає значно яскравіше.
Тенденції розвитку
Традиційно, виробництво сучасних цифрових осцилографів орієнтоване на розробку пристроїв з більш широкою смугою пропускання та на збільшення швидкодії. На сьогоднішні смуга пропускання осцилографів провідних виробників сягає 6-7 ГГц і навіть більше (у деяких осцилографів для розширеного аналізу сигналів).
З іншого боку, є тенденція до розробки портативних пристроїв. Ці пристрої не будуть мати характеристик лабораторних осцилографів, але є компактними, мобільними, та мають привабливу ціну. За розмірами та форм-фактором вони дуже нагадують сучасний мобільний телефон.
Розроблені також USB-осцилографи, які працюють в парі з персональним комп`ютером, та перетворюють його на вимірювальний пристрій. Керування відбувається з ПК, а сигнал має відображення на його екрані. Як правило, це невеликий та легкий пристрій. З його допомогою можна легко проводити обробку сигналу (яку насправді виконує ваш ПК). Перевагою є те, що сигнал можна легко зберегти, обробити, роздрукувати або переслати.
Насамкінець
Осцилограф - це неймовірно корисний у роботі інструмент і, напевно, одна з кращих інвестицій, яку ви можете зробити, займаючись ремонтом, налагодженням і тестуванням різної техніки. В асортименті нашого магазину представлений широкий вибір цифрових осцилографів, від бюджетних варіантів до високотехнологічних моделей. Якщо у вас виникли питання щодо вибору такого приладу, звертайтесь в нашу службу технічної підтримки, де вам обов'язково допоможуть.
