Работа с цифровым осциллографом

Содержание

Цифровой осциллограф для начинающих. Часть I

Работа с цифровым осциллографом
Ставьте лайк и подписывайтесь на канал МП16! И вы всегда будете в курсе новых публикаций!Что такое осциллограф и для каких целей он нужен, ты можешь узнать из статей: Как пользоваться осциллографом и для чего он вообще нужен. Часть I и Как пользоваться осциллографом и для чего он вообще нужен.

Часть II

Если же тебе лень их читать, то скажу, что главная задача этого прибора в том, чтобы отобразить на экране изменение электрического сигнала с течением времени. Для этого на экране осциллографа размечена координатная система. Обычная декартова система, на которой имеются ось X и ось Y.

По оси X отмечается время, а по оси Y — напряжение.

Всякие управляющие ручки и кнопочки, которые расположены вокруг экрана прибора предназначены для того, чтобы можно было настраивать отображение сигнала: масштаб по Х, масштаб по Y, триггеры и курсоры. Таким образом можно как бы отдалить или приблизить сигнал, чтобы рассмотреть его по лучше.

Хочу также заметить, что современный осциллограф отличается от своих предшественников тем, что представляет собой компьютер, который собирает, преобразует, анализирует и манипулирует измеренными значениями сигнала, поданного на вход. Это современный вычислительный комплекс.

  • Измерении частоты и амплитуды сигнала, что может сильно помочь при отладке создаваемой тобой схемы.
  • Определении уровня шума в цепи
  • Визуальном контроле формы сигнала
  • Определение сдвига фаз между двумя сигналами
  • …и другие способы применения. Например, анализ работы датчиков автомобиля.

Осциллографы применяются при создании, наладке, ремонте различных электронных приборов:от сотовых телефонов, до эл. цепей автомобильных двигателей. От гражданских до военных. Они нужны везде.

В дополнение к описанным выше возможностям, многие современные приборы имеют дополнительные функции, с помощью которых можно быстро узнать частоту сигнала, его амплитуду и многие другие характеристики.

Некоторые приборы уже предоставляют возможность провести с сигналами в реальном времени различные математические преобразования или, например, быстрое преобразование фурье. В целом, осциллограф позволяет наблюдать на экране временные и физические характеристики сигнала.

Вот как выглядит такое меню функций у Siglent SDS 1202X-E (38 параметров!):

На мой взгляд, это очень удобно и полезно. Поэтому следует все таки обращать свое внимание на современный инструментарий. Благодаря хорошим измерительным приборам можно сильно сократить время поиска неисправности.

Особенно это касается осциллографа, который является единственными “глазами”, которые позволяют заглянуть внутрь происходящего в электронной цепи и оценить временные и физические характеристики сигналов в этой цепи.

→ Временные характеристики:

Частота и период, скважность и коэфф. заполнения (Duty cycle), время спада и нарастания сигнала.

→ Физические характеристики:

Амплитуда,  максимум и минимум сигнала, средне квадратичное, среднее значение напряжения и т.д.

Цифровые осциллографы, в отличие от аналоговых, не повторяют получаемый сигнал сразу на экран, а предварительно его преобразовывают в “цифровую” форму.

Для этого входной сигнал замеряется определённое число раз в секунду, затем прибор после некоторых преобразований этих данных реконструирует сигнал и отображает его на экране.

 Оцифровкавыполняется помощью блока аналогово-цифрового преобразования. 

Ключевые характеристики цифрового осциллографа

Еще 5-6 лет назад большинство радиолюбителей (а некоторые и по сей день) пользовались приборами, которые остались ещё от СССР. В свое время это были замечательные приборы со своими плюсами и минусами.

Но СССР уже нет более четверти века, а технологии продолжали развиваться, совершенствоваться и дешеветь.

Теперь у нас есть возможность пользоваться современными цифровыми приборами с превосходными характеристиками.

Для того, чтобы научиться пользоваться современным цифровым осциллографом требуется освоить небольшой, но специфичный набор понятий и принципов, на основе которых строится его работа. Это по силам каждому. Приступим.

→ Полоса пропускания

Осциллографы (Oscilloscope, O-Scope) не могут измерять абсолютно любые сигналы. Все приборы имеют ограничения, которые определяют сигналы какой минимальной и максимальной частоты или амплитуды с помощью этого прибора могут быть измерены.

А полоса пропускания — это как раз та характеристика прибора, которая говорит тебе какой диапазон частот может быть измерен этим прибором.

Говоря про полосу пропускания осциллографов обычно имеют ввиду верхнюю границу, так как нижняя граница — это сигнал постоянного тока и его умеют рисовать абсолютно все приборы.

К слову, на самом деле при реальных измерениях диапазон ещё уже, чем заявляет полоса пропускания. В современных цифровых приборах сигнал проходит оцифровку и обработку, прежде чем попадёт на экран прибора.

Существует определенная теоретическая база из-за которой производители советуют выбирать прибор таким образом, чтобы его полоса пропускания была в 3 раза больше, чем измеряемый синусоидальный сигнал в 4 или в 5 раз больше, если сигнал цифровой (т.е.

всякие разные формы и виды прямоугольных сигналов).

Нижняя и верхняя границы полосы пропускания — это частоты среза сигнала. Сигнал начиная с частоты среза начинает ослабляеться в два (или на 3Дб = log102) и больше раз с ростом частоты.

→ Количество каналов

Многие современные осциллографы могут анализировать сразу несколько сигналов, отображая их на экране одновременно. Обычно прибор содержит от двух до четырех каналов.

Тут важно знать как устроен конкретный осциллограф.

Дело в том, что часто каналы разделяют между собой какие-нибудь общие ресурсы, что в итоге сказывается на общей производительности прибора при использовании сразу нескольких каналов.

→ Частота дискретизации (Sampling rate)

Эта характеристика касается только цифровых осциллографов. Она определяет сколько раз в ед. времени осциллограф считывает измеряемый сигнал. Для приборов, имеющих более одного канала, частота дискретизации может уменьшиться, если одновременно используется несколько каналов.

Это зависит от конструкции конкретного прибора, но в большинстве случаев это работает так. В цифровых осциллографах частота дискретизации неразрывно связана с полосой пропускания. Например, у моего Siglent SDS 1202X-E этот параметр равен 1х109.

Чем выше этот параметр, тем лучше, так как осциллограф получает больше информации о сигнале.

Вообще, этот пункт довольно важен. Для того, чтобы понять почему это так следует хотя бы слегка разобраться в процессе аналогово-цифрового преобразования.

А значит пришло время достать из пыльного угла теории теорему Котельникова (теорема отсчетов), которую, на мой взгляд, довольно несправедливо иногда называют теоремой Шенона-Котельникова.

Котельников доказал её в 1933г, когда Шенону было всего 17, а Найквист так и не доказал этой теоремы. Ладно, сосредоточимся на главном.

Важное значение этой теоремы заключается в том, что если проводить замеры сигнала (например, синусоиды) с частотой хотя бы 2 раза выше частоты этой синусоиды, тогда по этим измерениям можно будет восстановить исходный сигнал с минимальной потерей информации. Т.е. если замерять сигнал через интервал Δt, то мы сможем его гарантированно восстановить.

Таким образом частота дискретизации цифрового осциллографа является одним из факторов, определяющих максимальную частоту сигналов, которые мы сможем без потерь увидеть на экране. 

А что если интервал больше необходимого? Тогда получится что-то подобное:

Т.е. после восстановления окажется, что восстановлденный сигнал меньшую частоту, чем измеряемый сигнал. Мы также можем потерять некоторые детали сигнала. Например, краткие всплески. Таким образом получается, что для измерения сигнала 100Мгц требуется прибор с частотой дискретизации хотя бы 200Мгц. Но хватит ли такой частоты выборки на самом деле?

Пока что я рассматривал ситуацию идеального сигнала, который не содержит в себе частотных компонент, превышающих по частоте основную. частоту сигнала.

Как например какой-нибудь прямоугольный сигнал, который содержит всебе множество компонент (гармоник) с частотами значительно выше основной частоты сигнала (но меньшей амплитуды). В таком случае т.

Котельникова говорит нам, что на практике частота дискретизации должна быть в 4-5 раз выше, чем верхняя граница полосы пропускания осциллографа. А значит для прибора с полосой до 200 Мгц частота дискретизации должна быть больше 800Мгц.

У меня Siglent SDS1202X-E с полосой пропускания 200Мгц и частотой выборки 1000Мгц (1Ггц или 1GSa/s) в режиме 1го канала. Так что, если надо посмотреть сигнал близкий к 200Мгц, то прибор в принципе справится. При условии, что будет использован только один канал.

Если же задействовать для измерений сразу два канала, тогда полоса пропускания “сократится” до 100Мгц. Т.е. примерно до этой частоты сохранится соотношение между частотой выборки и частотой сигнала, которое позволит достаточно точно воспроизвести оцифрованный сигнал.

→ Эквивалентная частота дискретизации

Иногда не хватает реальной частоты дискретизации. Например, когда измеряется сигнал с частотой близкой к пределу полосы пропускания, а реальная частота дискретизации уже не соответствует условиям т. Котельникова. Тогда вступает в бой эквивалентная дискретизация.

По факту, это чисто технический трюк, когда итоговая картинка конструируется на основе нескольких последовательных измерений. Но при этом каждое последующее измерение сигнала слегка смещено от предыдущего, чтобы получить больше точек для восстановления исходного сигнала.

Таким образом, если ты измеряешь сигнал 200МГц на осциллографе с полосой до 200МГц и частотой дискретизации 1 миллиард выборок в сек (1GSa/s), то тогда на один период сигнала ты получишь всего 5 измерений.

В принципе, из т.

Котельникова следует, что этого должно хватить, но для лучшей детализации лучше включить эквивалентную дискретизацию и тогда ты получишь вместо 1GSa/s уже 2 GSa/s (хоть и чисто алгоритмическим путем)

Более подробно о эквивалетной дискретизации и джиттере синхронизации вот в этой статье

→ Глубина памяти

Цифровые осциллограф по праву называются запоминающими (DSO = Digital Storage Oscilloscope), так как запоминают измеренный сигнал.  Точнее они сохраняют во временной памяти измеренные значения сигнала в отдельные моменты времени.

На что влияет данный параметр? Чем больше глубина памяти, тем выше частота дискретизации по мере снижения скорости развертки – время/дел.

Дело в том, что ниже скорость развертки, тем больше измеренных значений осциллографу приходится сохранять у себя в памяти для последующей обработки и отображении на экране. Так что в целом, чем больше глубина памяти, тем лучше. 

Однако, и здесь есть особый случай. При измерении на медленных значениях развертки может страдать скорость обновления осциллограм на экране, а также прибор может “подтормаживать”, медленно реагируя на управление. Поэтому следует внимательно смотреть руководства и отзывы на желаемую модель прибора перед тем, как его купить. 
Довольна подробная статья по этой теме от Agilent Technologies

→ Cкорость обновления сигналов на экране

Чем выше у прибора скорость обновления сигналов на экране, тем меньше у него величина мертвого времени, т.е. времени, которое требуется на обработку захваченных данных перед тем, как они будут выведены на экран.

Понятно, что чем оно меньше, тем быстрее будут обновляться осциллограммы на экране цифрового осциллографа. Тем выше вероятность, что осциллограф захватит и вовремя покажет на экране какую-нибудь аномалию в сигнале.

Конечно, в нашей радиолюбительской жизни это может и не играет особой роли, но тем не менее параметр довольно важный. 

→ Максимальное входное напряжение

Любая деталь или цепь имеет предельно-допустимое напряжение. Осциллограф не исключение. Если подать на его вход (не приняв доп. мер) напряжение, которое превышает максимально допустимое, то есть высокий шанс того, что прибор юудет поврежден. 

Для моего прибора максимальное напряжение в режиме щупа 1:1 равняется 40 вольт, а в режиме 1:10 около 400. Но, я бы не стал лезть щупом в цепь с напряженим 400В без доп. защиты и себя и прибора. Электричество шуток не любит и премию Дарвина может выписать в милисекунду =)

В этой вводной статье я хотел показать, что ничего страшного в цифровых осциллографах нет, но для того чтобы эффективно их использовать в своей домашней лаборатории следует понимать как они устроены, идеи, на основе которых они созданы, а также понимать какие характеристики прибора являются существенными. На что следует смотреть при покупке осциллографа. В следующей части я продолжу рассказ о цифровых осциллографах. 

Для чего нужен осциллограф и как им выполнять измерения тока, напряжения, частоты и сдвига фаз

Работа с цифровым осциллографом

Осциллограф — устройство, демонстрирующие силу тока, напряжение, частоты и сдвиг фаз электрической цепи. Прибор отображает соотношение времени и интенсивности электрического сигнала. Все значения изображены при помощи простого двумерного графика.

Для чего предназначен осциллограф

Осциллограф используется электронщиками и радиолюбителями для того, чтобы измерить:

  • амплитуду электрического сигнала — соотношение напряжения и времени;
  • проанализировать сдвиг фаз;
  • увидеть искажение электрического сигнала;
  • на основе результатов вычислить частоту тока.

Несмотря на то, что осциллограф демонстрирует характеристики анализируемого сигнала, чаще его используют для выявления процессов происходящих в электрической цепи. Благодаря осциллограмме специалисты получают следующую информацию:

  • форму периодического сигнала;
  • значение положительной и отрицательной полярности;
  • диапазон изменения сигнала во времени;
  • длительность положительного и отрицательного полупериода.

Большинство из этих данных можно получить при помощи вольтметра. Однако тогда придётся производить замеры с частотностью в несколько секунд. При этом велик процент погрешности вычислений. Работа с осциллографом значительно экономит время получения необходимых данных.

Принцип действия осциллографа

Осциллограф выполняет замеры при помощи электронно-лучевой трубки. Это лампа, которая фокусирует анализируемый ток в луч. Он попадает на экран прибора, отклоняясь в двух перпендикулярных направлениях:

  • вертикальное – показывает исследуемое напряжение;
  • горизонтальное – демонстрирует затраченное время.

За отклонение луча отвечают две пары пластин электронно-лучевой трубки. Те, что расположены вертикально,  всегда находятся под напряжением. Это помогает распределять разнополюсные значения. Положительное притяжение отклоняется вправо, отрицательное — влево. Таким образом, линия на экране прибора движется слева направо с постоянной скоростью.

На горизонтальные пластины также действует электрический ток, что отклоняет демонстрирующий показатель напряжения луча. Положительный заряд — вверх, отрицательный — вниз. Так на дисплее устройства появляется линейный двухмерный график, который называется осциллограммой.

Расстояние, которое проходит луч от левого до правого края экрана называется развёрткой. Линия по горизонтали отвечает за время измерения. Помимо стандартного линейного двухмерного графика существует также круглые и спиральные развёртки. Однако пользоваться ими не так удобно как классическими осциллограммами.

Классификация и виды

Различают два основных вида осциллографов:

  • аналоговые — аппараты для измерения средних сигналов;
  • цифровые — приборы преобразовывают получаемое значение измерений в «цифровой» формат для дальнейшей передачи информации.

По принципу действия существуют следующая классификация:

  1. Универсальные модели.
  2. Специальное оборудование.

Наиболее популярными являются универсальные устройства. Эти осциллографы используют для анализа различных видов сигналов:

  • гармонических;
  • одиночных импульсов;
  • импульсных пачек.

Универсальные приборы предназначены для разнообразных электрических устройств. Они позволяют измерять сигналы в диапазоне от нескольких наносекунд. Погрешность измерений составляет 6-8%.

Универсальные осциллографы делятся на два основных вида:

  • моноблочные — имеют общую специализацию измерений;
  • со сменными блоками — подстраиваются под конкретную ситуацию и тип прибора.

Специальные устройства разрабатываются под определённый вид электрической техники. Так существуют осциллографы для радиосигнала, телевизионного вещания или цифровой техники.

Универсальные и специальные устройства делятся на:

  • скоростные – применяются в быстродействующих приборах;
  • запоминающие — аппараты, сохраняющие и воспроизводящие ранее сделанные показатели.

При выборе устройства следует внимательно изучить классификации и виды, чтобы приобрести прибор под конкретную ситуацию.

Устройство и основные технические параметры

Каждый прибор имеет ряд следующих технических характеристик:

  1. Коэффициент возможной погрешности при измерении напряжения (у большинства приборов это значение не превышает 3%).
  2. Значение линии развёртки устройства — чем больше эта характеристика, тем дольше временной промежуток наблюдения.
  3. Характеристика синхронизации, содержащая в себе: диапазон частот, максимальные уровни и нестабильность системы.
  4. Параметры вертикального отклонения сигнала с входной ёмкостью оборудования.
  5. Значения переходной характеристики, показывающие время нарастания и выброс.

Помимо перечисленных выше основных значений, у осциллографов присутствуют дополнительные параметры, в виде амплитудно-частотная характеристики, демонстрирующей зависимость амплитуды от частоты сигнала.

Цифровые осциллографы также обладают величиной внутренней памяти. Этот параметр отвечает за количество информации, которую аппарат может записать.

Как выполняются измерения

Экран осциллографа поделён на небольшие клетки, которые называются делениями. В зависимости от прибора каждый квадрат будет равен определённому значению. Наиболее популярное обозначение: одно деление – 5 единиц. Также на некоторых приборах присутствует ручка для управления масштабом графика, чтобы пользователям было удобнее и точнее производить измерения.

Прежде чем начать измерение любого рода следует присоединить осциллограф к электрической цепи. Щуп подключается на любой из свободных каналов (если в приборе, больше чем 1 канал) или на генератор импульсов, при его наличии в устройстве. После подключения на дисплее аппарата появятся различные изображения сигналов.

Если сигнал получаемый прибором обрывистый, то проблема заключается в присоединении щупа. Некоторые из них оборудованы миниатюрными винтами, которые необходимо закрутить. Также в цифровых осциллографах решает проблему обрывистого сигнала фикция автоматического позиционирования.

Измерение тока

При измерении тока цифровым осциллографом, следует узнать какой вид тока необходимо наблюдать. Осциллографы имеют два режима работы:

  • Direct Current («DC») для постоянного тока;
  • Alternating Current («АС») для переменного.

Постоянный ток измеряется при включённом режиме «Direct Current». Щупы аппарата следует подключить к блоку питания в прямом соответствии с полюсами. Чёрный крокодил присоединяется к минусу, красный — к плюсу.

На экране устройства появится прямая линия. Значение вертикальной оси будет соответствовать параметру постоянного напряжения. Силу тока можно вычислить согласно закону Ома (напряжение поделить на сопротивление).

Переменный ток представляет собой синусоиду, из-за того, что напряжение также переменно. Поэтому измерить его значение можно только в определённый промежуток времени. Параметр также вычисляется при помощи закона Ома.

Измерение напряжения

Чтобы измерить напряжение сигнала понадобится вертикальная ось координат линейного двухмерного графика. Из-за этого всё внимание будет уделено высоте осциллограммы. Поэтому перед началом наблюдения следует настроить экран более удобно для измерения.

Затем переводим аппарат в режим DC. Присоединяем щупы к цепи и наблюдаем результат. На дисплее аппарата появится прямая линия, значение которой будет соответствовать напряжению электрического сигнала.

Измерение частоты

Прежде чем, понять, как измерить частоту электрического сигнала, следует узнать, что такое период, так как эти два понятия взаимосвязаны. Один период – это наименьший промежуток времени, через который амплитуда начинает повторяться.

Увидеть период на осциллографе легче при помощи горизонтальной оси координат времени. Нужно лишь заметить, через какой промежуток времени линейный график начинает повторять свой рисунок. Началом периода лучше считать точки соприкосновения с горизонтальной осью, а концом повторения этой же координаты.

Чтобы удобнее измерить период сигнала, скорость развёртки уменьшают. В таком случае погрешность измерения не так высока.

Частота — это значение обратно пропорционально анализируемому периоду. То есть, чтобы измерить значение, нужно одну секунду времени поделить на количество периодов, происходящих за этот промежуток. Полученная частота измеряется в Герцах, стандарт для России — 50 Гц.

Измерение сдвига фаз

Сдвигом фазы считают — взаимное расположение двух колебательных процессов во времени. Параметр измеряется в долях периода сигнала, чтобы независимо от характера периода и частоты, одинаковые сдвиги фаз имели общее значение.

Первое что необходимо сделать перед измерением: выяснить какой из сигналов отстаёт от другого и затем определить значение знака параметра. Если ток идёт впереди, то параметр сдвига угла отрицательный. В случае, когда напряжение опережает — знак значения положительный.

Чтобы вычислить градус сдвига фаз следует:

  1. Умножить 360 градусов на число клеток сетки между началами периодов.
  2. Разделить полученный результат на число делений, занимаемых одним периодом сигнала.
  3. Подобрать отрицательный или положительный знак.

Измерять сдвиг фазы в аналоговом осциллографе неудобно, потому что выводящиеся на экраны графики имеют одинаковый цвет и масштаб. Для наблюдений такого рода используют либо цифровое устройство, либо двухканальные аппараты, чтобы разместить разные амплитуды на отдельный канал.

Как пользоваться осциллографом

Работа с цифровым осциллографом

Для изучения формы, амплитудных колебаний, временных характеристик и особенностей формирования электрических сигналов применяется осциллограф. Прибор используется в научных лабораториях и фундаментальных исследованиях, практическая сфера применения – тестирование электрических схем, ремонтные работы по телемеханике, поверка измерительной аппаратуры.

Измерение амплитуды сигнала на осциллографе

Что такое осциллограф

Осциллограф позволяет визуально изучать характеристики сложных сигналов, рассчитывать временные и амплитудные параметры.

Аналоговые модели отображают данные в реальном времени, современные цифровые позволяют архивировать информацию и проводить ее анализ. Для сравнения сигналов применяют устройства с несколькими информационными входами.

В зависимости от решаемых задач, встречаются модификации в виде приставок к компьютеру или комбинированные с другой измерительной аппаратурой.

Особенности прибора

Осциллограф своими руками

Аналоговые приборы требуют большого количества специфических настроек и высокой квалификации операторов – от качества калибровки зависит погрешность результатов, велико влияние человеческого фактора. Современные цифровые аппараты лишены этих проблем и позволяют в разы быстрее получать и интерпретировать данные, но их стоимость очень высока.

Устройство и принцип работы

Основной элемент аналогового осциллографа – специализированная ЭЛТ (электронно-лучевая трубка), которая делает возможным визуальное представление изучаемого сигнала.

  Он поступает на входной делитель (определяет диапазон измеряемых значений), усиливается и синхронизируется с генератором развертки, затем попадает на оконечный усилитель и входы ЭЛТ, отображение проходит в реальном времени.

Конкретная реализация зависит от производителя, но принцип действия остается неизменным.

Функциональная схема осциллографа

Цифровые приборы устроены по-другому: пользователь видит уже преобразованные в цифру данные, полученные от АЦП (аналого-цифрового преобразователя) и записанные в буферную память, поэтому имеет возможность просмотреть динамику изменения сигнала не только после запуска, но и до пускового импульса. Есть возможность сохранить информацию для последующей обработки на компьютере.

Важно! В цифровом устройстве сигнал не отображается в реальном времени и идет с задержкой.

Сфера применения

Что измеряет вольтметр и как им пользоваться

Это научные исследования, тестирование образцов на производстве, проверка качества телевизионных сигналов, выявление дополнительных шумов и искажений. Возможно использование в составе узкоспециализированных программно-аппаратных комплексов, где может применяться для диагностики неисправностей АСУ и исполнительных устройств.

Как функционирует

Исследуемый сигнал через делители (входят в комплект) подается на информационный вход прибора (обычно Y вход), выбирается вид синхронизации (при внешней – используется X вход), с помощью переключателей устанавливаются частота синхронизации и диапазон изменения амплитуды. Полученная картинка интерпретируется в соответствии с установленной шкалой делений, для цифровых устройств пересчет производится автоматически, на экране будут видны форма сигнала и ряд вычисленных параметров.

Развертка

Движение луча ЭЛТ по горизонтальной оси при отсутствии исследуемого сигнала на информационных входах называется разверткой, при подаче он будет развернут на временном интервале.

Принцип работы регулятора развертки

Развертка создается с помощью генератора, работа которого зависит от выбранного режима внутренней или внешней синхронизации.

Внутренняя – частота задается вручную или синхронизируется с питающей сетью, внешняя – запуск генератора от входного импульса, различают запуск по фронту, спаду или от стороннего источника.

Регулятор развертки служит для увеличения/уменьшения периода отображения сигнала.

Блок управления параметрами синхронизации

Позволяет установить значение напряжения исследуемого сигнала и момент (фронт/спад), когда следует запускать генератор. Правильная регулировка позволит добиться стабильного изображения, что важно для снятия данных.

Совет. От устойчивости картинки зависит погрешность измерения – она должна быть качественной.

Как подключить импортный осциллограф

Нужно внимательно ознакомиться с руководством пользователя, подготовить рабочее место для прибора, качественно его заземлить.

Важно! Заземление гарантирует, что при работе на корпусе не будет опасного статического заряда, коснувшись которого рукой можно получить удар.

Далее нужно определить точки для снятия сигнала, нулевую магистраль, посредством щупа произвести их коммутацию с аттенюатором (при неизвестных уровнях сигнала выставить максимальную амплитуду). Включить прибор, дать ему прогреться, выставить необходимые режимы и произвести замеры. Снять показания, замеры повторить несколько раз.

Как подключить отечественный осциллограф

Для отечественной аппаратуры в качестве дополнительной меры по уменьшению погрешностей измерения нужно провести калибровку, но для начинающих такая работа с осциллографом будет сложной. В прибор встроен специальный генератор – калибратор, выдающий эталонные значения, с заранее известной погрешностью, подстройка осуществляется с помощью коррекции усиления и развертки.

Дальнейшие действия

Полученные данные следует привести к среднему значению, учесть возможную погрешность устройства и оператора, сохранить информацию. Цифровой прибор все вычисления производит сам, но за удобство нужно платить.

Двухканальный осциллограф

Такой прибор позволяет не только получать данные об исследуемых сигналах, но и производить их сравнение между собой. Двухканальный прибор, соответственно, имеет два информационных входа (может быть до 16) и позволяет отображать их состояние одновременно.

Возможности двухканального прибора

Двухлучевой осциллограф применяется при необходимости измерения фазового сдвига относительно друг друга для отображаемых сигналов. Идет графическое представление на экране одного цвета, поэтому для наглядности имеет смысл разнести амплитуды.

Органы управления

На передней панели любого осциллографа находятся:

  • регулировка яркости экрана;
  • управление фокусом изображения;
  • смещение по горизонтали;
  • смещение по вертикали;
  • регулятор шкалы развертки;
  • регулятор входного делителя;
  • вход исследуемого сигнала;
  • вход для внешней синхронизации;
  • клемма заземления:
  • кнопка управления входом (открытый/закрытый);
  • управление синхронизацией.

Передняя панель одноканального осциллографа

Все вышеперечисленное присутствует у любого однолучевого прибора, для многоканальных устройств количество органов управления растет пропорционально количеству каналов, в зависимости от модели могут быть добавлены новые функции. Цифровые модели имеют аналогичное управление, которое дополнено возможностью проводить математические расчеты и анализ осциллограмм.

Режим входа

При анализе сигналов с большой постоянной составляющей удобно не учитывать ее при выводе значений на экран: итоговая амплитуда может просто выйти за границу шкалы. Для ее отсечки используется режим с закрытым входом. Если нужно учесть низкие частоты и постоянную, работу ведут в режиме открытого входа.

Вход канала осциллографа

Для внесения минимальных искажений информационный вход прибора обладает большим сопротивлением, обычно 1 МОм, чтобы не шунтировать элементы исследуемой схемы. Для высокочастотных сигналов имеют значение емкостные характеристики, обычно находятся в пределах 20-40 пикофарад.

Как проводятся измерения

Работа с осциллографом предусматривает проведение предварительной подготовки: выбор режима синхронизации, входа, шкалы измерений, затем можно приступать к измерениям.

Как измерить напряжение

После снятия с информационного входа данных с помощью регулировки синхронизации развертки получается устойчивое изображение, которое совмещается со шкалой на экране. Проводят несколько замеров, вычисляют среднее значение. Действующее значение выводят согласно шкалы измерений.

Как измерить частоту

Настроив картинку хорошего качества, на которой виден период изменения сигнала, совместив его начало с началом горизонтальной линейки и зная единицы шкалы измерений, можно вычислить частоту, которая обратно пропорциональна периоду.

Как определяется сдвиг фаз

Стабилизировав изображение с двумя сигналами (вот для чего необходим двухлучевой осциллограф), для удобства необходимо разнести значения амплитуд и совместить начала периодов, на экране будет виден сдвиг фаз. Для вычисления значения можно использовать формулу:

где:

  • а – расстояние в делениях между точками прохождения нулевой отметки осциллограмм,
  • b – период в делениях шкалы.

При наличии только одноканального прибора возможно определение сдвига фаз по фигурам Лиссажу, но это сложнее.

Сдвиг фазы между синусоидальными сигналами

Ошибки при выборе и работе с осциллографом

Понимание, как пользоваться осциллографом, приходит только с практическим опытом работы, теоретических знаний недостаточно – нужно руками произвести все настройки, коммутацию и измерения. Цифровой прибор сильно облегчает процесс, но стоимость аппаратуры очень высока.

Важно! Не стоит приобретать старый советский прибор, т.к. погрешности измерений не дадут достоверных данных, откалибровать его уже не получится.

Обязательно необходимо соблюдать технику безопасности: напряжение на ЭЛТ, как на кинескопе телевизора, – убить не убьет, но покалечить может. Паспорт и руководство описывают, как работать с осциллографом, но здравый смысл никто не отменял: экспериментировать нужно осторожно.

Как пользоваться цифровым осциллографом правильно. Измерение

Работа с цифровым осциллографом

Человек, знающий как пользоваться осциллографом, получает прекрасный инструмент. С помощь него можно искать неисправности в различных электронных устройствах, настраивать и отлаживать электрические схемы с переменными сигналами сложной формы.

А также контролировать их форму, временные и фазовые соотношения. Профессиональному разработчику и регулировщику без него не обойтись, но и на бытовом уровне этот прибор может быть очень полезен.

Конструкция и принцип действия осциллографа

Но вне зависимости от модели и конструкции главной особенностью осциллографа, отличающей его от других измерительных приборов, является то, что он позволяет визуально наблюдать форму переменного электрического сигнала в динамике.

Классическая конструкция осциллографа представляет собой индикатор на электронно-лучевой трубке. На горизонтальную отклоняющую систему которой подается пилообразная развертка от встроенного генератора, а на вертикальную — изучаемый сигнал.

Если входной сигнал периодический, то можно подобрать такую частоту горизонтальной развертки, чтобы она была кратна частоте периодического сигнала. Тогда на экране можно будет наблюдать неподвижную картину, повторяющую форму входного напряжения. Эта операция называется синхронизацией, а максимальная частота, с которой может работать прибор, является одной из его основных характеристик.

Постоянное напряжение на индикаторе будет отображаться в виде линии на уровне, зависящим от амплитуды, и осциллограф в этом случае работает как вольтметр.

Для удобства измерения на стекло индикатора нанесена градуировочная сетка с единицей измерения по вертикали (Y) амплитуды в вольтах, а по горизонтали (X) длительности (периода) в мс/мкс как обратной величины частоты. Соотношение периода колебаний и их частоты описывается формулами f = 1/t и t=1/f, где f — частота, а t — длительность. Периоду 1 мс (ms) соответствует частота 1 кГц, а 1 мкс (µs) — 1 МГц.

Подключение прибора

Для подключения осциллографа к исследуемой электрической цепи прибор комплектуется коаксиальным кабелем со щупом, содержащим «земляной» вывод. Оснащенный, как правило, зажимом типа «крокодил». А также сигнальный провод («фаза»), обычно с игольчатым контактом, позволяющим воткнуться в контактную площадку маленького размера.

Щупы могут быть сменными. Помимо стандартных, популярны аттенюаторные щупы, содержащие дополнительный резистор большого сопротивления. Он нужен для ослабления входного сигнала и расширения возможностей по измерению высоких напряжений без риска сжечь входной усилитель.

Управление и настройка осциллографа

У подавляющего большинства моделей настройка организована таким образом, что одна группа устанавливает амплитудные режимы, а вторая управляет разверткой.

Самым крупным и заметным органом амплитудной настройки является регулятор масштаба сигнала по оси Y, маркируемый «V/дел». Его функция — установить масштаб таким образом, чтобы изображение соответствовало размеру экрана.

Например, для измерения сигналов амплитудой 30V необходимо установить масштаб 10V на деление, тогда сигнал на экране будет достигать 3 делений. Конструктивно регулировка выполнена в виде вращающейся рукоятки со ступенчатым переключением. Имеется риска, указывающая на значение, выбранное из тех, которые расположены вокруг рукоятки.

Обычно присутствует еще дополнительная рукоятка плавной подстройки, скомпонованная с основной.

Второй по важности орган управления — регулятор вертикального сдвига, перемещающий изображение сигнала вверх-вниз по вертикали.

Это нужно как для калибровки прибора, так и для более точного измерения амплитуды. Смещение позволяет использовать для измерения весь экран и совмещать сигнал с линиями сетки.

На любом осциллографе также имеется тумблер переключения с прямого входа на емкостной (через конденсатор). Использование последнего позволяет отсечь постоянную составляющую и работать только с переменной составляющей сигнала. Что очень полезно, например, при оценке уровня шумов блока питания.

В группе управления разверткой центральным элементом является переключатель скорости развертки, маркируемый «Время/дел».

Конструктивно он аналогичен переключателю масштаба сигнала, с ручками ступенчатого переключения и плавной подстройки.

Этим переключателем выставляется значение в ms или µs на деление в соответствии с частотой исследуемого сигнала таким образом, чтобы на экране помещался один или несколько периодов.

Всегда имеется рукоятка горизонтального сдвига луча, маркируемая обычно стрелками вправо-влево. Используя эту рукоятку, можно подвести исследуемый участок под линии сетки для более точного измерения.

Все модели осциллографов имеют возможность вместо внутреннего генератора использовать внешний источник развертки. Именно с его помощью на экране получаются фигуры Лиссажу, по которым можно видеть соотношение частот и фаз двух сисусоид. Вход для внешней развертки маркируется «Вход Х» и располагается в группе управления разверткой.

Отдельную группу составляют настройки синхронизации. В нее входят переключатель «внутренняя-внешняя синхронизация», вход для внешней синхронизации и ручка точной подстройки.

Помимо этого, присутствуют технические органы управления:

  • кнопка включения/выключения прибора;
  • регулировка яркости и фокусировки луча электронно-лучевой трубки;
  • включение подсветки шкалы экрана.

Измерение сигнала

Порядок измерения параметров периодического сигнала следующий:

  • Зажим «земля» фиксируется на общем проводе схемы, а сигнальный щуп присоединятся в контролируемое место схемы, где будут сниматься показания.
  • С помощью регулятора устанавливаем масштаб по вертикали таким образом, чтобы полезная информация помещалась на экране целиком и занимала большую ее часть.
  • Регулятором частоты добиваемся того, чтобы на экране помещалось несколько периодов сигнала.
  • Точной подстройкой частоты добиваемся стабильного изображения, чтобы картинка не плыла.
  • Теперь, когда на экране установлено стабильное изображение, можно определить по экранной шкале его форму, амплитуду и период.
  • Для более точного измерения можно использовать ручки смещения по вертикали и по горизонтали, подводя интересующие элементы изображения под перекрестье линий сетки.

Для того чтобы быть уверенным в точности показаний, необходимо соблюдать несколько простых требований:

  • после включения осциллографа на ЭЛТ необходимо дать ему прогреться в течение 10-15 минут;
  • после каждого включения прибор необходимо откалибровать. Большинство моделей имеет встроенный калибровочный генератор, выдающий прямоугольный сигнал с фиксированной амплитудой и частотой;
  • прибор должен быть заземлен;
  • сигнал с очень низкой частотой (до 10 Гц) при подключении через емкостный вход сильно искажается. Работа в этом режиме не рекомендуется.

Лучший способ обучения — практическая работа. Получив первые навыки работы с простым аналоговым осциллографом, в дальнейшем можно будет приступать к более сложным устройствам. Которые будут иметь дополнительные функции и расширенные возможности. Главное — наличие желания и интереса к электронной технике.

Как пользоваться осциллографом — видео

Уникальная статья на нашем сайте — electricity220.ru.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.