Осциллографы высокой точности Teledyne LeCroy HDO4000/6000:
автоизмерения, математика, опции и утилиты

Установка режима автоматических измерений

Сейчас современный осциллограф стал не только средством для просмотра осциллограмм различных процессов, но и мощной лабораторией для измерения их параметров в различных областях определения исследуемых сигналов: временной, логической и частотной. Теперь, приобретая осциллограф даже среднего класса, пользователь критично оценивает число автоматических измерений, их точность, удобство задания и использования [1].

Осциллографы высокой точности (четкости) имеют развитые средства измерений: от стандартных курсорных [2] до десятков автоматических измерений параметров различных сигналов и использующих их систем и устройств [3]. Особенно выделяются осциллографы серий HDO6000 и HDO6000‑MS, у которых число автоматических измерений достигло 56.

Для проведения автоматических измерений прежде всего нужен объект, то есть осциллограмма хотя бы одного канала, и вид измерений выбранного параметра PN (N — номер измерения от 1 до 8) из позиции «Измерения» главного меню (рис. 1). Если осциллограмма присутствует, то появится окно «Выбор измерения», в левой части которого расположен список видов измерений. В основной части окна открыта вкладка одной из позиций списка — «Все измерения». Если все виды измерений не помещаются в списке или вкладке, появляется слайдер для просмотра нужной части списка или панели.

Рис. 1. Вызов окна выбора измерений

Важным достоинством осциллографов HDO является возможность использования в качестве параметров для автоматических измерений не только данных осциллограмм того или иного канала, но и результатов других измерений, данных математических функций, параметров памяти и др. Если такие параметры используются, можно вызвать окно «Выбор источника» и дополнительное окно «Выбор измерений» параметров математики (рис. 2).

Рис. 2. Окна:
а) выбора источника;
б) математических операций с результатами автоматических измерений

Примеры автоматических измерений

На рис. 3 показан пример автоматических измерений синусоидального сигнала с частотой 1 МГц. Период здесь измеряется дважды — непосредственно и как обратная величина результата измерения частоты. Это дает практически идентичные значения. Каждое измерение имеет свой дескриптор PN с кратким наименованием измерения и его результатом. С помощью команды «Включить статистику» в позиции «Измерения» главного меню можно включить вывод статистики во всех дескрипторах.

Рис. 3. Пример автоматических измерений параметров синусоидального сигнала

Для каждого вида измерений есть свое окно для их выбора. На рис. 4 показаны эти окна с подборкой различных видов основных измерений. Некоторые измерения (например, амплитуды или час-тоты) могут встречаться неоднократно в различных окнах, поскольку окна включают весь набор измерения данного класса.

Рис. 4. Окна выбора основных видов измерений: собственных, по горизонтали, импульсных и по вертикали

Окна для выбора статистических измерений, горизонтальных и вертикальных гистограмм и измерений временной нестабильности (джиттера) приведены на рис. 5.

Рис. 5. Окна выбора статистических измерений, горизонтальных и вертикальных гистограмм и джиттера

Вывод гистограмм статистических измерений можно осуществлять различными способами. Например, можно построить гистограмму прямо в окне осциллограммы (рис. 6). Это сохраняет ее максимально возможный размер, который можно еще увеличить, закрыв панель установок гистограмм.

Рис. 6. Вывод гистограммы на фоне осциллограммы

А можно использовать для вывода гистограммы отдельное окно. Кроме того, миниатюрные гистограммы можно вывести в каждый дескриптор статистических вычислений, включив команду «Иконки вкл.» в позиции «Измерения» главного меню осциллографа (рис. 7).

Рис. 7. Отдельный вывод гистограммы и иконок гистограмм в дескрипторах

На рис. 8 показана осциллограмма импульса сложной формы — sin(x)/x и ее гистограмма для временной нестабильности. В дескрипторах показаны значения вычисленных параметров импульса (в том числе статистики) и гистограммы для всех параметров.

Рис. 8. Импульс sin(x)/x и результаты его измерений

Можно вывести одновременно две, три гистограммы и более в окне осциллограммы (рис. 9) для импульса sin(x)/x. Здесь также показаны иконки гистограмм в дескрипторах. Иконки «живые», то есть они повторяют динамику изменения основных гистограмм. Зачастую их вполне достаточно, чтобы судить о статистике исследуемого сигнала и убрать вывод больших гистограмм.

Рис. 9. Построение двойной гистограммы и иконок в дескрипторах

Можно значительно увеличить размеры осциллограмм, убрав панель задания измерений соответствующей командой (рис. 10). Можно также уменьшить размеры дескрипторов, отказавшись от вывода статистики — сняв галочку у команды «Статистика вкл.» в позиции «Измерения» главного меню осциллографа.

Рис. 10. Осциллограммы импульса Лоренца и его измерения

Математические операции

Математические операции — мощная возможность цифровой обработки осциллограмм. Она получила новое удобное воплощение в стиле организации автоматических измерений. Осциллографы класса HDO имеют десятки типов математических операций. На рис. 11 показаны окна основных из них.

Рис. 11. Окна основных математических операций

Окна содержат набор пиктограмм операций, рисунок которых дает наглядное естественное (математическое) представление о сути операций. Они могут производиться с одним параметром или операндом (сигналом выбранного канала, расширением или графиком функции и т. д.) или двумя операндами.

Наиболее простыми являются операции с одним параметром. Дескриптор выбранной функции имеет обозначение FN. Выбор операции сводится к выбору параметра и функции и указания их в панели установок. Однако нужно внимательно смотреть на описание функции, особенно если она имеет особенности, например не определена для отрицательных значений. Иначе возможны грубые ошибки в интерпретации результатов.

Операции с элементарными функциями

На рис. 12 показано применение логарифмической функции от формы сигнала к треугольному импульсу, поясняющее действие этой операции. Как отмечено в описании этой функции, она применима к абсолютному значению исходного сигнала, что позволило построить график и для отрицательных значений сигнала, для которых логарифм не определен.

Рис. 12. Логарифмирование формы треугольного импульса

Чтобы опробовать другую функцию с той же осциллограммой, часто нужно просто сменить имя функции. Например, если вместо логарифмирования необходимо получить график квадратного корня из осциллограммы треугольного импульса (рис. 13), то достаточно установить эту операцию. Обратите внимание, что и в этом случае квадратный корень из отрицательных значений сигнала не определен, поэтому функция вычисляется от абсолютного значения сигнала.

Рис. 13. Корень квадратный из треугольного импульса

Странным, на первый взгляд, является результат извлечения квадратного корня из меандра с двойной амплитудой 4 В: непонятны короткие отрицательные пики, как на отрицательном, так и на положительном фронтах. И тут все проясняется вычислением абсолютного значения меандра. На вершинах его положительного и отрицательного полупериодов значение меандра будет равно 2 В (квадратный корень из 4), но при переходах от одной полуволны к другой будет быстро падать до 0, что и отражает график под осциллограммой (рис. 14).

Рис. 14. Вычисление квадратного корня из меандра

Операции с функциями высшей математики

К функциям высшей математики относятся, в основном, дифференцирование и интегрирование. На рис. 15 показано применение функции дифференцирования на примере меандра с короткими, но конечными по длительности фронтами.

Рис. 15. Дифференцирование меандра

Другой пример — вычисление интеграла от меандра — показан на рис. 16. Здесь тоже нет ничего необычного: как и следовало ожидать, интеграл от меандра является треугольным импульсом.

Рис. 16. Интегрирование меандра

Функция быстрого преобразования Фурье (БПФ)

В окне «Частотный анализ» можно найти всего две функции: быстрого преобразования Фурье (БПФ) и построения спектрограмм (Spectrogram). Функция БПФ ничем не связана с опцией расширенного спектрального анализа Spectrum. Можно было бы считать ее классической реализацией БПФ в цифровых осциллографах, если бы не важное обстоятельство: функция реализует БПФ в комплексной форме, что роднит осциллографы HDO с векторными анализаторами спектра.

На рис. 17 показана реализация функции БПФ для классического примера спектрального анализа меандра в линейном масштабе. Отчетливо видно присутствие быстро убывающих нечетных гармоник. Их амплитуда падает по закону 1/n, где n — порядковый номер гармоники.

Рис. 17. Функция БПФ для меандра в линейном масштабе

Другой пример — спектральный анализ с помощью этой функции импульса sin(x)/x в логарифмическом масштабе (рис. 18). Здесь отчетливо виден довольно широкий участок спектра с постоянной амплитудой гармоник. При этом масштабе существенно увеличивается динамический диапазон спектрального анализа и появляется заметная шумовая дорожка у основания пиков спектра.

Рис. 18. Функция БПФ для импульса sin(x)/x в логарифмическом масштабе

Примеры применения функции БПФ для получения действительной (реальной) и мнимой составляющих спектра, а также его фазо-частотной характеристики даны на рис. 19 для треугольного сигнала (рис. 20). Здесь функция применена трижды с различными установками, и результаты ее действия вместе с исходной осциллограммой размещены на одном экране.

Рис. 19. Тройное применение функции БПФ для получения реальной и мнимой частей спектра и фазочастотной характеристики треугольного импульса

Рис. 20. Построение спектрограммы треугольного импульса

Функция Spectrоgram позволяет строить спектры, развернутые по времени — по вертикальной оси (спектрограммы). При этом интенсивность гармоник задается яркостью. Более мощная возможность построения цветных двумерных и даже трехмерных спектрограмм имеется в опции Spectrum, которая будет описана в следующей статье.

Математические операции с двумя сигналами

Возможны математические операции и с двумя сигналами от каналов, расширений, других функций и т. д. На рис. 21 показана операция суммирования синусоиды и меандра с одинаковой частотой и амплитудой. Результат действия функции вполне очевиден.

Рис. 21. Сумма синусоиды и меандра

Действие функции вычисления разности синусоиды и меандра представлено на рис. 22. Эта функция моделирует работу дифференциального входа, поскольку реагирует на разность двух сигналов.

Рис. 22. Разность синусоиды и меандра

Умножение треугольного сигнала на высокочастотный меандр приведено на рис. 23. В данном случае можно рассматривать эту функцию как амплитудную модуляцию меандра треугольным сигналом. Обратите внимание, что оба сигнала двуполярные.

Рис. 23. Умножение треугольного сигнала на высокочастотный меандр

Специальные математические операции

Имеются также функции для множества специальных операций (рис. 24). Многие из них недоступны, так как предполагают наличие опций, которые в штатном варианте поставок осциллографов не предусмотрены. Такие опции расширяют возможности осциллографов, но их нужно приобретать отдельно и за дополнительную плату.

Рис. 24. Окна выбора специальных математических операций

На рис. 25 показано действие одной из логических функций. Следует учитывать, что эти функции работают с цифровыми (логическими) сигналами, то есть только на осциллографах HDO4000‑MS/6000‑MS.

Рис. 25. Пример работы с логической функцией

Действие функции создания цифровых фильтров приведено на рис. 26. Как видно на панели установок, создан стандартный фильтр IIR (НЧ) Баттервота 3‑го порядка с частотой среза 10 кГц. Его переходная характеристика не монотонна и создает выбросы на фронтах выходного сигнала фильтра.

Рис. 26. Действие функции создания НЧ-фильтра

Функции графики и статистики представлены в окнах, показанных на рис. 27. Они имеются и в ранее описанных окнах.

Рис. 27. Математические функции графики и статистики

В заключение стоит отметить команду «Состояние математики» в позиции «Математика» главного меню осциллографа. Она выводит панель состояния всех средств математики с рядом вкладок. На рис. 28 показана эта панель с открытой вкладкой «Каналы». Она дает информацию о состоянии каналов вертикального отклонения осциллографа. (В данный момент все аналоговые каналы включены, причем на каналы 1 и 2 поданы сигналы.) Рекомендуется просмотреть содержимое и других вкладок.

Рис. 28. Состояние функций математики

Опции анализа и утилиты

В позиции «Анализ» главного меню осциллографа воедино собраны опции анализа сигналов. Поскольку они, в основном, повторяют возможности автоматических измерений и математики, ограничимся примером работы с опцией анализа джиттера, окно которой представлено на рис. 29.

Рис. 29. Пример работы с опцией анализа джиттера

Опция имеет развитый интерфейс пользователя и позволяет отображать и анализировать нестабильность сигналов, выводить гистограммы статистических измерений джиттера, задавать его автоматические измерения и т. д.

Из позиции «Утилиты» (рис. 30а) осуществляется доступ к утилитам осциллографа и их панелям установки. Панель содержит ряд вкладок, например есть вкладка «Принтеры» для определения и установки печатающего устройства, выбора формата файла и места, куда он должен быть направлен.

Рис. 30. Панель утилит с открытыми вкладками
«Принтеры» (а);
«Опции» (б);
«Статус» (в) и данными осциллографа

На вкладке «Опции» (рис. 30б) имеются средства для установки поставляемых для этого дополнительных опций. При установке опции следует ввести ее ключ, который предоставляется фирмой, поставляющей осциллографы и аксессуары к ним.

Зайдя на вкладку «Статус» (рис. 30в), можно получить данные о применяемом осциллографе: его типе, серийном номере, установленных опциях, операционной системе, памяти (оперативной и дисковой), типе и скорости работы микропроцессора. Напоминаем, что этот осциллограф имеет открытую архитектуру и выполнен на базе встроенного мощного персонального компьютера на 4‑ядерном процессоре.

Работа с Windows

Поскольку осциллографы класса HDO имеют открытую архитектуру, доступ к операционной системе Windows 7 не запрещен для опытных пользователей. Начинающим лучше этого не делать, так как, несмотря на принятые меры по защите встроенного программного обеспечения, риск испортить его велик. При работе с Windows рекомендуется с помощью USB-портов подключить к компьютеру клавиатуру и мышь. При этом становятся возможными некоторые команды, которые нельзя выполнить в режиме осциллографа: например, снятие копий экрана без ограничений нажатием клавиши Print Screen (рис. 31).

Рис. 31. Копия экрана осциллографа при открытой позиции «Анализ» главного меню осциллографа

В позиции «Утилиты» главного меню осциллографа есть команда «Меню утилит». Она открывает меню утилит с описанными выше вкладками. На вкладке «Утилиты» есть кнопка-пиктограмма «Показ. раб. cтол Windows». Ее активизация ведет к переключению на показ рабочего стола Windows (рис. 32а). На нем открыта папка Computer.

Рис. 32. Рабочий стол Windows 7:
а) с окном папки Computer;
б) с окном управления программами контрольной панели

На жесткий диск встроенного ПК (он, кстати, твердотельный) можно установить различные внешние программы, например Microsoft Office, системы компьютерной математики Mathcad, MATLAB и др. Это дополнительно расширяет возможности осциллографа. На рис. 32б показан рабочий стол Windows 7 с открытым окном управления программами контрольной панели.

Заключение

Осциллографы высокой точности HDO4000/6000 имеют мощнейший аппарат для проведения автоматических измерений и математических операций над сигналами (осциллограммами). Это превращает осциллограф в мощнейшую универсальную лабораторию в одном приборе и расширяет его возможности в исследовании и тестировании различных систем и устройств. Нельзя не отметить очень удобный и естественный пользовательский интерфейс приборов и задание измерений и  математических операций с помощью иконок с наглядным изображением сути выполняемых, порою очень сложных, операций.