Осциллограф - измерения - помогите разобраться

[Gori]

Хотел бы получить квалифицированный совет по поводу процесса и результатов моих измерений формы цифрового сигнала. Имееются значительные базовые знания цифровой электроники но практически нулевой опыт.

Есть некое цифровое(?) устройство, для которого мне хотелось бы задокументировать форму сигнала. Есть дешевый китайский тестер.
Вначале все довольно ясно,

но когда начинаю менять масштаб оси времени, то выясняется, что, во-первых, импульсы идут пачками


, а потом, что эти "пачки" чередуются полярностью.

потом объединяются в бОльшие пачки:



И напоследок пачки как бы чередуются с одиночными сигналами не совсем прямоугольной формы (последние 4 фото имеют один и тот же масштаб времени)




Да и начальные импульсы строго говоря не совсем прямоугольные - верхняя часть имеет спад -- вначале было подозрение что это просто проблема с осциллографом, но потом вспомнил, что у него есть калибровочный сигнал, который не имел такой проблемы.

Так как я никогда не использовал осциллограф, то полагаю, что может, что не учитываю. По идее, этот прибор должен выдавать "модифицированный прямоугольный сигнал 100Гц и длительностью сигнала 2мсек". Но мне видятся некие несоответствия для разных масштабов времени:
почему для <= 10мсек все сигналы двуполярные а дла 20мсек чередуются полярностью?
почему для 20мсек пачки просто чередуются, а для 50мсек группируются в бОльшие пачки одной полярности?
почему ширина пачек для 0.2сек и для 0.5сек практически одинаковая?
похоже ли что для некоторых 0.5сек фото пачки действительно чередуются с одиночными импульсами более растянутыми?

Фактически на основании того что я вижу это не совсем цифровой сигнал, кроме того, видны множественные огрехи на разных фото. Либо
проблема с очень простым осциллографом, либо с процессом измерения, либо (ощущение, что) сам прибор очень простой и не обеспечивает
качественного сигнала.
Может, дело с несогласованностью полярности при разных задержках просто в том, что сигналы, организованные в пачки разной полярности, нельзя увидеть при большем разрешении времени из-за синхронизации осциллографа, установленной по уровню, но этот уровень одной полярности, так что осциллограф просто "пропускает" отрицательные пачки?

[perasperaadastra]

>"модифицированный прямоугольный сигнал 100Гц и длительностью сигнала 2мсек"

Очепятка? 2 миллисекунды это 500 Гц.

[Gori]

Думаю, они имеют в виду что это не меандр, то есть ширина импульса занимает меньше половины ширины периода. На третьем фото такое соотношение и наблюдается, а вот на первом -- нет. То есть 2мсек импульс на самом деле модулирован.

[DropAndDrag]

если цифровой сигнул ТТЛ уровня, то у вас что-то другое
почему сигнал неровный на пике не знаю. скажем на первой картинке могу предположить, что мощности источника не хватает и амплитуда падает.
когда вы умещаете больше сигнала по времени, то может быть не быть пиксела, чтобы нарисовать импульс (разница между 3 и 4).
почему есть двойная модуляция или даже больше - разбирайтесь с источником импульсов.
кстати, какое входное сопротивление вашего осцилоскопа? неплохо бы иметь в 10 раз выше чем нагрузка на которой меряете

[Сентябрь]

Осциллограф цифровой? ИМХО, начиная с четвертой картинки сказывается недостаточная частота дискретизации и вы видите совсем не то что есть на самом деле. Т.е. прибор фиксирует значение сигнала в одном отсчете, потом в другом - а между ними сигнал меняется. Еще и низкое разрешение экрана... Могут наблюдаться весьма причудливые артефакты.

Завал вершины коротких импульсов - дело обычное, добиться хорошей прямоугольности гораздо труднее.

[Gori]

кстати, какое входное сопротивление вашего осцилоскопа? неплохо бы иметь в 10 раз выше чем нагрузка на которой меряете

Упс. А нагрузки-то и нету. Вот подключил нагрузку, исправилась форма немного:

но на остальное это не повлияло

почему есть двойная модуляция или даже больше - разбирайтесь с источником импульсов.

Дело не в том "почему", а в том, правильно ли то, что я вижу? Задача задокументировать форму сигнала

[Gori]

Осциллограф цифровой?

Да

прибор фиксирует значение сигнала в одном отсчете, потом в другом - а между ними сигнал меняется.

На одном форуме прокомментировали, что это проблемы синхронизации, что, наверное, в принципе то же, о чем и Вы пишете? Это наверное, объясняет, почему с увеличением задержки появляются эти плохо согласующиеся между собой изменения полярности. Кроме того, когда я перехожу с 20мсек на 50мсек (фото с 4 на 5), с секунду пробегают одиночные маленькие группки, такие же, как на 4-й, а потом идут большие пачки, которые тоже движутся, но медленнее.
Написали, что хорошие осциллографы имеют ручки- "Стабильность" и "Уровень синхронизации", а на простеньком есть только уровень.

Завал вершины коротких импульсов - дело обычное, добиться хорошей прямоугольности гораздо труднее.

Я, честно, говоря, на это и надеялся.

Мне не совсем понятно, что осциллограф должен показывать когда я перехожу на режимы с еще меньшей частотой, например, 5сек/деление. Выходит, что после первой синхрнизации он должен отрисовать 5 * 12 секунд на всю ширину экрана? Туда попадает огромное количество импульсов. Это означает, что все импульсы дожны аппроксимироваться/сжаться. И какой-то (не говоря уже о достоверности) результат можно получить только если есть значительный перевес положительных или отрицательных импульсов на протяжении, занимающем по крайней мере пиксель/вертикальную линию? Кроме того, он не должен синихронизироваться опять, пока не отрисует один экран?

[Сентябрь]

прибор фиксирует значение сигнала в одном отсчете, потом в другом - а между ними сигнал меняется.

На одном форуме прокомментировали, что это проблемы синхронизации, что, наверное, в принципе то же, о чем и Вы пишете? Это наверное, объясняет, почему с увеличением задержки появляются эти плохо согласующиеся между собой изменения полярности. Кроме того, когда я перехожу с 20мсек на 50мсек (фото с 4 на 5), с секунду пробегают одиночные маленькие группки, такие же, как на 4-й, а потом идут большие пачки, которые тоже движутся, но медленнее.
Написали, что хорошие осциллографы имеют ручки- "Стабильность" и "Уровень синхронизации", а на простеньком есть только уровень.

Нет, проблема именно дискретизации. Например, ваш сигнал - меандр 0 - 1 и частота дискретизации точно равна частоте сигнала. Тогда каждый отсчет придется на одну и ту же фазу, скажем 1 - и на экране вы увидите постоянное напряжение равное 1. Придется на 0 - увидите прстоянный 0. Если частота дискретизации слегка отличается от частоты сигнала - будет меандр, но с частотой равной их разности. В этом отличие цифрового осциллографа от аналогового, где луч метнется вверх-вниз независимо от горизонтальной развертки. С изменением масштаба по времени меняется и частота дискретизации. Хорошие осциллографы имеют высокую частоту дискретизации ( sampling rate) и вдобавок могут записывать длинные осциллограммы 5 000 - 10 000 ( а то и 50 000) отсчетов.

Далее - проблемы экрана. У вас сколько пикселей по горизонтали - 680 ? при медленной развертке на один пиксель придется несколько импульсов и какое значение будет показано - ХЗ

[Сентябрь]

Мне не совсем понятно, что осциллограф должен показывать когда я перехожу на режимы с еще меньшей частотой, например, 5сек/деление. Выходит, что после первой синхрнизации он должен отрисовать 5 * 12 секунд на всю ширину экрана? Туда попадает огромное количество импульсов.

Да, именно так. В простейшем случае ( подозреваю что у вас так) в этот интервал времени 60 сек осциллограф сделает столько отсчетов сколько пикселей на экране по горизонтали. На какие моменты импульсной последовательности придутся эти отсчеты - то и будет показано. Т.е. для медленно меняющихся сигналов ОК, но для вашей последовательности коротких импульсов - ничего общего с действительностью.
У "хороших" осциллографов разрешение экрана тоже небольшое поэтому длинные осциллограммы показываются на нем либо с усреднением ( и соответственно неверно) либо по кусочкам. Либо переносятся на компьютер и детально рассматриваются там в какой-нибудь графопостроительной программе. Т.н. "фосфорные" осциллографы имитируют картинку с аналогового, т.е. размывают по вертикали.

[Gori]

Другими словами - первые три фото правильно показывают, что происходит. На четвертом фото, с уменьшением частоты развертки, ширина пикселя/вертикальной линии становится сопостовимой с шириной одного модулированного импульса. Так как прибор цифровой, ему нужно или "поймать" какое-нибудь значение или апроксимировать группу значений, а так как сигнал в общем симметричный, то трудно сказать, что он покажет. Все зависит от того, какую фазу читаемого сигнала осциллограф поймает в момент своего счета или какой алгоритм апроксимации. И тут действительно выходит, что можно получить весьма причудливый результат, какие-то совпадения частот или приближенные значения частот могут покывать пачки положительной или отрицательной полярности с плавным нарастанием или убыванием и т.п.

Вывод, который для меня в этой ситуации важен -- что первые три фото правильно показывают форму сигнала и это действтельно 100Гц с длительностью сигнала 2мсек, правда, модулированного.
Теоретически устройство могло бы быть еще сложнее, например, то, что мы видим, группируется в еще большие кластеры, с какими-то длинными паузами, тогда с моим осциллографом вряд ли удалось бы увидеть ту, большую картину.

Вообще, получается, что цифровым осциллографом, по крайней мере, этим, не стоит наблюдать сигналы используя (горизонтальное) разрешение меньше чем период измеряемого сигнала. И еще, выходит, что, если взять аналогичный прибор (или сделать подобный на основании первых трех фото), погрешность его частоты может оказаться такова, что результаты начиная с 4-го фото, могут очень сильно отличаться. Первые же три будут очень близки.

[Сентябрь]

Да, я бы описал картину именно так

[DropAndDrag]

- Вот подключил нагрузку, исправилась форма немного:
- Дело не в том "почему", а в том, правильно ли то, что я вижу? Задача задокументировать форму сигнала

- для частоты 100 Гц такие фронты на цифровых сигналах - это неправильно. впрочем вы не ответили, что же у вас за такой странный цифровой сигнал.
- осцилограф не показывает что вы правильно что-то видете или нет. осцилограф прибор, который подверждает, что ваша схема работает правильно, а вы прежде чем начинать проверять уже должны знать, что увидите.
хотите повозиться с оцилографом - подайти известный сигнал и покрути ручки осцилографа

[DropAndDrag]

Написали, что хорошие осциллографы имеют ручки- "Стабильность" и "Уровень синхронизации", а на простеньком есть только уровень.

фигню вам написали про аналоговые осцилографы 20-30 летней давности.
есть 3 режима. осцилограф показывает
- последние значения (величина буфера и/или экрана) и не использует никакую синхронизацию
- последние значения после того, как сигнал пересекает уровень синхронизации. осцилограф заполняет буфер (в это время неважно перескается уровень или нет до тех пор пока не заполнит) и после рисует на экране. дальше ждет новое пересечение и по кругу
- одиночное измерение. жмется кнопка и осцилограф заполняет буфер, рисует и ждет.

да, вам правильно сказали что импульс будет пропадать если период измерения осцилографа больше длины пульса.

по поводу модулированных сигналов - делать нечего приходится крутить разверту по горизонтали. скажем сигнал состоит из пачки 10 импульсов с частотой 1МГц и приходят они с переодинностью 1 миллисекунд. сначала делает развертку, чтобы постоянно захватывать 10 импульсов и проверяете что пачки приходят правильно. потом делает развертку чтобы видеть эти 1 мс пачки. раскручивает развертку, чтобы видеть 1 мс на весь экран - это 10 квадратиков обычно и в одном 100 микросек, а 10 1 МГц импульсов занимают 10 микросек - еще должны увидеть. а вот будет соотношение 1 к 100 - возможно и не увидите.

[Gori]

- осцилограф не показывает что вы правильно что-то видете или нет. осцилограф прибор, который подверждает, что ваша схема работает правильно, а вы прежде чем начинать проверять уже должны знать, что увидите.

Правильно -- имеется в виду "на экране ясно вижу то, что действительно происходит в проводе". Я имею в виду, что, если предполагаемая версия верна, то первые три графика действительно показывают, что по проводу течет. А вот то, что видно на остальных графиках, искажено, вследствие причин указанных выше. В определенной степени эти графики тоже верны, но они не дают четкого представления о сигнале, только отдельные "вырванные" точки, которые собираются в вводящие в заблуждение формы. Как если бы мы ехали в поезде в темноте и раз в минуту выхватывали фотовспышкой отдельные фрагменты дороги и пытались составить из них непрерывную картину.

Я не делаю никаких заявлений по поводу того, что схема должна делать или показывать, поэтому правильность с такой точки зрения не рассматриваю. Задача просто задокументировать выходной сигнал. Возможно, для создания подобного же прибора, но это уже выходит за рамки обсуждения.

[DropAndDrag]

- осцилограф не показывает что вы правильно что-то видете или нет. осцилограф прибор, который подверждает, что ваша схема работает правильно, а вы прежде чем начинать проверять уже должны знать, что увидите.

Правильно -- имеется в виду "на экране ясно вижу то, что действительно происходит в проводе". Я имею в виду, что, если предполагаемая версия верна, то первые три графика действительно показывают, что по проводу течет. А вот то, что видно на остальных графиках, искажено, вследствие причин указанных выше. В определенной степени эти графики тоже верны, но они не дают четкого представления о сигнале, только отдельные "вырванные" точки, которые собираются в вводящие в заблуждение формы. Как если бы мы ехали в поезде в темноте и раз в минуту выхватывали фотовспышкой отдельные фрагменты дороги и пытались составить из них непрерывную картину.

Я не делаю никаких заявлений по поводу того, что схема должна делать или показывать, поэтому правильность с такой точки зрения не рассматриваю. Задача просто задокументировать выходной сигнал. Возможно, для создания подобного же прибора, но это уже выходит за рамки обсуждения.

блин, еще раз - осцилограф инструмент для тестирования, а не для разработки
и потом спрашивайте конкретнее. скажем 2 картинки хотя бы с четким описанием как снимали на осцилографе, а лучше и какой сигнал должен быть. а не 10 картинок без четкого описания.
иногда действительно бывают приколы, что сходу и не понятно как такое может произойти.
да, осцилограф не показывает как течет ток. осцилограф показывает напряжение между 2-мя точками. а это бАльшая разница

[Gori]

по поводу модулированных сигналов - делать нечего приходится крутить разверту по горизонтали. скажем сигнал состоит из пачки 10 импульсов с частотой 1МГц и приходят они с переодинностью 1 миллисекунд. сначала делает развертку, чтобы постоянно захватывать 10 импульсов и проверяете что пачки приходят правильно. потом делает развертку чтобы видеть эти 1 мс пачки. раскручивает развертку, чтобы видеть 1 мс на весь экран - это 10 квадратиков обычно и в одном 100 микросек, а 10 1 МГц импульсов занимают 10 микросек - еще должны увидеть. а вот будет соотношение 1 к 100 - возможно и не увидите.

На мой взгляд, это совершенно справедливо для аналогового осциллографа. Но думаю, не всегда -- для цифрового.
Я практически не занимаюсь железом, поэтому удивительно, что в контексте этого обсуждения мне вдруг вспомнилась одна лекция по курсу электроники в институте. Смутно, но идея ясна. Электронная "лупа" в осциллографе. Измеряется периодический сигнал, "показания" снимаются точками с частотой, которая чуть меньше частоты измеряемого сигнала, и выводятся подряд. Получается, что рисуется измеряемый сигнал, только каждая из точек принадлежит соседним (а с еще меньшей частотой, и необязательно соседним) измеряемым полуволнам. Важно только чтобы частота была кратной и чуть-чуть меньше или больше. Чем больше кратность, тем более высокочастотный сигнал можно прочитать.
Тут, кажется, происходит нечто подобное. Возможно, на последних графиках полярность "пачки" приблизительно повторяет полярность модулирующего сигнала,

[Gori]

блин, еще раз - осцилограф инструмент для тестирования, а не для разработки

хотел попробовать out of box thinking и решить обратную задачу. ну даже не совсем обратную, а просто выяснить, что этот прибор выдает. если Вы считаете, что этого делать нельзя..., ... то не уверен, остановит ли меня это от этой в таком случае ошибки

и потом спрашивайте конкретнее. скажем 2 картинки хотя бы с четким описанием как снимали на осцилографе,

хорошо, но извините, если терминология может быть неточной. подключил выход прибора к осциллографу, настроил амплитуду, чтобы более менее нормально видно было, потом установил максимальную частоту развертки (не знаю, правильно ли это называется?), когда видна форма сигнала -- это фото 1. А потом на каждом следующем фото уменьшал частоту на одно деление. На каждом фото внизу виден размер деления по горизонтали. на первом фото это 0.2мсек, на втором - 0.5мсек и так далее. Кроме последних четырех фото, где одна и та же частота развертки 0.5сек

а лучше и какой сигнал должен быть.

я не могу сказать, какой сигнал должен быть, потому что пробую решать обратную задачу. вернее, есть информация, что там должен быть "модифицированный прямоугольный сигнал 100Гц и длительностью сигнала 2мсек". это я и стараюсь проверить, и считаю, что в определенной степени преуспел, так как выяснил, по крайней мере, что сигнал модулирован.

да, осцилограф не показывает как течет ток. осцилограф показывает напряжение между 2-мя точками. а это бАльшая разница

принято

[DropAndDrag]

по поводу модулированных сигналов - делать нечего приходится крутить разверту по горизонтали. скажем сигнал состоит из пачки 10 импульсов с частотой 1МГц и приходят они с переодинностью 1 миллисекунд. сначала делает развертку, чтобы постоянно захватывать 10 импульсов и проверяете что пачки приходят правильно. потом делает развертку чтобы видеть эти 1 мс пачки. раскручивает развертку, чтобы видеть 1 мс на весь экран - это 10 квадратиков обычно и в одном 100 микросек, а 10 1 МГц импульсов занимают 10 микросек - еще должны увидеть. а вот будет соотношение 1 к 100 - возможно и не увидите.

На мой взгляд, это совершенно справедливо для аналогового осциллографа. Но думаю, не всегда -- для цифрового.
Я практически не занимаюсь железом, поэтому удивительно, что в контексте этого обсуждения мне вдруг вспомнился одна лекция по курсу электроники в институте. Смутно, но идея ясна. Электронная "лупа" в осциллографе. Измеряется периодический сигнал, "показания" снимаются точками с частотой, которая чуть меньше частоты измеряемого сигнала, и выводятся подряд. Получается, что рисуется измеряемый сигнал, только каждая из точек принадлежит соседним (а с еще меньшей частотой, и необязательно соседним) измеряемым полуволнам. Тут, кажется, происходит нечто подобное. Возможно, на последних графиках полярность "пачки" приблизительно повторяет полярность модулирующего сигнала,

забудьте про аналоговый - это прошлый век.
цифровой определяется частотой измерения и глубиной буфера (вычислите время измерения), ну и отрисовкой на экране.
вот еще пример - чтобы измерить сигнал с частотой 1 ГГц, надо иметь как минимум 2 ГГц частоту измерения, но время измерения маленькое. кстати, если говорить про фронты, то тут еще сложнее - нужно сделать фурье преобразование, убрать частоты выше которых осцилограф не тянет, перевернуть во время и тогда получится фронт. реально же еще хуже, так как есть паразитные емкости.

[Nikifor]

Правильно понимаю, что в нижнем баре после 5V идет AC которая говорит о закрытом входе осциллографа?
Цифровые сигналы на открытом смотрят обычно.

[Gori]

Правильно понимаю, что в нижнем баре после 5V идет AC которая говорит о закрытом входе осциллографа?
Цифровые сигналы на открытом смотрят обычно.

Да. Попробовал DC, видимых изменений нет.

[Gori]

А с другой стороны спасибо за полезный совет на будущее

[Nikifor]

Попробовал DC, видимых изменений нет.

Странно. На выходе вашей цифровой схемы формируется двуполярный сигнал?
Обычно цифра - однополярная.
Если бы была схема, то можно было-бы сказать точнее - соответствуют картинки ожидаемому выходу или не совсем.

[Gori]

На самом деле я в самом начале поставил цифровой со знаком вопроса. Возможно, что основа все же цифровая а на выходе сигнал преобразуется в биполярный, в некое подобие SR232. К сожалению схемы нет. Выражение "ожидаемый выход" в данной ситуации не очень применимо, так как наоборот, выясняли, какой же выход на самом деле.

[Nikifor]

Тогда надо убедиться, что дешевый китайский тестер показывает одинаковые (или почти одинаковые) картинки, что и недешевый цифровой или аналоговый осциллоскоп. Взять где-либо на прокат/на время и притаранить на ваш экспериментальный полигон, либо наоборот, полигон притаранить в какую-нибудь учебную лабораторию.
Т.е. сначала надо получить уверенность в используемых инструментах.
(Думаю, для этих частот картинки отличаться не будут)
Убедившись в достоверности инструментария можно уже и документировать и интерпретировать.
А последние картинки вполне так нормальные - видна стартовая последовательность, видны пачки информационных импульсов, видна стоповая последовательность.

[Gori]

А последние картинки вполне так нормальные - видна стартовая последовательность, видны пачки информационных импульсов, видна стоповая последовательность.

ОБратите внимание на фото 3 и 4. Если 1, 2 и 3 находятся в полном согласовании, то на 4 вдруг "откуда ни возмись" появляются и чисто положительные пачки, и чисто отрицательные пачки, и комбинированные. Это первый, но мне кажется, очень значимый признак идеи о снятии и отрисовке моментальных значений, попадающих в некоторую фазу измеряемого сигнала, и это означает что с уменьшением частоты развертки надо готовиться к получению чего-то, мало соответствующего действительности.
А теперь информация, которая не видна на статических снимках, но наблюдается в реальности - фото 4 и 5. На первом горизонтальное разрешение 20мсек, на втором 50мсек, то есть 2.5 раза, а изменеие вида кардинальное. Что происходит в динамике, когда я перехожу с 20 на 50, это я вначале вижу почти такие же пики, как на 20, которые через четверть секунды начинают быстро проноситься по экрану, и вдруг превращаются в пачки/заборы, которые и попали на 5 фото и которые на экране мерцают и движутся. Предположительно, начиная с этого разрешения идет полная десинхронизация и, как обсуждалось, просто наблюдаются причудливые результаты, которые не отражают реальности.
Для уменьшения путаницы добавлю, что прибор предназначен для электротерапии, фото 1, 2 и 3 кажутся наиболее правдоподобными/соответствующими такой цели. Хотя полностью идею о еще большей сложности сигнала отметать не стоит.