Искусство запуска осциллографа

Зачем осциллографу нужен запуск?

В прошлом многим инженерам приходилось сидеть перед аналоговым осциллографом и смотреть на зеленую линию, беспорядочно извивающуюся и совершенно бесполезную. И хотя на современных цифровых осциллографах благодаря новейшим технологиям запуска такое наблюдается редко, эффекты типа «двоение» (рис. 1) по-прежнему случаются. В статье мы рассмотрим принципы работы системы запуска, а потом исследуем некоторые ее возможности.

Рис. 1. Двоение сигнала из-за большого шума и неправильной настройки запуска

Что такое запуск и как он работает?

В общем случае схема запуска сообщает осциллографу, когда нужно запускать развертку. При стандартном запуске по перепаду схема запуска представляет собой простой компаратор с заданным порогом. Когда входной сигнал пересекает установленный порог снизу вверх (или сверху вниз), осциллограф запускается и выводит на экран развертку. Этот порог часто называют уровнем запуска осциллографа. Для более сложных сигналов может понадобиться не только одно пороговое значение, но тогда схема запуска должна быть сложнее простого компаратора. Например, схема запуска по длительности перепада имеет два порога — нижний и верхний. Они определяют точки, по которым вычисляется длительность перепада (как показано на рис. 2).

Рис. 2. Запуск по длительности перепада с двумя пороговыми значениями (в левой части экрана)

Понимание принципа задания порогов — это лишь первый шаг на пути к осмыслению системы запуска осциллографа. Рассмотрим некоторые другие функции, которые помогут быстрее получить корректное отображение сигнала.

Автоматический и ждущий запуск

Как часто возникает сигнал, по которому нужно запустить развертку? В автоматическом режиме осциллограф ждет в течение определенного времени, а потом запускается даже при отсутствии события запуска. Автоматический режим может быть очень полезен при первом опробовании схемы или при обследовании платы, поскольку вы сразу наблюдаете сигнал и можете соответствующим образом настроить осциллограф. Но если событие запуска появляется реже, чем период ожидания осциллографа, то вы получите некую комбинацию ждущих и автоматических запусков. Во избежание такой ситуации нужно перевести запуск осциллографа в ждущий режим Normal. В этом режиме осциллограф бесконечно долго ждет появления события запуска и отображает развертку лишь тогда, когда оно происходит. Конечно, для этого нужно должным образом настроить осциллограф на захват и отображение интересующего сигнала (именно здесь и пригодится автоматический режим).

Способ подачи сигнала запуска

Известно, что сигнал на осциллограф можно подавать, используя связь по постоянному или по переменному току. Но то же самое относится и к сигналу запуска! Пользователь может подавать сигнал на осциллограф по постоянному току, а сигнал запуска — по переменному. В таком случае в тракт запуска включается фильтр верхних частот с частотой среза 10 Гц, который подавляет постоянную составляющую входного напряжения (данная частота среза используется в осциллографах Keysight InfiniiVision, в других осциллографах она может быть иной). Обратите внимание, что подобный режим подключения предусмотрен только для сигнала запуска, и пользователь по-прежнему сможет видеть на экране осциллографа постоянное напряжение. Режим подавления низких частот, Low Frequency Reject, исключает низкочастотный шум в тракте запуска. Это тоже фильтр верхних частот, но с частотой среза (по уровню –3 дБ) не 10 Гц, а 50 кГц. Связь по переменному току отсекает лишь постоянное смещение и сверхнизкочастотный шум, тогда как режим подавления низких частот ослабляет низкочастотные составляющие шума, например, от цепей питания и т. п.

Если нужно исключить шумы выше 50 кГц, то рекомендуется включить режим подавления высоких частот — High Frequency Reject. Здесь в тракт запуска включается фильтр нижних частот, который подавляет высокочастотный шум и повышает стабильность запуска.

Иногда нежелательный шум содержит частотные составляющие выше и ниже установленных частот среза, и пользователь может по-прежнему наблюдать двоение сигнала. В подобной ситуации рекомендуем проявить творческий подход и применить старый добрый режим подавления шума Noise Reject. Это очень полезный инструмент, который увеличивает гистерезис схемы запуска.

Влияние гистерезиса запуска

Для изучения гистерезиса вернемся к примеру запуска по перепаду. На самом деле компаратор в схеме запуска имеет некоторую зону гистерезиса, помогающую стабилизировать запуск. Вместо того чтобы установить один очень точный порог компаратора, осциллограф работает так, будто компаратор имеет два порога. Скажем, если осциллограф запускается по положительному перепаду с уровнем 1 В, то для осуществления запуска входной сигнал должен измениться от 0,9 до 1 В. Но осциллограф не должен запускаться, если сигнал упадет с 1,01 до 0,99 В и потом вернется к 1,01 В. Мы намеренно вносим некоторый гистерезис, чтобы отфильтровать нежелательные события запуска.

Если взглянуть на ситуацию по-другому, то можно сказать, что тут должен присутствовать именно перепад, а не просто небольшой провал напряжения. В общем случае гистерезис должен иметь привязку к вертикальной шкале осциллографа. В осциллографах Keysight InfiniiVision гистерезис равен 0,4 от вертикального деления шкалы. Таким образом, если цена деления составляет 1 В, то зона гистерезиса равна 0,4 В. А при чувствительности 10 В на деление гистерезис запуска будет равен 4 В. Это помогает получить устойчивый запуск без двоения сигнала.

Но иногда такой гистерезис оказывается недостаточным. Если инженер использует токовые клещи или работает в среде с очень большим уровнем шумов, рекомендуется прибегнуть к режиму подавления шума, который увеличивает гистерезис схемы запуска и помогает предотвратить нежелательные запуски. Однако следует учитывать, что для запуска понадобится больший размах сигнала (на экране).

Примечание. Для того чтобы увидеть влияние гистерезиса запуска, переведите осциллограф в режим запуска по положительному и отрицательному перепадам и обратите внимание, что перепады не точно совпадают с центром экрана. Они будут слегка смещены вправо, поскольку осциллограф вынужден настроить зону гистерезиса для положительного и отрицательного перепадов. Если настроить запуск только на один из перепадов, осциллограф сдвинет зону гистерезиса вверх или вниз от центральной точки экрана и вы не заметите этого эффекта.

Удержание запуска

Функция удержания запуска появилась еще в аналоговых осциллографах, и при некоторых обстоятельствах она может оказаться весьма полезной. Удержание запуска предпочтительно при изучении цифровых пакетов, но может применяться и с любыми другими периодическими сигналами. В сущности, удержание запуска изменяет время повторного взвода системы запуска осциллографа. В общем случае осциллограф пытается захватить данные как можно быстрее. После выполнения цикла захвата он взводит систему запуска и подготавливается к следующему событию запуска с максимальной скоростью, которую позволяет развить его схема (подробную информацию можно получить, выполнив поиск по фразе «Скорость обновления сигналов»). Но установка удержания заставляет осциллограф намеренно выдерживать паузу перед повторным взводом системы запуска. Зачем это надо? Возьмем для примера цифровой пакетный сигнал. Если пакет длинный, может получиться, что осциллограф взведет систему запуска прямо в середине пакета. А значит, сигнал на экране осциллографа начнет скакать то вправо, то влево, поскольку осциллограф будет запускаться по разным частям пакета (рис. 3).

Рис. 3. Цифровой пакетный сигнал с неправильной настройкой запуска

Но если установить удержание запуска чуть больше периода следования пакетов, то осциллограф всегда будет запускаться по первому перепаду пакета и сигнал останется стабильным (рис. 4). Функция удержания запуска полезна для любых повторяющихся сигналов, например импульсных сигналов локационного назначения или систем радиоэлектронной борьбы, но чаще всего она используется для сигналов цифровых шин и пакетных сигналов.

Рис. 4. Тот же сигнал, что и на рис. 3, но с правильной настройкой удержания запуска

Вход внешнего запуска

Кроме того, инженеры могут воспользоваться входом внешнего запуска для запуска осциллографа по сигналу внешнего источника. В роли такого источника может выступать другой измерительный прибор или сигнал отлаживаемого устройства — здесь пределы творчества не ограничены.

Заключение

Вооружившись этой информацией, вы решите многие проблемы запуска. Объединив описанные способности с расширенными функциями запуска осциллографа, можно добиться стабильного запуска по любому сигналу.