Как выбрать осциллограф: критерии выбора, характеристики и популярные модели

В технической сфере для новичков в радиотехнике, а также специалистов методы и приборы для анализа и тестирования правильной эксплуатации собранных электрических схем играют крайне важную роль. Ими пользуются и любители, и сервисные центры по обслуживанию различных устройств и электронных систем, и производители радиотехники. Среди всех подобных приборов особенно отличается один – осциллограф, речь о котором и пойдет ниже.

Необходимо разобраться, что из себя представляет данное устройство, каковы его основные характеристики и режим работы, где зачастую применимы осциллографы и как выбрать необходимый вам из десятков различных моделей, разновидностей и типов.

Что такое осциллограф

Осциллограф – это электронный профессиональный измерительно-диагностический прибор. Он предназначен для измерения колебаний электрического сигнала, как его амплитудных, так и временных параметров. Если ранее применялись такие устройства, способные измерять частоту сигнала в мгц, то сегодня современные его модели могут вычислять и ггц-частоты. Он оснащен в первую очередь проводами-подсоединителями, которые фиксируются на анализируемом устройстве, микросхеме и вычисляет изменения в основных характеристиках его работы и возможные проблемы. Без такого прибора сложно дать объективную оценку работоспособности любого устройства – от калькулятора и до электросхем персонального компьютера, стиральной машины, смартфона и т.п.

Если анализировать, какими основными функциями снабжено данное измерительно-диагностическое устройство, то можно констатировать, что осциллограф в целом способен:

• Обнаружить временные параметры сигнального напряжения, вычислить его мощность;
• Определить с какой частотой следует сигнал внутри цепи;
• Проследить не сдвигается ли фаза на различных ее участках;
• Проанализировать все постоянные и переменные величины, свойственные сигналу;
• Обнаружить любые отклонения и искажения в цепи, определить точное место данной проблемы;
• Определить насколько высок шум сигнала и не мешает ли это его нормальному прохождению;
• Выяснить стационарный это шум или нет, измерить его время, определить вид.

Специалист-электронщик по характеру данных показателей сигнала, измеренных осциллографом, может определить есть ли недостатки в функционировании электрической цепи. Зачастую самым используемым методом замера показателей является изучение данных, взятых на входе и на выходе из устройства. По их разнице и происходит считывание эксплуатационных возможностей схемы.

Основные характеристики осцилографа

Прибор работает следующим образом: в него вставляется специальный металлический щуп, который после этого подключается к электрическому устройству, вернее к его входу, или же к микросхеме, схеме. Так можно проверить, есть ли в сети питания напряжение. Если электрический ток присутствует в схеме или приборе, то осциллограф непременно его покажет – он пройдет по металлическому щупу. Он пройдет в само устройство, где этот показатель будет проанализирован. Ток анализируется по нескольким основным показателям, среди которых в частности:

• Сила напряжения, его характеристика: постоянное или переменное значение;
• Тактовую частоту устройства;
• Уровень издания шума и т.п.

Все эти параметры переводятся измерительно-диагностическим прибором на экран, где уже и выдаются все эти результаты в цифровой или аналоговой форме.

Если ток по каким-то причинам в схеме, электронном оборудовании или инструменте отсутствует, то есть щуп его не проводит, то на экране это отобразится обычной ровной линией, наподобие отсутствия пульса на кардиомониторе. А если есть, допустим напряжение в его постоянной форме, то это отобразится в виде линии, которая движется или вверх, или вниз. Проблемный участок в электрической цепи также под силу определить опытному мастеру и даже новичку благодаря осциллографу - колебания напряжения будут свидетельствовать обо всех изменениях, которые происходят внутри схемы. Прибор отобразит их в определенной форме и выдаст все параметры на свой монитор.

По разновидностям различают пять основных типов данных устройств для работы электронщика над сборкой, ремонтом, обследованием или сервисным обслуживанием любого электронного прибора. К ним относятся такие как:

• Аналоговые;
• Цифровые с функцией запоминания;
• Люминоформные цифровые;
• Стробоскопические (мерцающие) цифровые;
• Компактные (портативные);
• Комбинированные.

Аналоговые – самые привычные устройства классического типа. Их одновременно достоинство и существенный недостаток в том, что они измеряют только величины в среднем диапазоне, т.е. их диапазон несколько ограничен. 10 герц – их основной предел частоты в нижнем пороге. Однако они наилучшим образом демонстрируют и измеряют исследуемый сигнал, с самой большой точностью и без серьезных искажений. Но пользоваться ими достаточно проблематично. Но, несмотря на все недостатки, их довольно широко реализуют и применяют до сих пор, ввиду относительно других разновидностей невысокой цены, что особенно часто можно встретить у радиоэлектронщиков-новичков и тех, кто только пытается научиться этому непростому делу.

Аналоговый осциллограф состоит из нескольких основных частей. Помимо блока питания устройства в него входит лучевая трубка, разделить входящего сигнала, а также узел для синхронизации и отклонения плоскости по горизонтали.

Цифровые запоминающие – можно назвать одними из лучших и наиболее распространенных среди всех измерительно-диагностических приборов данного типа. Их главное преимущество – широкие возможности для анализа входящих данных тока, исследовать и измерять схемы и электроинструмент проще и легче. Однако стоимость таких моделей намного выше аналоговых. На них можно настроить параметры анализа и дать команду записать и сохранить данные в цифровом формате. Он это выполнит, как только стабилизируются все назначенные параметры. Сигналы стабильно отображаются на мониторе, их спектр исследования выше, устойчивее. Есть возможность после анализа весь полученный результат откорректировать, изменив масштаб зоны исследования и обозначить на ней значки-метки.

Такой осциллограф состоит в основном из разделителя входящего сигнала, нормализатора усиления, АЦП-трансформатора, устройства памяти, слота для ввода и вывода данных.

Люминофорные приборы – наименее бюджетны, поскольку работают на цифровом люминофоре, которые способны к имитации изменения силы и интенсивности данных при их выводе. Благодаря люминофору процесс диагностики проблем и отклонений показателей намного упрощается, особенно в импульсных блоках. Все это дает такому прибору существенную фору перед другими измерительными устройствами данного типа.

Мерцающие стробоскопические – цифровые модели, в которых используется эффект последовательного мерцания или стробирования. Сигнал повторяется с высочайшей частотой, такой, что частота дискретизации осциллографа ее не превышает. За несколько определённых отрезков времени такой анализатор выбирает и исследует множество точек сигналов, по которым и составляется форма исходной волны. Частота эксплуатации стробоскопического прибора – свыше 50 герц. Большой выбор визуальных и электрических моделей для обнаружения проблем в схемах.

Портативный осциллограф – идеальное устройство для ремонта компьютеров, поскольку отличается компактностью и малыми габаритами. А главное – его легко и удобно можно переносить с одного места на другой, что значительно упрощает работу электронщика. Они затрачивают на оптимальное функционирование крайне малое количество электроэнергии, что также является бесспорным плюсом. Таким компактным портативным устройством очень эффективно измеряются микросхемы и другое компьютерное оборудование, смартфоны и прочие мелкие устройства.

Комбинированный логический анализатор может помимо основных функций, а именно - обнаружить временные параметры сигнального напряжения, вычислить его мощность, определить с какой частотой следует сигнал внутри цепи, проследить не сдвигается ли фаза на различных ее участках, проанализировать все постоянные и переменные величины, свойственные сигналу, обнаружить любые отклонения и искажения в цепи, собрать данные о приходящем сигнале, определить точное место данной проблемы, насколько высок шум сигнала и не мешает ли это его нормальному прохождению, выяснить стационарный это шум или нет, измерить его время, определить вид. Но и анализировать весь спектр, определить количество и диапазон гармоник, их уровень. Им свойственен и спектральный анализ.

Еще одним подвидом портативного осциллографа можно назвать usb осциллограф – прибор, присоединяемый непосредственно к персональному компьютеру для диагностики проблем, обнаружения неисправностей и анализа, т.е. виртуальный. Сам он не имеет ни экрана, ни каких-либо других органов управления, а является по сути просто боксом с данными без интерфейса. Однако, при подключении к ПК он на должном уровне может провести все измерения, выдавая информацию на компьютер или ноутбук. Работает со средним диапазоном частот, поэтому зачастую востребован у начинающих электронщиков, радиолюбителей и новичков. Не занимает много места на рабочем столе мастера.

Полоса пропускания осциллографа

По сути полоса пропускания – это термин для обозначения гранично допустимой погрешности в работе данного устройства. Это диапазон частот, в рамках которого сигнал не ослабевает хотя бы в пределах -3 децибела по отношению к наивысшей точке сигнала. Максимальная (опорная) частота по государственным стандартам, которые зачастую и закладываются заводом-производителем в качественный и сертифицированный товар данного типа, не должна быть выше 5% барьера частоты полосы пропускания.

Для большинства осциллографов, используемых не в лабораторных условиях или на промышленных объектах, за такую отправную граничную точку берется зачастую величина в 1 килогерц. При том данные устройства могут переключаться с переменного типа электрического тока на постоянный. В положении DC нижняя граница частоты полосы пропускания должна находится на нулевом уровне для работы с сигналами низкой частоты, вплоть до тех, кто имеет постоянную составляющую и на постоянном токе. В положении АС постоянная часть частот сигнала отрезается, чтобы качественно проследить за переменными. Стоит отметить, что большинство моделей оснащены ограничением полосы частот, что помогает выровнять баланс между шумом и сигналом для исследования регулярных сигналов.

Существует необходимая формула для удобства работы с устройством:

Fв(МГц) = 0,35 / tн (мксек)

Она определяет связь между временем, с которым сигнал прибора нарастает, и частотой полосы пропускания. Эта формула действует безукоризненно в случае, если временной барьер находится на уровне 10-90% от колебаний входящего сигнала на мониторе устройства.

Сфера применения осцилографов

Области производства и промышленности, в которых активно используются осциллографы настолько обширны, что затрагивают буквально все сферы, связанные с электроникой или схемами. Их можно встретить, используемые для контроля и анализа:

• Внутренних механизмов и узлов автомобиля;
• Для качественной передачи радио- и телевизионного сигналов и возможной наладки его;
• Ремонт телевизоров, телефонов, смартфонов, планшетов;
• В любом контрольно-измерительном участке на производстве, в сфере транспорта, на железной дороге;
• В кабельных студиях,
• Для замера и контроля сигнала спутника, интернет-связи, модемов,
• Для проверки работоспособности собранной микросхемы;
• В радиотехнике и электронике;
• При замерах глубоководных или космических сигналов для определения дальности или глубины;
• Для исследований произвольных фигур Лиссажу;
• Для наблюдения за курсорными изменениями;
• Для вычисления математических функций и т.п.

Какой выбрать осцилограф: обзор популярных моделей

Для того, чтобы ответить на вопрос какой осциллограф следует выбрать, сначала следует разобраться по каким основным критериям и характеристикам следует их выбирать. Главными характеристиками в этом процессе являются:

• Полоса пропускания;
• Тип питания;
• Частота дискретизации;
• Количество каналов;
• Цифровые интерфейсы.

Полоса не может быть ниже чем на пять пунктов от полосы сигнала, который предполагается измерять. Для непрофессиональных испытаний и анализа будет вполне достаточно моделей с диапазоном в 25 мегагерц. Профессиональны и научные изыскания в условиях высшего учебного заведения, лаборатории, производства могут потребовать, чтобы полоса пропускания была на уровне не меньше 150 мегагерц. Существуют и крайне высокоточные приборы для измерения полосы свыше 1 ггц.

По типу питания превалируют модели стационарные, с питанием непосредственно от сети. Однако часто бывает необходимо исследовать объекты вдали от розеток с 220 в, и тогда на помощь приходят портативные модели с аккумулятором. Правда, заряда на нем хватает не на долго. Хороший вариант для личного использования для контроля ПК или смартфона.

Частота осциллографа в плане дискретизации напрямую влияет на качество получаемой от сигнала картинки и количество сигнальных точек, приходящих в течение одной секунды на устройство. Частота – важный показатель для сигналов, которые быстротечны, однократны либо переменчивы.

Каждый канал напрямую влияет на количество сигналов, воспроизводимых на дисплее. Каналы обычно представлено:

• Два
• Три
• Четыре
• Шесть
• Восемь
• 16

С их помощью можно сводить на экране и анализировать сразу несколько графиков, видя пики и спады сигнала. Для минимальной точности при работе с сигналами от электроприборов необходимо хотя бы устройство с тремя каналами. Для анализа более совершенных систем и для получения высокоточного результата требуется устройство с логическим анализатором на восемь и 16 каналов.

Возможность работы с такими цифровыми интерфейсами:

• ПUSB,
• I2C,
• SPI,
• UART,
• CAN,
• LIN.

Чтобы выбрать лучший бюджетный осциллограф, стоит обратить внимание на популярные модели. В их числе, например:

• UNI-T UPO2102CS – двухканальный с частотой пропускания полосы в 100 мегагерц;
• OWON xDS3202E – с восьмидюймовым цветным дисплеем; 200 мегагерц полоса пропускания, два канала, а также возможность внешнего входа;
• Бюджетник USB-осциллограф INSTRUSTAR ISDS205B – с полосой пропускания в 20 мегагерц, двухканальный, регистратором и встроенным генератором.
• Осциллограф Siglent SDS1202X-E – с семидюймовым дисплеем, полосой пропускания в 200 мегагерц, восьмибитной разрядностью АЦП, памятью на 14 млн точек,
• Цифровой осциллограф Siglent SDS2204X 200 МГц, 2ГВ/с, 4 канала.

Последняя модель – это профессиональный прибор для высокоэффективного захвата любого, даже самого слабого сигнала. Каждый его канал способен захватить и запомнить до 70 млн точек и до до 500,000 осциллограмм/секунду. Спроектирован на базе новой разработки по технологии «суперфорфор», которая оснащена технологией программной аппаратной обработки поступающей информации. Имеет восьмидюймовый дисплей с количеством точек и матрицей 800*480 точек и внешний вход синхронизации. А также поддержку SCPI команд, четыре щупа и интерфейс на русском языке.