Спектральный анализ сигнала с использованием осциллографов LeCroy и специализированного режима aнализатора спектра

Введение

Осциллограф – это прибор, дающий визуальное отображение входного сигнала во временной области, то есть отображает значение амплитуды сигнала по оси времени. Но для широкого класса сигналов более чёткое представление о природе происходящих процессов даёт не временное, а спектральное представление сигнала, когда по горизонтальной оси отображаются амплитуды гармонических составляющих сигнала. К таким сигналам относятся частотные характеристики усилителей, фазовый шум генераторов, механические вибрации, переходные процессы и пр., которые легче наблюдать в частотной области. Все современные цифровые осциллографы имеют возможность математической обработки полученных данных по алгоритму быстрого преобразования Фурье (БПФ) для преобразования входного сигнала в его спектральное отображение. Принцип БПФ достаточно подробно рассмотрен в .

Но у отображения спектра сигнала с помощью БПФ есть ряд недостатков, несколько усложняющих спектральный анализ. Для корректного отображения спектра пользователю необходимо:

• Определиться какую максимальную частотную компоненту он желает увидеть в спектре.
• Согласно теоремы Котельникова, зафиксировать частоту дискретизации осциллографа в два раза больше максимальной частотной составляющей спектра (или по крайней мере самое близкое верхнее значение).
• Изменяя значение коэффициента развёртки в сторону увеличения установить максимально возможное значение длины памяти осциллографа, поскольку разрешение по частоте пропорционально используемой длине памяти цифрового осциллографа.
• Выбрать одно из окон, в зависимости от решаемой задачи – измерение частоты или измерение амплитуды.
• Используя режим растяжки выделить необходимый участок спектра и произвести измерения.

Эта последовательность действий достаточно длинная и требует определённых навыков. При переходе к анализу других частотных компонентов требуется новая настройка параметров. К тому же не все цифровые осциллографы способны в полной мере обеспечить установку параметров перечисленных выше. Достаточно простые цифровые осциллографы (Tektronix TDS-1000, TDS-2000, TDS-3000 серий; LeCroy серии WaveAce; GW Instek; Agilent 3000, 5000, 6000 серии и пр.) не имеют возможности, ни прямого управления частотой дискретизации, ни длиной памяти. Для этих осциллографов память имеет фиксированное значение, а частота дискретизации изменяется путём изменения коэффициента развёртки. Поэтому управление настройками параметров отображения спектра осуществляется измерением времени развёртки, что достаточно неудобно при исследовании спектра и не обеспечивает ни точной установки центральной частоты, ни разрешения по частоте. Так спектр ЧМ сигнала, полученный на осциллографе Tektronix приведён рисунке 1. Как видно осциллограф хорошо отображает одну частотную компоненту, расположенную вблизи несущей частоты, но спектральные составляющие отобразить уже не в состоянии.

Другие, более совершенные осциллографы (например Tektronix DPO4000 или LeCroy WaveJet и WaveSurfer), имеют возможность изменения длины памяти и как следствие возможность управления частотой дискретизации. Но принцип БПФ, для точного отображения спектра, подразумевает изначально установку частоты дискретизации и лишь потом изменение длины памяти. Для таких осциллографов точность отображения спектра гораздо выше и управление несколько удобнее, чем для осциллографов указанных выше, но всё равно достоверного отображения необходимых частотных компонент добиться не очень просто. Так спектр ЧМ сигнала полученный на осциллографе Tektronix DPO4000 приведён на рисунке 2. По сравнению с рисунком 1, спектра ЧМ сигнала на рисунке 2 выглядит более реалистично, но детальное изучение частотных компонент (приведены на рисунке 2 в нижней части экрана) всё же остаётся не очень удобным.

Осциллографы, построенные на принципе открытой платформы, полностью обеспечивают корректную реализацию алгоритма БПФ, хорошую детализацию спектра и высокое разрешение по частоте. Но из-за необходимости обработки больших объёмов памяти (десятки миллионов точек) построение одной спектрограммы, в зависимости от мощности управляющей ЭВМ и длины внутренней памяти, может занимать до минуты. Так на рисунке 3 приведён пример отображения спектра ЧМ сигнала, аналогично рисунку 2, но полученном на осциллографе LeCroy, имеющем открытую платформу.

С классическим управлением отображением спектра, как это производит стандартный анализатор спектра, цифровые осциллографы с режимом БПФ конкурировать не могут.
Классическое управление анализатором спектра подразумевает:

• Установку центральной частоты;
• Установку полосы обзора;
• Установку полосы пропускания;
• Установку опорного уровня;
• Выбор масштаба вертикальной шкалы.

Вместо установки центральной частоты и полосы обзора любой стандартный анализатор спектра имеет возможность установки начальной и конечной частот обзора.

Все эти недостатки управления спектральным анализом в цифровых осциллографах LeCroy были устранены с внедрением в осциллографы опции Анализатора спектра «Zi-Spectrum». При активации режима анализатора спектра открывается меню управления, представленное на рисунке 4.

Управление настройками анализатора спектра осуществляется группами органов управления, скомпонованными по функциональному назначению – частота и полоса обзора; полоса пропускания; амплитуда; режимы и измерения.

Установка центральной частоты, начальной частоты, конечной частоты, полосы обзора и полосы пропускания

Установка центральной частоты осуществляется прямым вводом значения частоты. Выбор полосы обзора так же осуществляется прямым набором. Также возможно ввести начальную и конечную частоты обзора. Как уже отмечалось ранее, для корректного отображения спектра, прежде всего, необходимо определить частоту дискретизации и далее в зависимости от разрешения по частоте анализатора спектра установить длину памяти осциллографа. Опция анализатора спектра эти процедуры производит автоматически, избавляя пользователя от необходимости заниматься расчётами – пользователь только задаёт диапазон частот, а осциллограф рассчитывает и устанавливает необходимую частоту дискретизации осциллографа и оптимальную длину памяти. Длина памяти осциллографа выбирается такой, что бы обеспечить заданное разрешение по частоте и обеспечить максимальную скорость обновления экрана. Удобно и просто. Очевидно, что пользователь может установить любую требуемую центральную частоты и полосу обзора, но осциллограф не может выбрать любую частоту дискретизации и любую длину памяти, а только и ряда доступных значений. Использование же только доступных значений частоты дискретизации и памяти привело бы к тому, что начальная и конечная частоты обзора анализатора спектра не совпадали с тем, что заданы пользователем. Для исключения этого парадокса, осциллограф LeCroy, исходя из доступных значений частоты дискретизации и длины памяти, автоматически производит масштабирование отображаемой части спектра, при котором из рассчитанного спектра вырезается «лишняя» часть и отображается только та, что была определена пользователем. «Излишки» спектра слева и справа, хоть и хранятся в памяти осциллографа, но на экран не выводятся.

Полоса пропускания анализатора спектра (Resolution Bandwidth), определяющая разрешение по частоте, по умолчанию, как и у стандартных анализаторов спектра, находится в автоматическом режиме. При увеличении полосы обзора, полоса пропускания увеличивается, что приводит к уменьшению длинны памяти осциллографа и увеличению скорости обновления экрана. При более детальном анализе спектра и использовании более узкой полосы пропускания осциллографу требуется более длинная память и большее время доля построения спектра. Аналогичные явления в полной мере присущи и стационарным анализаторам спектра, но вместо понятия «частота обновления экрана» они оперируют понятием «время свипирования», что, в принципе одно и тоже. Так на рисунке 5 приведён пример уменьшения полосы обзора ЧМ сигнала, полный спектр которого представлен на рис. 4., с целью определения частоты модулирующего колебания. Если для отображения полной спектральной картинки рис. 4 было вполне достаточно длины памяти 2.5М, что обеспечивало полосу обзора 500 кГц и полосу пропускания 357,6 Гц, то для полосы обзора 10 кГц и полосы пропускания 40,6 Гц, обеспечивающих наблюдение частоты модулирующего колебания 1 кГц, осциллограф уже использует длину памяти 32М. При необходимости пользователь может отказаться от автоматического выбора полосы пропускания и устанавливать её в ручном режиме.

Установка параметров амплитуды.

Управление параметрами амплитуды спектра осуществляется изменением двух параметров:

• Масштаба логарифмической шкалы. Масштаб можно выбрать из ряда 1-2-5 в пределах от 100 mdB до 100 dB.
• Смещение опорного уровня осуществляется в пределах от -200 dB до +200 dB.

Ввод значений осуществляется, как и для всех параметров осциллографов LeCroy, прямым набором или изменением плавно-грубо в сторону увеличения или уменьшения.

Измерения спектра

Для традиционного БПФ, используемого в цифровых осциллографах, в основном применяются маркерные измерения, управление которыми осуществляется вручную. Использование автоматических измерений, имеющих очень широкие возможности, именно для БПФ трудно применимо, поскольку для измерения параметров спектра необходим набор специальных режимов измерений – поиск пиковых значений в полосе обзора, измерение амплитуды и частоты пиков, установка значения центральной частоты по значению частоты маркера и пр. Этим набором измерений, к сожалению, стандартный цифровой осциллограф не обладает.

У осциллографов LeCroy в режиме «Спектр» этот недостаток, в основном устранён. Так на рисунке 6 приведён пример отображения спектра прямоугольного сигнала и включённой таблицы измерений.

Принцип измерений в режиме «Анализатор спектра» основан на алгоритме WaveScan, прекрасно зарекомендовавшем себя за несколько последних лет, для поиска участков сигнала по заданным параметрам . В режиме измерений анализатор спектра осуществляет поиски пиков в спектре, начиная с максимального и производит измерения частоты и амплитуды найденных пиков. Пику с наибольшей амплитудой присваивается номер «1», второму по значению уровню присваивается номер «2» и так далее. Пользователь может задать число поиска пиков от 1 до 100. Далее осциллограф LeCroy формирует таблицу измерений, в которой отображаются номера пиков, значение частоты и амплитуды. На самой спектрограмме пики имеют частотную метку. Измерения производятся в реальном масштабе времени и если в процессе наблюдения спектра будет происходить изменение частоты гармоник или их амплитуды, то данные в таблице измерений обновляются мгновенно.

Так же Анализатор спектра имеет один маркер, предназначенный для перезаписи центральной частоты по установленному значению этого маркера.

В режиме Анализатора спектра все другие измерения цифрового осциллографа недоступны, но для проведения амплитудно-частотных измерений в ручном режиме возможно использовать все функции курсорных измерений.

Математические функции со спектрограммами

Обычно спектр сигнала, особенно при широкой полосе обзора, имеет достаточно сильную шумовую дорожку и это хорошо видно на рисунке 6. Эти шумы могут подавить часть полезного сигнала, необходимого пользователю. Для устранения влияния шумов и других случайных факторов в режиме Анализатора спектра осциллографы LeCroy имеют две математические функции:

• Усреднение;
• Накопление максимальных значений.

Математическая функции усреднение имеет тоже алгоритм, что и стандартная функция усреднения осциллограмм в любом цифровом осциллографе. Результат усреднении спектрограмм приведён на рисунке 7, где отчётливо видно, что шумовая дорожка значительно уменьшена.

Алгоритм накопления максимальных значений позволяет регистрировать только самые максимальные значения за всё время накопления информации. Это позволяет достоверно отображать спектр нестабильных, но повторяющихся сигналов.

Вывод:

1. Специализированная опция анализатора спектра, используемая в осциллографах LeCroy серий WaveRunner «A», WavePro 7 Zi и WaveMester 8 Zi значительно облегчает спектральный анализ и даёт пользователю возможности измерений, недоступные по сравнению со стандартной функцией БПФ.
2. В настоящий момент аналогичные режимы измерений отсутствуют у других производителей цифровых осциллографов.

Литература:

1. Спектральный анализ (.htm class=l>.htm).
2. Поиск аномалий и анализ сигналов в осциллографах LeCroy с помощью функции WaveScan (.htm class=l>.htm).

У нас представлены товары лучших производителей

ПРИСТ предлагает оптимальные решения измерительных задач.

У нас вы можете не только купить осциллограф, источник питания, генератор сигналов, анализатор спектра, калибратор, мультиметр, токовые клещи, но и поверить средство измерения или откалибровать его. Мы имеем прямые контракты с крупнейшими мировыми производителями измерительного оборудования, благодаря этому можем подобрать то оборудование, которое решит Ваши задачи. Имея большой опыт, мы можем рекомендовать продукцию следующих торговых марок.

SoundCard Oszilloscope – программа превращающая компьютер в двухканальный осциллограф, двухканальный генератор низкой частоты и анализатор спектра

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Каждый радиолюбитель знает, что для создания более-менее сложных радиолюбительских устройств необходимо иметь в своем распоряжение не только мультиметр. Сегодня в наших магазинах можно купить практически любой прибор, но – есть одно “но” – стоимость приличного качества любого прибора не менее нескольких десятков тысяч наших рублей, и не секрет, что для большинства россиян это значительные деньги, а посему эти приборы недоступны вовсе, или радиолюбитель покупает приборы давно находящиеся в употреблении.
Сегодня на сайте , мы попробуем оснастить лабораторию радиолюбителя бесплатными виртуальными приборами – цифровой двухканальный осциллограф , двухканальный генератор звуковой частоты , анализатор спектра . Единственный недостаток этих приборов – все они работают только в полосе частот от 1 Гц до 20000 Гц. На сайте уже давалось описание похожей радиолюбительской программы: “ “ – программа превращающая домашний компьютер в осциллограф .
Сегодня я хочу предложить вашему вниманию очередную программу – “ SoundCard Oszilloscope “. Меня эта программа привлекла неплохими характеристиками, продуманным дизайном, простотой изучения и работы в ней. Данная программа на английском, русского перевода нет. Но я не считаю это недостатком. Во-первых – разобраться как работать в программе очень легко, вы сами это увидите, во-вторых – когда нибудь вы обзаведетесь хорошими приборами (а у них все обозначения на английском, хотя сами китайские) и сразу и легко освоитесь с ними.

Программа разработана C. Zeitnitz и является бесплатной, но только для частного использования. Лицензия на программу стоит около 1500 рублей, и есть еще так называемая “частная лицензия” – стоимостью около 400 рублей, но это скорее пожертвование автору на дальнейшее совершенствование программы. Мы, естественно, будем пользоваться бесплатной версией программы, которая отличается только тем, что при ее запуске каждый раз появляется окошко с предложением купить лицензию.

Скачать программу (последняя версия на декабрь 2012 года):

(28.1 MiB, 52,914 hits)

Для начала давайте разберемся с “понятиями”:
Осциллограф – прибор предназначенный для исследования, наблюдения, измерения амплитудных и временных интервалов.
Осциллографы классифицируются:
♦ по назначению и способу вывода информации:
– осциллографы с периодической разверткой для наблюдения сигналов на экране (на Западе их называют oscilloscop)
– осциллографы с непрерывной разверткой для регистрации кривой сигнала на фотоленте (на Западе называются oscillograph)
♦ по способу обработки входного сигнала:
– аналоговый
– цифровой

Программа работает в среде не ниже W2000 и включает в себя:
- двухканальный осциллограф с частотой пропускания (зависит от звуковой карты) не менее чем от 20 до 20000 Гц;
– двухканальный генератор сигналов (с аналогичной генерируемой частотой);
– анализатор спектра
– а также имеется возможность записи звукового сигнала для его последующего изучения

Каждая из этих программ имеет дополнительные возможности, которые мы рассмотрим в ходе их изучения.

Начнем мы с генератора сигналов (Signalgenerator):

Генератор сигналов, как я уже говорил, – двухканальный – Channel 1 и Channel 2.
Рассмотрим назначение его основных переключателей и окошек:
1 – кнопки включения генераторов;
2 – окно установки формы выходного сигнала:
sine – синусоидальный
triangle - треугольный
square - прямоугольный
sawtooth - пилообразный
white noise – белый шум
3 – регуляторы амплитуды выходного сигнала (максимальная – 1 вольт);
4 – регуляторы установки частоты (нужную частоту можно установить вручную в окошках под регуляторами). Хотя на регуляторах максимальная частота – 10 кГц, но в нижних окошках можно прописать любую допускаемую частоту (зависит от звуковой карты);
5 – окошки для выставления частоты вручную;
6 – включение режима “Sweep – генератор”. В этом режиме выходная частота генератора периодически изменяется от минимального значения установленного в окошках “5” до максимального значения установленного в окошках “Fend” в течение времени, установленного в окошках “Time”. Этот режим можно включить или для любого одного канала или сразу для двух каналов;
7 – окна для выставления конечной частоты и времени Sweep режима;
8 – программное подключение выхода канала генератора к первому или второму входному каналу осциллографа;
9 - установка разности фаз между сигналами с первого и второго каналов генератора.
10 - у становка скважности сигнала (действует только для прямоугольного сигнала).

Теперь давайте рассмотрим сам осциллограф:

1 – Amplitude - регулировка чувствительности канала вертикального отклонения
2 – Sync – позволяет (установив или сняв галочку) производить раздельную, или одновременную регулировку двух каналов по амплитуде сигналов
3, 4 – позволяет разнести сигналы по высоте экрана для их индивидуального наблюдения
5 – установка времени развертки (от 1 миллисекунды до 10 секунд, при этом в 1 секунде – 1000 миллисекунд)
6 – запуск/остановка работы осциллографа. При остановке на экране сохраняется текущее состояние сигналов, а также появляется копка Save (16 ) позволяющая сохранить текущее состояние на компьютере в виде 3-х файлов (текстовые данные исследуемого сигнала, черно-белое изображение и цветное изображение картинки с экрана осциллографа в момент остановки)
7 – Trigger – программное устройство, которое задерживает запуск развертки до тех пор, пока не будут выполнены некоторые условия и служит для получения стабильного изображения на экране осциллографа. Имеется 4 режима:
– включение/выключение . При выключенном триггере, изображение на экране будет выглядеть “бегущим” или даже “размазанным”.
– автоматический режим . Программа сама выбирает режим (нормальный или одиночный).
– нормальный режим . В этом режиме осуществляется непрерывная развертка исследуемого сигнала.
– одиночный режим . В этом режиме осуществляется одноразовая развертка сигнала (с промежутком времени, установленным регулятором Time).
8 – выбор активного канала
9 – Edge – тип запуска сигнала:
- rising – по фронту исследуемого сигнала
– falling – по спаду исследуемого сигнала
10 – Auto Set – автоматическая установка времени развертки, чувствительности канала вертикального отклонения Amplitude, а так-же изображение выгоняется в центр экрана.
11 - Channel Mode – определяет как будут выводится сигналы на экран осциллографа:
– single – раздельный вывод двух сигналов на экран
- СН1 + СН2 – вывод суммы двух сигналов
– СН1 – СН2 – вывод разницы двух сигналов
– СН1 * СН2 – вывод произведения двух сигналов
12 и 13 – выбор отображения на экране каналов (или любой из двух, или два сразу, рядом изображается величина Amplitude )
14 – вывод осциллограммы канала 1
15 – вывод осциллограммы канала 2
16 – уже проходили – запись сигнала на компьютер в режиме остановки осциллографа
17 – шкала времени (у нас регулятор Time стоит в положении 10 миллисекунд, поэтому шкала отображается от 0 до 10 миллисекунд)
18 – Status – показывает текущее состояние триггера а также позволяет выводить на экран следующие данные:
- HZ and Volts – вывод на экран текущей частоты напряжения исследуемого сигнала
– cursor – включение вертикальных и горизонтальных курсоров для измерения параметров исследуемого сигнала
– log to Fille – посекундная запись параметров исследуемого сигнала.

Производство измерений на осциллографе

Для начала давайте настроим генератор сигналов:

1. Включаем канал 1 и канал 2 (загораются зеленные треугольники)
2. Устанавливаем выходные сигналы – синусоидальный и прямоугольный
3. Устанавливаем амплитуду выходных сигналов равную 0,5 (генератор генерирует сигналы с максимальной амплитудой 1 вольт, и 0,5 будет означать амплитуду сигналов равную 0,5 вольта)
4. Устанавливаем частоты в 50 Герц
5. Переходим в режим осциллографа

Измерение амплитуды сигналов:

1. Кнопкой под надписью Measure выбираем режим HZ and Volts , ставим галочки у надписей Frequency и Voltage . При этом у нас сверху появляются текущие частоты для каждого из двух сигналов (почти 50 герц), амплитуда полного сигнала Vp-p и эффективное напряжение сигналов Veff .
2. Кнопкой под надписью Measure выбираем режим Cursors и ставим галочку у надписи Voltage . При этом у нас появляются две горизонтальные линии, а внизу надписи, показывающие амплитуду положительной и отрицательной составляющей сигнала (А ), а также общий размах амплитуды сигнала (dA ).
3. Выставляем горизонтальные линии в нужном нам положении относительно сигнала, на экране мы получим данные по их амплитуде:

Измерение временных интервалов:

Проделываем те-же операции, что и для измерения амплитуду сигналов, за исключением – в режиме Cursors галочку ставим у надписи Time . В результате вместо горизонтальных мы получим две вертикальные линии, а внизу будет высвечиваться временной интервал между двумя вертикальными линиями и текущая частота сигнала в этом временном интервале:

Определение частоты и амплитуды сигнала

В нашем случае специально высчитывать частоту и амплитуду сигнала нет необходимости – все отображается на экране осциллографа. Но если вам придется воспользоваться первый раз в жизни аналоговым осциллографом и вы не знаете как определить частоту и амплитуду сигнала мы в учебных целях рассмотрим и этот вопрос.

Установки генератора оставляем как и были, за исключением – амплитуду сигналов устанавливаем 1,0, а установки осциллографа выставляем как на картинке:

Регулятор амплитуды сигнала выставляем на 100 милливольт, регулятор времени развертки на 50 миллисекунд, и получаем картинку на экране как сверху.

Принцип определения амплитуды сигнала:
Регулятор Amplitude у нас стоит в положении 100 милливольт , а это означает, что цена деления сетки на экране осциллографа по вертикали составляет 100 милливольт. Считаем количество делений от нижней части сигнала до верхней (у нас получается 10 делений) и умножаем на цену одного деления – 10*100= 1000 милливольт= 1 вольт , что означает, что амплитуда сигнала у нас от верхней точки до нижней составляет 1 вольт. Точно так-же можно измерить амплитуду сигнала на любом участке осциллограммы.

Определение временных характеристик сигнала:
Регулятор Time у нас стоит в положении 50 миллисекунд . Количество делений шкалы осциллографа по горизонтали равно 10 (в данном случае у нас на экране помещается 10 делений), делим 50 на 10 и получаем 5, это значит что цена одного деления будет равна 5 миллисекундам. Выбираем нужный нам участок осциллограммы сигнала и считаем в какое количество делений он умещается (в нашем случаем – 4 деления). Умножаем цену 1 деления на количество делений 5*4=20 и определяем что период сигнала на исследуемом участке составляет 20 миллисекунд .

Определение частоты сигнала.
Частота исследуемого сигнала определяется по обычной формуле. Нам известно, что один период нашего сигнала равен 20 миллисекунд , остается узнать сколько периодов будет в одной секунде- 1 секунда/20 миллисекунд= 1000/20= 50 Герц.

Анализатор спектра

Анализатор спектра – прибор для наблюдения и измерения относительного распределения энергии электрических (электромагнитных) колебаний в полосе частот.
Низкочастотный анализатор спектра (как в нашем случае) предназначен для работы в диапазоне звуковых частот и используется, к примеру, для определения АЧХ различных устройств, при исследовании характеристик шума, настройки различной радиоаппаратуры. Конкретно, мы можем определить амплитудно-частотную характеристику собираемого усилителя звуковой частоты, настроить различные фильтры и т.д.
Ничего сложного в работе с анализатором спектра нет, ниже я приведу назначение основных его настроек, а вы сами, уже опытным путем легко разберетесь как с ним работать.

Вот так выглядит анализатор спектра в нашей программе:

Что здесь – что:

1. Вид отображения шкалы анализатора по вертикали
2. Выбор отображаемых каналов с генератора часто и вида отбражения
3. Рабочая часть анализатора
4. Кнопка записи текущего состояния осциллограммы при остановке
5. Режим увеличения рабочего поля
6. Переключение горизонтальной шкалы (шкалы частоты) из линейного в логарифмический вид
7. Текущая частота сигнала при работе генератора в свип-режиме
8. Текущая частота в позиции курсора
9. Указатель коэффициента гармоник сигнала
10. Установка фильтра для сигналов по частоте

Просмотр фигур Лиссажу

Фигуры Лиссажу – замкнутые траектории, прочерчиваемые точкой, совершающей одновременно два гармонических колебаниях в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Вид фигур зависит от соотношения между периодами (частотами), фазами и амплитудами обоих колебаний.

Если подать на входы «X » и «Y » осциллографа сигналы близких частот, то на экране можно увидеть фигуры Лиссажу. Этот метод широко используется для сравнения частот двух источников сигналов и для подстройки одного источника под частоту другого. Когда частоты близки, но не равны друг другу, фигура на экране вращается, причем период цикла вращения является величиной, обратной разности частот, например, период оборота равен 2 с - разница в частотах сигналов равна 0,5 Гц. При равенстве частот фигура застывает неподвижно, в любой фазе, однако на практике, за счет кратковременных нестабильностей сигналов, фигура на экране осциллографа обычно чуть-чуть подрагивает. Использовать для сравнения можно не только одинаковые частоты, но и находящиеся в кратном отношении, например, если образцовый источник может выдавать частоту только 5 МГц, а настраиваемый источник - 2,5 МГц.

Я не уверен, что эта функция программы вам пригодится, но если вдруг потребуется, то я думаю, что вам легко удастся разобраться в этой функции самостоятельно.

Функция записи звукового сигнала

Я уже говорил, что программа позволяет записать какой-либо звуковой сигнал на компьютере с целью его дальнейшего изучения. Функция записи сигнала не представляет сложностей и вы легко разберетесь как это делать:

Работа с осциллографом...

Всё начинается с измерительного щупа !

Провод щупа коаксиальный. Центральная жила щупа сигнальная, оплётка земля (минус или общий провод).

На некоторых щупах, особенно на современных осциллографах, внутри встроен делитель напряжения (1:10 или 1:100), который позволяет измерять широкий диапазон напряжений. Перед проведением измерений обращайте внимание на положение тумблера на щупе, во избежании ошибок измерения.

Щуп имеет встроенный компенсационный конденсатор. В полосе низких частот (ниже 300Гц) его влияния на усиление нет, но в полосе 3кГц - 100МГц очевидно существенное изменение усиления.

В осциллографах имеется внутренний генератор меандра, сигнал которого выведен на переднюю панель, на клемму «калибровка». Калибровочный сигнал предусмотрен специально для подстройки компенсационной емкости. Частота этого сигнала обычно равна 1кГц, при размахе в 1В. Щуп подключается к клемме «калибровка» и подстраивается для получения наиболее правильной формы сигнала.

Подключаем щуп к осциллографу...

Вход осциллографа может быть закрытым или открытым . Это позволяет подключать сигнал к усилителю Y либо напрямую, либо через разделительный конденсатор. Если вход открытый, то на усилитель Y будет подана и постоянная составляющая и переменная. Если закрытый только переменная.

Пример 1. Нам нужно посмотреть уровень пульсаций блока питания. Допустим, что напряжение блока питания 12 вольта. Величина пульсаций может быть не более 100 милливольт. На фоне 12 вольт пульсации будут совсем незаметны. В таком случае мы используем закрытый вход. Конденсатор отфильтровывает постоянное напряжение. На усилитель Y поступает только переменный сигнал. Теперь пульсации можно усилить и проанализировать!

Для масштабирования осциллограммы на экране служат ручки Усиление и Длительность .

Ручка Усиление масштабирует сигнал по оси Y. Она определяет цену деления одной клетки по вертикали в вольтах.

Ручка Длительность масштабирует сигнал по оси X. Она определяет цену деления одной клетки по горизонтали в секундах.

Пример 2. Основываясь на значениях которые указывают эти ручки и количество клеток занимаемых сигналом можно определить временные параметры сигнала в секундах и его амплитуду в вольтах. Основываясь на этих данных можно вычислить длительность импульса, паузы, периода и частоту сигнала.

В том случае, когда осциллограмма не помещается на экране и необходимо переместить её вертикально или горизонтально используются ручки вертикального и горизонтального перемещения .

Для удобного отображения циклично повторяющихся сигналов применяется синхронизация . Синхронизация обеспечивает прорисовку отдельных импульсов, начиная всегда с одной и той же точки экрана, благодаря чему создаётся эффект неподвижного изображения.

Режим развёртки определяет поведение осциллографа. Предполагается три режима: автоматический (AUTO), ждущий (Normal), и однократный (Single).

Автоматический режим позволяет получать изображения входного сигнала даже когда не происходит выполнения условий запуска. Осциллограф ожидает выполнения условий запуска в течении определённого периода времени и при отсутствии требуемого пускового сигнала производит автоматический запуск регистрации.

Ждущий режим позволяет осциллографу регистрировать форму сигналов только при выполнении условий запуска. При отсутствии выполнения этих условий осциллограф ждёт их появления, на экране сохраняется предыдущая осциллограмма, если она была зарегистрирована.

В режиме однократной регистрации после нажатия кнопки RUN/STOP осциллограф будет ожидать выполнения условий запуска. При их выполнении осциллограф произведёт однократную регистрацию и остановится.

Система запуска Trigger , определяет момент начала регистрации данных и отображения формы сигнала осциллографом. Если система запуска настроена правильно на экране будут чёткие осциллограммы.

Осциллограф поддерживает ряд видов запуска развёртки : запуск по фронту, запуск по срезу, запуск произвольным фронтом.

Уровень запуска – это значение напряжения, по достижении которого осциллограф начинает прорисовывать осциллограмму.

Работа с анализатором спектра...

Существует общая методика исследования сигналов, которая основана на разложении сигналов в ряд Фурье при помощи алгоритма быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье, Fast Fourier Transform (FFT ).

Данная методика основывается на том, что всегда можно подобрать ряд сигналов с такими амплитудами, частотами и начальными фазами, алгебраическая сумма которых в любой момент времени равняется величине исследуемого сигнала.

Благодаря этому стало возможным анализировать спектр сигналов в реальном времени.

Рассмотрим принцип работы типичного FFT-анализатора .

На его вход поступает исследуемый сигнал. Анализатор выбирает из сигнала последовательные интервалы («окна»), в которых будет вычисляться спектр, и производит FFT в каждом окне для получения амплитудного спектра.

Вычисленный спектр отображается в виде графика зависимости амплитуды от частоты.

Параметр FFT Length , длинна окна – число анализируемых отсчётов сигнала – имеет решающее значение для вида спектра. Чем больше FFT Length, тем плотнее сетка частот, по которым FFT раскладывает сигнал, и тем больше деталей по частоте видно на спектре.

Для достижения более высокого частотного разрешения приходится анализировать более длинные участки сигнала.

Когда нужно проанализировать быстрые изменения в сигнале, длину окна выбирают маленькой. В этом случае разрешение анализа по времени увеличивается, а по частоте – уменьшается. Таким образом, разрешение анализа по частоте обратно пропорционально разрешению по времени.

Один из простейших сигналов – синусоидальный. Как будет выглядеть его спектр на FFT-анализаторе? Оказывается, это зависит от его частоты. FFT раскладывает сигнал не по тем частотам, которые на самом деле присутствуют в сигнале, а по фиксированной равномерной сетке частот.

Если частота тона совпадает с одной из частот сетки FFT, то спектр будет выглядеть "идеально": единственный острый пик укажет на частоту и амплитуду тона.

Если же частота тона не совпадает ни с одной из частот сетки FFT, то FFT "соберёт" тон из имеющихся в сетке частот, скомбинированных с различными весами. График спектра при этом размывается по частоте. Такое размытие обычно нежелательно, так как оно может закрыть собой более слабые сигналы на соседних частотах.

Чтобы уменьшить эффект размытия спектра, сигнал перед вычислением FFT умножается на весовые окна – гладкие функции спадающие к краям интервала.

Они уменьшают размытие спектра за счёт некоторого ухудшения частотного разрешения.

Простейшее окно – прямоугольное : это константа 1, не меняющая сигнала. Оно эквивалентно отсутствию весового окна.

Одно из популярных окон – окно Хэмминга . Оно уменьшает уровень размытия спектра примерно на 40 дБ относительно главного пика.

Весовые окна различаются по двум основным параметрам: степени расширения главного пика и степени подавления размытия спектра ("боковых лепестков"). Чем сильнее мы хотим подавить боковые лепестки, тем шире будет основной пик. Прямоугольное окно меньше всего размывает верхушку пика, но имеет самые высокие боковые лепестки.

Окно Кайзера обладает параметром, который позволяет выбирать нужную степень подавления боковых лепестков.

Другой популярный выбор – окно Хана . Оно подавляет максимальный боковой лепесток слабее, чем окно Хэмминга , но зато остальные боковые лепестки быстрее спадают при удалении от главного пика.

Окно Блэкмана обладает более сильным подавлением боковых лепестков, чем окно Хана .

Для большинства задач не очень важно, какой именно вид весового окна использовать, главное, чтобы оно было. Популярный выбор – Хан или Блэкман . Использование весового окна уменьшает зависимость формы спектра от конкретной частоты сигнала и от её совпадения с сеткой частот FFT.

Чтобы компенсировать расширение пиков при применении весовых окон, можно использовать более длинные окна FFT: например, не 4096, а 8192 отсчета. Это улучшит разрешение анализа по частоте, но ухудшит по времени.

Работа с генератором сигналов...

Когда речь идёт об измерительной технике, то первое, что приходит в голову, это, как правило, осциллограф или логический анализатор (регистрирующие приборы ).

Однако эти приборы способны выполнять измерения лишь в том случае, если на них поступает сигнал.

Можно привести множество примеров, когда такой сигнал отсутствует, пока на исследуемое устройство не будет подан внешний сигнал.

Пример. Нужно измерить характеристики разрабатываемой схемы и убедиться, что она соответствует требованиям.

Поэтому набор приборов для измерения характеристик электронных схем должен включать в себя источники воздействующего сигнала и регистрирующие приборы.

Генератор сигналов представляет собой источник воздействующего сигнала.

В зависимости от конфигурации генератор может формировать аналоговые сигналы, цифровые последовательности, модулированные сигналы, преднамеренные искажения, шум и многое другое.

Генератор может создавать «идеальные» сигналы или добавлять к сигналу заданные искажения или ошибки нужной величины и типа.

Сигналы могут иметь всевозможные формы:

• синусоидальные сигналы;
• меандры и прямоугольные сигналы;
• треугольные сигналы и пилообразные;
• перепады и импульсные сигналы;
• сложные сигналы.

К сигналам сложной формы относятся:

• сигналы с аналоговой, цифровой, широтно-импульсной и квадратурной модуляцией;
• цифровые последовательности и кодированные цифровые сигналы;
• псевдослучайные потоки битов и слов.

Одной из разновидностей генераторов является генератор качающейся частоты. Это особый вид генератора сигналов, в котором частота выходного сигнала плавно изменяется в определенном интервале, а затем быстро возвращается к начальному значению. В это время амплитуда выходного сигнала остается постоянной.

Если в распоряжении радиолюбителя есть осциллограф, то пользуясь им совместно с генератором качающейся частоты можно легко проверить и настроить кварцевые, электромеханические и LC-фильтры, радиочастотный и ПЧ тракты приемника или передатчика, исследовать АЧХ радио- и телеаппаратуры в широком интервале частот.

Результаты сравнения технических характеристик и внутреннее устройство измерительного комплекса будут подробно описаны в следующем видео.

USB-осциллограф / анализатор спектра фирмы АКТАКОМ предназначен для визуального просмотра периодических сигналов, а также измерения их параметров. Может работать как осциллограф, частотомер и генератор. Миниатюрная модель 2-канального цифрового запоминающего USB осциллографа. Выполнена в виде приставки к ПК. Подключается через USB-порт. Оригинальный дизайн и отличные технические характеристики неизменно привлекают внимание специалистов.

Приложение обеспечивает обнаружение и составление списка доступных к работе виртуальных приборов, подключённых к компьютеру локально (по интерфейсу USB) или через сеть Ethernet/Internet; инициализацию и тестирование выбранного экземпляра USB осциллографа.

Приложение обеспечивает управление всеми параметрами, доступными для настройки этого типа аппаратуры (см. описание поддерживаемых приборов) и чтение данных покадровым (режим осциллографа) или непрерывным (режим самописца) способом. Собранные осциллограммы отображаются на основном и обзорном графиках, графики могут масштабироваться пользователем произвольно, стиль прорисовки графиков настраивается (точками, отрезками, сплайнами), для отображения доступны режимы персистенции и цифрового люминофора. Для ручных измерений по графику доступны два курсора и десять пользовательских меток, положения и интервалы для курсоров и меток отображаются в числовом виде в отдельном окне программы.

Поддерживается как режим цифрового осциллографа с последовательным сбором осциллограмм ограниченной длины, так и режим самописца с непрерывным сбором и отображением данных неограниченное время.

Приложение позволяет записывать данные осциллограмм в файлы в виде числовых данных или в виде картинки графика. Файлы с числовыми данными могут быть затем вновь загружены в приложение для просмотра и анализа.
Поддерживается также печать данных измерений, печать может быть направлена на принтер или в графический файл. Для обработки и автоматических измерений в приложение встроен модуль анализа.

Цифровая фильтрация (полиномиальный, накопительный и спектральный фильтры);
- цифровые преобразования сигнала (усиление/ослабление амплитуды, сжатие/растяжение шкалы времени, отражение по вертикали, реверс по горизонтали, добавление шума);
- различные математические функции от сигналов по каналам (сумма, разность, произведение, отношение, среднеквадратическое каналов, производная, интеграл канала, интеграл произведения каналов, корреляция каналов);
- аварийная сигнализация, следящая за выходом сигнала за установленные пределы амплитуды (доступна как в режиме самописца, так и в режиме осциллографа);
- функции вольтметра, частотомера, измерителя сдвига фаз и интегратора;
- автоматическое измерение параметров импульса (амплитуда, размах, выбросы, медиана, среднее, стандартная девиация, частота, период, длительность импульса, скважность, время нарастания, время спада);
- спектральный анализ (выбираемый участок осциллограммы, определение КНИ, параметров основной гармоники, курсорные измерения на спектрограмме, поддерживаются окна: прямоугольное, треугольное, Ханна, Хеминга, Блэкмена, Блэкмена- Харриса, Гаусса, конический косинус, плоское, экспоненциальное) и синтез сигналов;
- статистическая обработка результатов измерений (для выбранного параметра определяются среднее, минимум, максимум, стандартная девиация, строится гистограмма распределения вероятности, определяются асимметрия и эксцесс распределения, курсорные измерения по гистограмме);
- калькулятор формул;
- редактор для эмуляции сигналов.

Приложение позволяет пользователю вручную настроить цвета элементов графика и толщину линий осциллограмм или загрузить эти настройки из ранее сохранённых файлов цветовых схем. Размер, расположение и прозрачность всех окон приложения также могут настраиваться пользователем. Все настройки программы могут быть записаны в файл конфигурации и затем загружены.