Павел Николаев,
главный метролог
nikolaev@pg-spb.ru
Со времени вступления человечества в эру электричества прошло больше двух веков. За минувшие десятилетия разработано огромное количество разнообразных электронных приборов. Но единственным устройством, позволяющим наблюдать форму электрического сигнала, записывать и оценивать его параметры, так и остался осциллограф.
История создания
Первый осциллограф появился на свет благодаря французскому физику Андре Блонделю. В 1893 году он сумел решить вопрос интегральной синхронизации, что позволило создать бифилярный осциллограф. Но нужно отметить, что самый первый прибор для наблюдения электрических сигналов разработал физик из Казани Роберт Андреевич Колли. Еще в 1885 году им был создан прототип светолучевых (шлейфовых) осциллографов — осциллометр.
В 1897 году немецкий ученый Карл Фердинанд Браун создал первый катодно-лучевой осциллограф для индикации электромагнитной волны.
В 1907 году еще один российский ученый, профессор Борис Львович Розинг предложил телевизионную систему с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) с видимым изображением, на экране которой он увидел форму электрического разряда молнии. Эта система и стала прообразом электронного осциллографа.
Наиболее значительные усовершенствования осциллографы получили после окончания Второй мировой войны.
Появление вычислительной техники, становление технологий расщепления атома и радиолокации стали основными двигателями в развитии осциллографии.
В 1946 году Говард Воллюм и Мелвин Джек Мердок изобрели так называемый осциллограф со ждущей разверткой, имевший полосу пропускания 10 МГц. Это окончательно превратило осциллограф в универсальный измерительный прибор, способный измерять большое количество электрических параметров.
Типизация
По логике работы осциллографы делятся на следующие категории: аналоговые (отображают сигнал в режиме реального времени), запоминающие (аналоговые и цифровые), стробирующие (используют для получения изображения формы сигнала упорядоченный (или случайный) отбор мгновенных значений исследуемого сигнала и осуществляют его временное преобразование). Основное их предназначение — отображение формы сигнала в прямоугольной системе координат, где по оси абсцисс находится время развертки, а по оси ординат — уровень (амплитуда) входного сигнала. Таким образом, получается, что главные характеристики осциллографов непосредственно связаны с измерением времени и уровня напряжения.
Насколько точно осциллограф измеряет эти и другие характеристики сигнала, подаваемого на его вход, проверяется в процессе поверки — комплексе операций, направленных на подтверждение точностных параметров, заявленных производителем.
«Цифровые осциллографы используют современный метод автоматических измерений, позволяющий исключить ошибку оператора»Поверка — по всем правилам
Основной характеристикой точности измерения является погрешность — отклонение измеренного значения того или иного параметра сигнала от действительного значения, поступающего на вход осциллографа.
Рассмотрим основные характеристики, поверяемые при проведении поверки осциллографа.
Погрешность коэффициента отклонения или связанная с ним погрешность измерения амплитуды напряжения.
В большинстве случаев у аналоговых осциллографов погрешность измерения напряжения составляет около 3–8%. Такие значения обусловлены тем, что измерения проводятся визуально по клеткам экранной сетки, в то время как цифровые осциллографы (их погрешность 1–3%) используют современный метод автоматических измерений, позволяющий исключить человеческий фактор (ошибку оператора).
В качестве примера на рис. 1 приведена осциллограмма измерения постоянного напряжения осциллографом Keysight DSOX6002A.
Рис. 1 Осциллограмма измерения постоянного напряжения осциллографом Keysight DSOX6002A
На вход осциллографа подается постоянное напряжение 150 мВ. Измеренное значение равно 149,62 мВ, погрешность измерения 0,38 мВ (при допустимой погрешности 3 мВ).
Погрешность коэффициента развертки или связанная с ней погрешность измерения временных интервалов.
У аналоговых осциллографов чаще всего погрешность коэффициента развертки составляет 3–10%, так как развертка формируется аналоговой схемой.
В этом случае отсутствует возможность с высокой точностью установить частоту генератора развертки.
В цифровых осциллографах точность установки коэффициента развертки может составлять 0,00005–0,01%, поскольку горизонтальная развертка формируется цифровым образом и непосредственно связана с точностью внутреннего опорного генератора частоты.
В качестве примера на рис. 2 приведено значение частоты внутреннего опорного генератора осциллографа Keysight DSOX6002A, измеренное частотомером CNT 90. Измеренное значение частоты равно 10,000004 МГц, погрешность составляет 0,4·10⁻6 при допустимом значении 0,5·10⁻6.
Рис. 2 Значение частоты внутреннего опорного генератора осциллографа Keysight DSOX6002A, измеренное частотомером CNT 90
«Для проверки характеристик осциллографов создан универсальный прибор — калибратор осциллографов Fluke 9500B»- Полоса пропускания или параметры переходной характеристики.
Полоса пропускания — диапазон частот, в пределах которого осциллограф обеспечивает прием сигнала без существенного искажения его формы.
Оценка этих параметров основана на анализе воспроизведения осциллографом сигнала с бесконечным спектром — прямоугольного импульса, с большой скважностью и малым временем нарастания.
По измерению времени, в течение которого импульс меняет свое значение от уровня 0,1 до уровня 0,9 (время нарастания импульса), по формуле (1) делается вывод о фактической полосе пропускания осциллографа:
В качестве примера на рис. 3 приведена осциллограмма измерения времени нарастания.
Рис. 3 Осциллограмма измерения времени нарастания испытательного импульса осциллографом Keysight MSOX2012A
На вход осциллографа Keysight MSOX2012A подается испытательный импульс с фронтом 300 пс. Измеренное значение времени нарастания — 2,6 нс, рассчитанное значение полосы пропускания — 134,6 МГц при заявленной полосе где — измеренное осциллографом пропускания 100 МГц.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). АЧХ показывает зависимость размаха осциллограммы синусоидального сигнала от его частоты.
Измерение АЧХ осциллографов выполняется подачей на вход синусоидального сигнала с генератора ряда частот с постоянной амплитудой. При этом измеряется амплитуда этого сигнала по осциллограмме и строится график АЧХ.
Верхняя частота среза осциллографа определяется как частота сигнала, на которой его измеренная амплитуда падает до уровня 0,7 (–3 дБ) относительно уровня сигнала на опорной частоте (обычно 1 кГц или 1 МГц, но не менее 1/20 полосы пропускания осциллографа).
На рис. 4 представлены АЧХ двух разных осциллографов с полосой пропускания 30 МГц. Для проверки как основных (вышеперечисленных), так и других характеристик осциллографов создан универсальный прибор — калибратор осциллографов Fluke 9500B, обладающий необходимым программным и аппаратным потенциалом, позволяющим как в ручном, так и в полностью автоматическом режиме (в сочетании с мощным программным пакетом Fluke MET/TEAM) проводить поверку осциллографов.
Рис. 4 Амплитудно-частотные характеристики двух разных осциллографов с полосой пропускания 30 МГц
Уникальная технология активных головок, применяемая в данном приборе, позволяет подавать испытательный сигнал нужной формы напрямую на вход осциллографов без дополнительных кабелей.
С учетом того, что каждое базовое устройство калибратора способно контролировать до пяти головок, подача, контроль и переключение всех сигналов, необходимых для поверки 4-канального осциллографа, могут осуществляться без вмешательства оператора и внешних переключений.
Помимо автоматизации процесса поверки, программа MET/TEAM позволяет документировать результаты поверки, вести учет средств измерений, а также разрабатывать новые процедуры калибровки осциллографов.
Необходимо отметить, что качество выпускаемой продукции гарантируется грамотным построением технологических процессов, качество которых в свою очередь полностью зависит от расположения этапов контроля и исправности средств контроля (средств измерения).
В настоящее время на государственном уровне организована деятельность по контролю применяющихся средств измерения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерения (Приказ Минпромторга России № 1815 от 02.07.2015). Это означает, что все производители обязаны документально подтверждать качество измерений, проводимых в технологических процессах.
В большинстве случаев как метод контроля используется процедура метрологической поверки.
Для справки
Благодаря наличию современного оборудования (в том числе калибратора Fluke 9500B), специализированного ПО и внедренного процесса автоматизации метрологическая служба компании «Диполь» гарантирует достоверность результатов измерений, высокую скорость, а также конкурентную стоимость выполнения поверочных и калибровочных работ.
Заказчикам предлагаются следующие варианты услуг по поверке и калибровке средств измерений: первичная, периодическая и внеочередная поверка — срок выполнения от двух (при срочном заказе) до 12 рабочих дней, стоимость 3500 рублей.
После проведения работ выдается свидетельство о поверке.
Рис. 5. Изображение свидетельства о поверке на цифровой осциллограф
По согласованию с заказчиком также предоставляется протокол поверки.
Рис. 6. Форма протокола автоматизированной поверки цифрового осциллографа
Если фактическая погрешность прибора превышает допустимую для него величину, прибор считается забракованным. В этом случае выдается извещение о непригодности с указанием причины.
Рис. 7. Извещение о непригодности к применению цифрового осциллографа
При этом заказчику предлагается возможность проведения ремонта в сервисном центре «Диполя» или калибровки осциллографа (по разработанной в лаборатории и согласованной с заказчиком методике), на основании которой владелец самостоятельно принимает решение о возможности использования данного средства измерения в своей деятельности.
Срок проведения калибровки зависит от сложности прибора, количества калибруемых параметров и составляет 7–20 рабочих дней.
На основании результатов калибровки клиенту предоставляется сертификат, неотъемлемой частью которого является протокол калибровки, где указаны действительные характеристики.
Рис. 8. Сертификат о калибровке цифрового осциллографа
