Осциллограф цифровой запоминающий ADS-4222

Часто возникает вопрос – что такое изолированные каналы (осциллографа) и зачем они нужны.

Немного теории. Большинство измерений прибора производится относительно общей «земли» прибора. В подавляющем большинстве случаев она соединена со средней точкой источника питания прибора, которая, в свою очередь, через кабель питания и электрическую розетку соединена с заземляющей шиной, используемой в помещении. Это позволяет свести до минимума уровень индустриальных помех, как получаемых прибором, так и производимыми элементами прибора (например, импульсным источником питания), что важно для соблюдения электромагнитной чистоты (совместимости) прибора.

Однако часто приходится проводить измерения с «плавающим потенциалом», т.е. когда земляные потенциалы измерительного прибора и объекта измерения отличаются друг от друга, т.е. не «выровнены по земле». Такая ситуация может возникнуть даже в пределах одного помещения, если электрические розетки подключены к разным щитам, не имеющих системы уравнивания потенциалов. В этом случае подключение прибора к измерительной цепи создает т.н. «петлю заземления», когда ток протекает между двумя разнесенными выводами «земли» осциллографа и измеряемого объекта.

Не менее важным поводом для использования приборов с изолированными каналами являются измерения высоких значений напряжения (тока), в этом случае развязка с «землей» обеспечивает безопасность проводимых работ.

Для решения подобных вопросов применяется три типичных метода – использование осциллографов с изолированными каналами, использование приборов с аккумуляторным питанием (и неподключенных в момент измерений к электрической сети) или использование специализированных дифференциальных пробников.

Конструктивно, изолированность измерительного тракта канала от общей «земли» может решаться по разному, но главное – измерительный тракт осциллографа не имеет гальванической связи с общей «землей» прибора.

Надо отметить, что говоря про изолированность каналов осциллографа, имеется ввиду не только гальваническая отвязка от сетей питания приборов, но и полная изоляция каналов между собой, что позволяет проводить одним прибором измерения в двух (или четырех) не связанных между собой схемах. В ряде случаев указывается значение предельного напряжения, до которого сохраняется изолированность каналов.

Часто, разъемы для подключения измерительных пробников таких приборов конструктивно исполнены таким образом, что все металлические токопроводящие элементы скрыты под пластмассовыми кожухами и крышками.

Многие производители выпускают осциллографы с изолированными каналами, например Актаком ADS- 4108, ADS-4132, ADS-4222, ADS-2029 и другие, компании ROHDE&SCHWARZ серии RTH-1002 и 1004 или осциллографы Tektronix серии TPS.

Портативный цифровой мультиметр, это, наверное, самый распространенный измерительный прибор, который, пожалуй, есть в каждой измерительной лаборатории, у каждого инженера и техника.

Идея совместить мультиметр и осциллограф выглядит очень логичной и востребованной. В ходе разработки, отладки и обслуживания электронных систем на одной и той же плате возникает необходимость как измерений напряжений, токов, сопротивления (мультиметр), так и наблюдения формы сигналов и ее динамики (осциллограф).

Нужен ли осциллограф со встроенным мультиметром? Ведь цифровой осциллограф сам способен выполнять некоторые функции мультиметра, а именно – измерять постоянное и переменное напряжение, измерять частоту сигнала. Если к осциллографу подключить токовые пробники, это расширит его возможности измерением постоянного и переменного тока…

Начнем с того, что аналого-цифровое преобразование у осциллографа – скоростное и, как правило, 8-разрядное. Т.е. точность одиночного измерения не превысит 0,4%. У современных прецизионных мультиметров используются медленные АЦП, но имеющие большую разрядность, что обеспечивает точность зачастую на порядок лучше. Так для прецизионного цифрового мультиметра АКТАКОМ АМ-1189 точность измерений постоянного напряжения составляет 0,02%, что в 20 раз лучше. С другой стороны потребность в высокой точности измерений возникает далеко не всегда, поэтому возможности измерения напряжения с помощью АЦП цифрового осциллографа небесполезна для комбинированных приборов.

Осциллограф не может измерить сопротивление, как это делает мультиметр. Ведь для этого необходимо в измерительную цепь подавать тестовый ток, который не могут вырабатывать входные каскады осциллографа (да они и не рассчитаны на подачу сигнала от внешнего источника тока).

По этой же причине осциллограф (в отличие от мультиметра) не может осуществлять прозвонку цепи, измерять емкость, индуктивность и тестировать диоды и транзисторы (обычный функционал для мультиметра).

Важным моментом является то, что обычно измерительные разъемы мультиметра гальванически развязаны от питающей сети (хотя бы в силу батарейного питания). Среди осциллографов такой возможностью обладают только дорогие приборы с гальванической развязкой входов или батарейным питанием.

Все это показывает, что осциллограф не полностью может заменить мультиметр, и комбинированные приборы, совмещающие в одном корпусе осциллограф и мультиметр, востребованы потребителями.

Наиболее удачно смотрится встраивание мультиметра в портативные осциллографы. Это объясняется потребностью пользователя такого прибора сэкономить место и снизить вес сумки, которую нужно брать на выезд, а также наличием в таких приборах батарейного питания и подходящим форм-фактором.

Обычное напряжение в бытовой однофазной сети, как известно, 220 вольт ±5%, т.е. в диапазоне от 209 до 231 вольт. Однако, это напряжение переменное, и это означает, что в каждый момент времени амплитуда значения напряжения отличается от амплитуды напряжения в следующий момент – представим себе синусоиду, в которой каждая соседняя точка графика имеет разную высоту над линией «0». Максимальное значение амплитуды в бытовой сети составляет 310 В. Но это максимальное значение, через четверть периода значение амплитуды будет равно «0». В этом случае необходимо знать некий средний уровень, при котором можно считать, что переменный ток проделывает такую же работу, какую бы проделал постоянный ток аналогичного напряжения. Определить эту величину можно, если значение максимальной амплитуды разделить на √2, т.е. 310 / √2 = 219,858 вольт. Это напряжение называют действующим или среднеквадратичным.

Таким образом, для того чтобы наблюдать синусоиду 220 В сетевого напряжения на экране, настройки осциллографа должны предусматривать отображение сигнала с максимальны амплитудным значением пик-пик не менее 620 вольт и применение соответствующего пробника (в большинстве случаев понадобится пробник с коэффициентом деления 1:100).

Внимание! Следует отметить, что в данном случае пользователь правильно использует батарейный прибор для измерения параметров напряжения сети. В любом случае, при проведении таких измерений необходимо соблюдать требования техники безопасности. Необходимо обеспечить защиту от плавающих потенциалов и гальваническую развязку измеряемой цепи и прибора. Наиболее правильно использовать дифференциальные пробники типа DP-40LV, которые также можно использовать не только с приборами с батарейным питанием, но и со стационарными приборами с питанием от сети переменного тока. Также возможно использование и обычных пробников с коэффициентом деления 1:100, например производства ROHDE&SCHWARZ RT-ZI10 или Fluke VPS420-R, которые имеют защищенные металлические (корпус разъема) части, препятствующие контакту оператора с токоведущими частями. В крайнем случае, соблюдая все меры осторожности, не допуская прикосновения к оголенным частям прибора и пробника, можно использовать пробник HP-9258 с открытым не изолированным корпусом разъема.

• Флэш-накопитель должен быть отформатирован в формате FAT32. На некоторых моделях осциллографов (и многих других приборов) иные форматы, например NTFS, могут не поддерживаться.
• Объем памяти флэш-накопителя не должен быть большим (рекомендуем до 8 ГБ)
• Не следует использовать слишком скоростные флэш-накопители, например USB 3.0 и т.п. (USB 2.0 тоже могут не поддерживаться)
• Используйте USB-накопители известных фирм. Мы рекомендуем Transcend и Kingston. Каждый накопитель - это устройство со своим набором команд, а USB порт прибора - это всегда ограничения!
• Используйте полноразмерные USB-накопители.
• Не следует сохранять данные на карту SD через USB-адаптер. Этот вариант может также не пройти.

Условия эксплуатации:

1. Питающее напряжение, температура хранения и эксплуатации см. в разделе "Технические характеристики".
2. Относительная влажность не более 80% при температуре 0…40 °С.
3. Атмосферное давление от 630 до 795 мм рт. ст.
4. В помещениях хранения и эксплуатации не должно быть пыли, паров кислот, щелочей, а также газов, вызывающих коррозию.
5. Эксплуатация прибора допускается только в зонах, защищённых от статического электричества и электромагнитного излучения.
6. После пребывания в предельных условиях (хранения, транспортировки) время выдержки прибора в нормальных (эксплуатационных) условиях не менее 2 часов.
7. Питание: сеть переменного тока напряжением (220 ± 20) В частотой (50 ± 2) Гц.
8. Не допускается закрывать вентиляционные отверстия. Минимальное расстояние 25 мм по сторонам.
9. Для чистки прибора снаружи используйте слегка смоченную тряпочку. Не пытайтесь чистить прибор внутри. Перед чисткой отключите прибор от сети и включайте только после полного высыхания.
10. При эксплуатации не допускаются следующие действия, приводящие к отказу от гарантийного обслуживания прибора:
    • Падение и воздействие вибрации на прибор.
    • Не допускается подача на входные разъемы прибора напряжения, превышающего максимально разрешенное значение.
    • Не допускается подача на входы осциллографа напряжения, гальванически связанного с сетью, без использования специально предназначенных для этого устройств, например, дифференциальных пробников.
    • Используйте подходящую защиту от превышения напряжения.
    • Применяйте пробники, специфицированные только для данного типа прибора.
    • Не допускается замыкать накоротко выходные или входные разъемы прибора.
    • Не допускается подача внешнего напряжения, превышающего допустимые значение на входные разъемы синхронизации.
    • Не допускается подача на вход синхронизации внешнего сигнала с неправильной полярностью.
    • Не допускается подключение к выходам прибора емкостной (без предварительной разрядки) или индуктивной нагрузки.
    • При подключении кабелей нельзя путать входные разъемы с выходными.
    • Разрешается использование предохранителей специфицируемых только для данного продукта.
    • Неудовлетворительная вентиляция приведет к перегреву и поломке измерительного прибора.
    • Используйте только специфицированные для данного прибора батареи.
    • Замена батареи питания производится только при отключенном приборе.
    • Не подвергайте батарею питания прибора воздействию высокой температуры, влажности или ударов.
    Это может привести к повреждению прибора и частичной или полной потере его работоспособности
    Неисправность предохранителя означает нарушение условий эксплуатации прибора.

На самом деле никакой проблемы нет.

Просто нужно учитывать, что вы работаете на цифровом осциллографе, который оцифровывает сигнал с различной частотой дискретизации в зависимости от выбранной горизонтальной развертки, а затем соединяет плавной линией (интерполирует) оцифрованные точки, восстанавливая реальную форму сигнала.

Для примера предположим, что вы измеряете сетевое напряжение частотой 50 Гц на развертке 10 мс/дел с частотой дискретизации 20 кГц (kSa/s).

Один период сигнала (20 мс), оцифрованный в этом режиме, 20Е-03(сек) * 20Е03(1/сек) = 400 точек. Этого вполне достаточно, чтобы корректно восстановить и интерполировать синусоиду частотой 50 Гц (т.е. периодом 20 мс).

Нормальное отображение при развертке 10 мс/дел:

Искажение формы того же сигнала на развертке 10 с/дел:

На втором экране развертка установлена в положение 10 с/дел, а частота дискретизации на такой развертке получилась 20 выборок в секунду (20 Sa/s). Т.е. на один период сигнала 20 мс пришлось: 20Е-03(сек) * 20(1/сек)=0,4 точки. Т.е. восстановить (интерполировать по точкам) синусоиду, имея меньше одной точки на период невозможно, поэтому вы получили мешанину (т.н. "aliasing" или ложные частоты), образованную биениями измеряемой частоты и частоты дискретизации.

Чтобы корректно устанавливать режим сбора данных цифрового осциллографа следует придерживаться простого правила: частота дискретизации должна быть по крайней мере в 5-10 раз выше частоты сигнала, тогда у вас не будет парадоксов, которые наблюдаются на втором экране.

Все это касается любого цифрового осциллографа, и никак не связано ни с его типом, ни с пробниками.

Да, такая возможность есть у USB осциллографов Актаком, например у модели АСК-3102.

Но надо понимать, что записанный файл будет иметь большие размеры. Одна запись - это два байта измерений (по 8 бит на канал) и 4 байта – метка времени. Если процессы относительно медленные, например, доли секунд, то при частоте дискретизации 50 квыб/сек получается 300 тысяч байт в секунду, или 18 МБ в минуту, или 1 ГБ в час, что соответствует 24 Гб в сутки.

Для обработки такого файла потребуется специальное программное обеспечение (например, MATLAB). Кроме того, для ACK-3102 есть SDK комплект, и пользователи могут сами создать себе специальное тестовое приложение, в виде обычной программы или в LabView.