Что такое осциллограф

Осциллографом (O-Scope, Oscilloscope) регистрируют изменения (амплитуды, колебания) напряжений сигналов электроцепи с выводом в виде синусоид, пилообразных и других линий на координатную сетку на мониторе. Прибор применяют для изучения динамики системы во время ее работы. Характерный пример: тестирование импульсных, генераторных устройств (источники питания). Oscilloscope покажет форму напряжения, электросигналов во времени, уровень колебаний, изменения при определенных условиях и факторах (поломки, температура, магнитные поля, помехи, экранирование).

Назначение

O-Scope измеряет такие величины и решает следующие задачи:

• тестовые меры для электросхем, сборок, изделий при их выпуске, починке, в исследовательских учреждениях;
• всегда используется при проверке измерительных устройств;
• электро, теле и радио сфера: свойства сигналов, степень шумов, искажений;
• для узкоспециализированного аппаратного оснащения, для анализа АСУ, исполнительных приспособлений;
• замеры частот и амплитуд при отладке;
• визуальный мониторинг сигналов, фазных сдвигов;
• анализ функционирования датчиков автомобиля.

Если кратко отобразить функции, то аппарат позволяет наблюдать изменения напряжения:

• во времени: частоту, промежутки, скважность, циклы, скачки, спады, всплески;
• на физике: колебания, амплитуды, макс./мин. среднеквадратичные значения.

Осциллограф — это «глаза», позволяющие посмотреть внутрь цепи во время ее работы. Кроме простого измерения электросигнала, современные изделия могут делать математические преобразования в реальном времени (Фурье и пр.).

Где применяется

Сферы применения:

• всегда в научных, технических лабораториях, исследовательских отделениях на заводах, выпускающих электроприборы, например, производитель должен знать, как реагирует его продукция на помехи;
• при углубленном анализе сборок, при наладке, ремонте электроустройств: от радио и сотовой связи до цепей двигателей машин. Для радиолюбителей прибор незаменим.

Аппарат выдает визуальную информацию о характеристиках сложных сигналов, показывает временные и амплитудные данные изменений, что важно для расчетов и определения, как будет себя вести изучаемый объект за периоды в конкретных условиях.

Что может измерить осциллограф

Осциллограф может измерить:

• покажет по сигналам:
  • форму;
  • частотность;
  • период;
  • амплитуду;
  • угол сдвига фазы;
  • сравнение сигналов;
• АЧХ (ампл.-частотную х-ку);
• через закон Ома по показателям прибора исчисляют ток (при этом его преобразовывают в напряжение резисторами).

O-Scope — фактически это вольтметр, но отображающий изменения напряжения онлайн, им можно обозначить форму тока, подключив последовательно к обслуживаемой сети резистор (Rt, «t» — токовый, он же шунтирующий). Его число Ом подбирают намного меньшим, чем у цепи, чтобы отсутствовали влияния на схему. Далее, вычисляют по формуле и, зная величину Rt, можно найти ток.

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.

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.

Особенности прибора

Что измеряет вольтметр и как им пользоваться

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.

Области применения

Осциллограф предназначен для изучения динамических процессов. Чтобы пользоваться прибором правильно, следует не превышать конструкционные возможности. Ниже представлены примеры решения практических задач.

Наблюдение фигур Лиссажу

При одновременной подаче на входы осциллографа сигналов с приблизительно равными частотами на экране будут видны характерные изображения. Этот метод используют для настройки генератора по эталонному образцу.

Советуем изучить  Замена аккумуляторов в шуруповерте

Фигура Лиссажу на ЭЛТ аналогового прибора

Курсорные измерения

Для повышения точности измерений на экран выводят вспомогательные координатные полосы (курсоры). При хорошей оснащенности осциллограф индицирует отдельные показатели в цифровом виде.

Математические функции

Некоторые модели современных осциллографов (блоки для подключения к компьютеру) способны обрабатывать сигналы по сложному алгоритму. Необходимый вариант описывают соответствующей математической функцией: сложение, вычитание или др.

Захват строки телевизионного сигнала

В соответствии с названием такой режим предназначен для изучения телевизионного сигнала. Главная особенность – специальная синхронизация, позволяющая выводить на экран необходимое количество строк.

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.

Виды

У цифровых моделей есть функция записи и архивирования, что расширяет возможности. Для сопоставления результатов онлайн используют аппараты с несколькими каналами. Есть экземпляры, подключаемые к ПК и комбинации с другими измерительными девайсами.

Выбор аналоговых моделей (кроме простых и учебных) подразумевает наличие познаний во множестве настроек, регулировка усложненная. С другой стороны, такие приборы дают углубленную практику.

Цифровые модели — это рекомендованный выбор, на таком аппарате можно быстро освоить основы. Это вычислительные комплексы, с ними получение данных, интерпретация проще и намного быстрее.  Есть также модели аналогово-цифровые.

Устройство

Главный узел осциллографа — трубка как у старых телевизоров, электронно-лучевая, осуществляющая визуализацию величин, принимаемых входным делителем, от которого зависят рамки допустимых замеров. Происходит усиление, синхронизация с генератором развертки. Далее, исследуемая величина попадает на оконечный усиливающий узел, на ЭЛТ, затем происходит отображение его онлайн без каких-либо задержек.

Алгоритм, как работает цифровой осциллограф несколько иной: он сначала пропускает сигнал через преобразователь (аналого-цифровой), замеряя его несколько раз в сек. Затем происходит реконструкция и отображение на мониторе. Одновременно данные записываются буферной памятью, есть возможность будущей их обработки.

Работать с цифровым осциллографом удобнее, его преимущества — полная функциональность с дополнительными опциями в маленьком корпусе, простота настроек. Выбор осциллографа в современных условиях обычно осуществляется среди указанных видов. Отдельные аналоговые старые основательные советские экземпляры (дешевле в 4–5 раз) неплохи, но они габаритные, требуют больше навыков по настройке.

Как функционирует осциллограф

Если смотреть на быстро пробегающие объекты, то увидим размытую линию. Но если периодически открывать «окошко», то будут выхватываться статичные кадры. Это принцип стробоскопа, так же, но в электронной форме работает Oscilloscope.

Действие «окошка» синхронизуется (главное условие) со скоростью объектов (сигнала), поэтому при его открытии их место стабильно. В противном случае возникнет рассинхронизация.

Аппарат визуализирует периодические изменения в реальном времени на табло синусоидой или линией другой формы (пила, меандр и прочее). Каждый будущий отрезок схожий с прошедшим, он «останавливается» и показывается (в 1 момент — 1 период).

На что обратить внимание в Oscilloscope, ориентиры для выбора

Рассмотрим основы характеристик O-Scope, которые послужат также ориентирами, как выбрать осциллограф, надежную его модель.

Способы, чтобы проверить осциллограф:

• встроенным генератором (Калибровка), все цифровые модели имеют его. Включают режим и смотрят, есть ли синусоида. Если магазин специализированный, там должен быть внешний генератор для проверки;
• старые осциллографы начинают подвирать со временем, как проверить их есть простой способ: взять эталонный источник, например, ту же батарейку 1.5 В;
• экран должен быть достаточной яркости, луч без артефактов;
• дотронуться до щупа: фаза покажет синусоиду (правда с большими помехами), земля — ровную линию;
• посредством ПК, специальным ПО.

Полоса пропускания

Это минимальная и максимальная частоты, амплитудность, то есть диапазон, который может измерить прибор. Достаточно учесть верхнюю черту; нижнюю рисуют все устройства.

Частота дискретизации (Sampling rate)

У цифровых моделей. Данный параметр связан с предыдущим. Чем выше, тем лучше (например, у Siglent SDS — 1×109). Это число считываний за единицу времени, определяет максимальные частоты без потерь на экране. У приборов с несколькими каналами может уменьшаться при задействовании их всех (при покупке надо учесть).

По теореме Котельникова част. дискр. должна превышать в 2 раза верхнюю рамку пропускания, но на практике потребуется превышение в 4–5 раза. На этом и основывается выбор. Пример для изделия с полосой до 200–800 МГц (важно учесть параметр при использовании 2 и больше каналов).

Число каналов

Многие модели способны обрабатывать больше сигналов вместе, одновременно раздельно показывая их на мониторе. Обычно от 2 до 4. Иногда включение других каналов сказывается на производительности. Выбор осциллографа рекомендовано делать среди изделий с двумя каналами, что позволит сравнивать исследуемые величины, исчислять фазные сдвиги.  Три и больше входа, это хорошо, но для обычных задач иногда чрезмерно, цена прибора возрастет многократно.

Эквивалентная частота дискретизации

Когда недостаточно реальной част. дискр., итоговая картинка реконструируется по нескольким последовательным измерениям. Пример: анализируется сигнал 200 МГц на модели с част. дискр. 1 млрд. выборок/сек. (1 GSa/s) — получают всего 5 измерений. По теор. Котельникова этого хватает, но можно детализировать (алгоритмическим методом) и активировать опцию: будет не 1 GSa/s, а уже 2 GSa/s.

Глубина памяти

Всегда есть в цифровых моделях (DSO=Digital Storage Oscilloscope). Чем ниже скорость развертки, тем точнее показатели и тем больше значений приходится сохранять прибору в памяти. Чем глубже память — тем лучше. Но иногда наблюдается негативный момент: при медленных измерениях прибор подтормаживает, выбирая изделие, надо поинтересоваться этим нюансом.

Обновление экрана

Чем чаще обновляется монитор, тем короче «мертвое время», требуемое для обработки захватываемой информации, более оперативно происходит обновление осциллограмм. Больше шансов, что аппарат покажет малозаметный артефакт. Впрочем, это имеет значение только для фанатов-электронщиков.

Максимальное входное напряжение (питание)

Любой прибор имеет предел по мощности питания, при превышении которого без дополнительных мер он просто сгорит, выйдет из строя. Нужно учитывать параметры обслуживаемых цепей. Пример: макс. напр. в режиме щупа 1:1 — 40 В, в режиме 1:10 — 400 В, то есть лезть в цепь с 400 В и больше без предохранительных мер уже небезопасно.

Классификация

По виду используемой схемотехники (электронных компонентов) различают цифровые и аналоговые измерительные приборы. Простые модели показывают только динамическую картинку. Современные – оснащены функцией запоминания для обеспечения лучших условий при изучении сложных процессов. Некоторые электронные осциллографы способны выводить на экран до 14 и более сигналов одновременно. Для исследования оптических сигналов производители выпускают стробоскопические высокоскоростные модификации.

Отдельно следует отметить специализированные приставки, которые подключаются через стандартный порт или коммуникационную плату к ноутбуку (стационарному компьютеру). Такое комбинированное оборудование можно перенастроить с применением специализированного программного обеспечения.

Плагин vst обеспечивает удобство обработки волновых процессов в звуковом диапазоне

Соединительные шнуры и входы

Как пользоваться сварочным аппаратом

Работа с осциллографом невозможна без специальных соединительных шнуров, используемых для снятия сигнала с заданной точки контролируемой электронной схемы. Каждый из них необходим для подключения к тому или иному входному гнезду, имеющему определённое функциональное назначение. В комплекте современного осциллографа может быть несколько таких соединителей, рассчитанных на работу с различными схемами. С ответной стороны они подключаются к специальному коаксиальному гнезду, расположенному в нижней части панели управления.

Дополнительная информация. В различных моделях электронных устройств усилитель и развёртка способны обрабатывать сигналы с частотами, начиная от единицы и кончая сотнями мегагерц.

Для их обработки в любом случае потребуются ВЧ шнуры (их иногда ещё называют «концами»). Исключение составляют лишь низкочастотные приборы (НЧ), предназначенные для обработки сигналов с частотами до 1 МГц, в которых могут использоваться простые провода (без экранной оплётки).

Понятно, что двухлучевой осциллограф должен содержать в своём комплекте пару таких шнуров, подсоединяемых к двум различным гнёздам (они обозначаются как «Вход 1» и «Вход 2»). Иногда для внешней синхронизации развёртки к прибору может прикладываться ещё один «конец», подключаемый к входному разъёму под обозначением «Синхронизация».

Порядок проведения измерений

Настройка

Для начинающих пользователей обращение с осциллографом в первое время вызывает определённые трудности, поскольку у этого прибора имеется множество всевозможных регуляторов и настроек. Для того чтобы разобраться с функционалом измерительного прибора, следует сначала отстроить его, придерживаясь при этом следующих правил:

• После включения прибора, прежде всего, следует убедиться в наличии на его экране горизонтальной полосы развёртки;

Важно! Если полоса плохо видна и сильно размыта, ручками «Фокусировка» и «Яркость» следует привести её к требуемому виду (она должна быть чёткой, тонкой и хорошо различимой на тёмном фоне).

• При её отсутствии необходимо сначала увеличить яркость луча, а затем попытаться найти его след на экране, вращая ручки перемещения вправо и влево (вверх или вниз);
• Если это не помогает, вращением ручек синхронизации («Уровень», «Стабильность») следует добиться появления устойчивого изображения;
• После этого необходимо отстроить его по масштабной сетке (выставить его по центру), а затем прикоснуться к измерительному острию шнура пальцами и убедиться, что на нём появляются небольшие шумовые всплески.

На этом настройку прибора можно считать законченной.

Измерение

Для того чтобы получить на экране искомое изображение, сначала следует определиться с примерными значениями частоты и амплитуды действующего в цепи напряжения (если это возможно). После этого выполняются следующие операции.

Сначала ручки переключателей «Амплитуда» («Усиление») и «Длительность» выставляются в положение, соответствующее предполагаемому размаху и частоте измеряемого сигнала.

Так, если он имеет ожидаемую амплитуду в пределах единиц Вольта и частоту порядка одного МГц, носик ручки «Усиление» устанавливается напротив деления 1 Вольт (или чуть больше).

Одновременно с этим ручку развёртки устанавливают у отметки 1 Мкс, что соответствует одному мегагерцу (F=1/T = 1/{1/1000000 сек} = 1 МГц).

Дополнительная информация. Выставленные вручную значения амплитуды и частоты определяют «цену» одного деления имеющейся на экране графической разметки (по вертикали и горизонтали, соответственно). При амплитуде исследуемого сигнала 3 Вольта, например, на экране он будет занимать по вертикали 3 клетки.

В том случае, когда эти значения заранее неизвестны, при измерении может появиться «сплошной» сигнал, форму которого сразу определить не удаётся. Для устранения этой неопределённости следует сделать несколько переключений ручкой «Развёртка», после чего в определённом положении сигнал должен будет приобрести удобный для восприятия вид.

Это может быть синусоида, импульс или сложная, но хорошо различимая по форме кривая.

Измерение параметров сигнала

После того, как прибор настроен и откалиброван по разметочной сетке, с полученным изображением можно обращаться как с обычным графическим представлением сигнала. Это значит, что его можно изучать на предмет соответствия формы заданным параметрам (искажение синусоиды, например), а также измерять приблизительные значения его амплитуды и частоты.

Измерение параметров импульсного сигнала

В качестве примера возьмём уже рассмотренный ранее режим, когда предел измерений по уровню выбран 1 Вольт, а по частоте он соответствует 1 микросекунде. В этом случае амплитуда сигнала определяются следующим образом:

• Сначала полученное изображение выставляется строго по центру графической сетки;
• Потом регулятор «Усиление» переводится в крайне правое положение, соответствующее точному значению выбранного масштаба (1 Вольт);
• Вслед за этим по шкале отмеряется количество клеток, которые занимает изображение сигнала, после чего оно умножается на цену одного деления.

Так, если изображение по вертикали заняло 3 клетки, то можно сказать, что амплитуда измеряемого сигнала равна трём вольтам.

Обратите внимание! Такие же манипуляции проделываются и с частотой измеряемого синусоидального напряжения, но только в этом случае за масштаб отсчёта по горизонтали берутся показания его развёртки (1 МГц).

При измерении частоты изображение приводится к удобному для восприятия виду, так, чтобы в одной клетке масштаба уместилось заданное количество полных колебаний (при выведенной в правое положение ручке «Развёртка»). Если таких периодов насчитывается три штуки, например, частота сигнала равна трём мегагерцам.

В заключение отметим, что с помощью двухлучевого осциллографа можно определиться с таким показателем, как фаза сигнала, измеренная по отношению ко второму колебательному процессу. Для этого достаточно совместить начальные точки обоих исследуемых процессов и измерить отставание одного из них по горизонтальной шкале разметки.

Сдвиг фаз

Это интересно: Кабель под землей или по воздуху — как лучше и надёжнее

Немного теории

Слово «осциллограф» образовано от «осциллум» — колебание и «графо» — пишу. Отсюда и назначение этого измерительного прибора — отображать на экране кривые тока или напряжения в функции времени. Встречается и другое название этого прибора — осциллоскоп (от того же «осциллум» и «скопео» — смотрю) — прибор для наблюдения формы колебаний. И хотя второе название более точное, до сих пор в литературе бытует все же первое — осциллограф.

Основная деталь электронного осциллографа — электронно-лучевая трубка (рис. 1), напоминающая но форме телевизионный кинескоп, только значительно меньших габаритов. Экран трубки покрыт изнутри люминофором — веществом, способным светиться под «ударами» электронов. Чем больше поток электронов, тем ярче свечение той части экрана, куда они попадают.

Испускаются же электроны так называемой электронной пушкой, размещенной на противоположном от экрана конце трубки. Между пушкой и экраном размещены управляющие электроды — модулятор, регулирующий поток летящих к экрану электронов, два анода, создающих нужное ускорение пучка электронов и его фокусировку, и две пары пластин, с помощью которых электроны можно отклонять по горизонтальной ( X ) и вертикальной ( Y ) осям.

Экран электронно-лучевой трубки будет светиться лишь при подаче на ее электроды определенных напряжений. На нить накала обычно подают переменное напряжение, на управляющий электрод (модулятор) — постоянное отрицательной полярности по отношению к катоду, на аноды — положительное, причем на первом аноде (фокусирующем) напряжение значительно меньше, чем на втором (ускоряющем). На отклоняющие пластины подается как постоянное напряжение, позволяющее смещать пучок электронов в любую сторону относительно центра экрана, так и переменное, создающее линию развертки той или иной длины, а также «рисующее» на экране форму исследуемых колебаний.

Чтобы представить, как же получается форма колебаний на экране, изобразим условно экран трубки в виде окружности (хотя у трубки 6Л01И в ОМЛ-2М и ОМЛ-3М он прямоугольный) и поместим внутри ее отклоняющие пластины (рис. 2).

Если подвести к горизонтальным пластинам X 1 и Х 2 пилообразное напряжение, на экране появится светящаяся горизонтальная линия — ее называют линией развертки или просто разверткой. Длина ее зависит от амплитуды пилообразного напряжения.

Если теперь подать на другую пару пластин (вертикальных — Y 1 и Y 2 ), например, переменное напряжение синусоидальной формы, линия развертки в точности «изогнется» по форме колебаний и «нарисует» на экране изображение.

В случае равенства периодов синусоидального и пилообразного колебаний на экране будет изображение одной «синусоиды». При неравенстве же периодов на экране появится столько полных колебаний, сколько периодов их укладывается в периоде колебаний пилообразного напряжения развертки. В осциллографе есть регулировка частоты развертки, с помощью которой добиваются нужного числа наблюдаемых на экране колебаний исследуемого сигнала.

Принцип функционирования

Общий принцип работы прибора прост. Он регистрирует любое изменение напряжения испытуемого сигнала и выводит его на дисплей. Со времён самописца, придуманного Андре Блондалем, где индуктивная катушка управляла колебаниями маятника, идея претерпела изменения. После изобретения электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) прибор стал полноценным измерителем. Органы управления находятся на передней панели.

Поданный на вход сигнал может иметь разную амплитуду. Расположенный на передней панели регулятор «В/дел», позволяет растягивать или уменьшать получаемую картинку по оси Y. Ручка «длительность» изменяет скорость движения луча по дисплею. Это частота развёртки.

К сведению. Луч постоянно перемещается слева на право, вертикальное отклонение ему задаёт импульс, приходящий на вход. В результате на дисплее получается синусоида или иные колебания.

С помощью частоты развёртки добиваются остановки картинки. Когда она близка или совпадает с частотой сигнала, то картинка замирает и становится статичной. Вот главный принцип работы прибора.

Основы управления

Большинство ручек, кнопок, переключателей осциллографа пригодятся только для профессионалов электронщиков. Поэтому рассмотрим основы, которых достаточно для большинства задач. Все остальные опции по сути, это дополнения, упрощающие исследования.

Цифровой осциллограф

Цифровой осциллограф – это осциллограф, построенный на основе цифровой схемотехники. Его главное отличие от аналогового в том, что внутри него идет цифровая обработка сигналов. Цифровой осциллограф может записывать, останавливать, автоматически подгонять и измерять исследуемый сигнал. И это только часть функций!

Как подготовить цифровой осциллограф к работе

Включаем осциллограф и цепляем щуп на любой из каналов. Я соединил щуп с первым каналом (CH1)

На щупе есть делитель. Ставим его ползунок на 10Х.  В осциллографе по умолчанию также должен стоять делитель на 10Х. Если это не так, ищем в его настройках и ставим в характеристиках канала “10Х”.

Каждый нормальный цифровой осциллограф имеет встроенный генератор прямоугольных импульсов с частотой 1000 Герц (1кГц) и амплитудой напряжения в 5 Вольт. Чаще всего этот генератор находится в нижнем правом углу. В нашем случае он называется Probe Comp. Цепляемся за него щупом.

Все должно выглядеть приблизительно вот так:

На дисплее в это время происходит какой-то

[quads id=1]

В этом осциллографе есть волшебная кнопка, от которой я без ума. Это кнопка автоматического позиционирования сигнала Autoscale. Нажал на эту кнопку

Согласился с условиями автоматического позиционирования сигнала

и готово!

Но что такое? У нас должен быть ровный прямоугольный периодический сигнал! Вся проблема в том, что щуп осциллографа вносит искажения в сам сигнал, поэтому, его  желательно корректировать каждый раз перед работой.

В современных щупах есть маленький винтик, заточенный под тонкую отвертку. С помощью этого винтика мы будем корректировать щуп.

Крутим и смотрим, что у нас получается на дисплее.

Ого, слишком сильно крутанул винт.

Крутим чуточку в обратную сторону и выравниваем горизонтально вершины сигнала.

Вот! Совсем другое дело! На дисплее у нас ровные прямоугольные сигналы, следовательно на этом этапе цифровой осциллограф полностью готов к работе.

Как измерить постоянное напряжение цифровым осциллографом

Итак, первым делом выбираем, какое напряжение собираемся измерять. Это делается с помощью кнопочки Coupling (нажимаем клавишу Н1). DC – direct current, что с английского означает “постоянный ток”.

 Справа экрана сплывают окошки, и мы выбираем DC (нажимаем клавишу F1)

Все, после этого наш осциллограф полностью готов к измерению постоянного тока.

Откуда будем брать постоянный ток? У меня для этого есть блок питания. Выставим на нем для примера 5 Вольт.

Соединяем щупы блока питания и осциллографа. Сигнальный щуп осциллографа желательно соединять с красным плюсовым крокодилом щупа блока питания, а черный щуп (земля) соединить с минусовым черным крокодилом.

Смотрим на дисплей осциллографа

Что мы тут видим? А видим мы тут осциллограмму постоянного напряжения.  Постоянное напряжение – это такое напряжение, которое не изменяется во времени.

[quads id=1]

На что стоит обратить внимание? Разумеется, на цену деления. Один квадратик по вертикали у нас равен 2 Вольта. Если считать от центра пересечения жирных штриховых линий, то осциллограмма находится на высоте 2,5 стороны квадратика. Значит, напряжение будет 2,5х2=5 Вольт. Так как мне лень считать, я вывожу эти показания осциллографа прямо на экране (нижняя левая зеленая рамка).

Как измерить переменное напряжение цифровым осциллографом

Для опытов я возьму ЛАТР (Лабораторный автотрансформатор). Как вы помните, ЛАТР понижает или повышает переменное сетевое напряжение.

Выставляем напряжение на ЛАТРе 100 Вольт.

На осциллографе переключаем на АС, что означает alternating current  – переменный ток.

Цепляемся к выходным разъемам ЛАТРа и наблюдаем такую картину.

С помощью кнопки “Measure” я вывел некоторые интересующие нас параметры:

Vk – среднеквадратичное значение напряжения. В данном случае он  нам показывает напряжение, которое мы подавали с ЛАТРа – это 100 Вольт.

F – частота. В данном случае это частота сети 50 Герц. ЛАТР не меняет частоту сети.

T – период. T=1/F. Как мы с вами видим частота напряжения в сети 50 Герц. Период равен 20 миллисекунд. Если единицу разделить на 20 миллисекунд, то мы как раз получим частоту сигнала.

Как вывести все параметры сигнала

Мы будем рассматривать все наши измеряемые параметры на конкретном примере. Для этого будем использовать генератор частоты  с заранее выставленной частотой в 1 Мегагерц (ну или 1000 КГц) с прямоугольной формой сигнала:

Сигнал с генератора частоты на экране осциллографа выглядит вот так.

А где же правильный прямоугольный сигнал? Вот тебе и раз… Ничего с этим не поделаешь. Это есть, было и будет у всех прямоугольных сигналов. Это возникает вследствие несовершенства цепей и радиоэлементов. Особенно хорошо такая осциллограмма прорисовывается на высоких частотах, как в нашем примере.

Ладно, давайте выведем все параметры сигнала, которые может вывести наш осциллограф. Для этого нажимаем кнопочку “Measure” , что с англ. означает “измерять”

Далее нажимаем кнопочку “Add” ( с англ. – добавлять), с помощью вспомогательной клавиши H1

И потом нажимаем кнопку “Show All” (с англ. – показать всё) с помощью вспомогательной клавиши F3

В результате всех этих операций у нас выскочит табличка с измеряемыми параметрами сигнала:

Описание характеристик сигналов

Как вы знаете, осциллограф нам показывает изменение напряжения сигнала во времени. Поэтому, параметры сигналов в основном делятся на два типа:

– Амплитудные

– Временные

[quads id=1]

Давайте рассмотрим основные из них. Начнем слева-направо.

Period – с англ. период. Период сигнала – это время, за которое сигнал повторяется. В нашем случае период обозначается буквой “Т”.

Чтобы самостоятельно посчитать период, нам надо знать значение одной клетки по горизонтали. Внизу осциллограммы можно найти подсказку. Я ее пометил в желтый прямоугольник

Следовательно, одна клеточка по горизонтали равна 500 наносекунд. А так как у нас период длится ровно две клеточки, значит 500 х 2 = 1000 наносекунда или 1 микросекунда.

Сходятся ли наши расчетные показания с показаниями автоматических измерений? Смотрим и проверяем.

Стопроцентное попадание! Кстати, чтобы не было дальнейших вопросов, привожу небольшую табличку.

“Пико” – буквой “p”

“Нано” – буквой “n”

“Микро” обозначается буквой “u”, как и в маркировке современных конденсаторов.

“Милли”  – буквой “m”.

Freq. Полное название frequency – с англ. частота. Обозначается буквой “F”. Частоту очень легко можно вычислить по формуле, зная период Т.

F=1/T

В нашем случае получаем 1/1х10-6=106=1 Мегагерц (MHz).  Смотрим на наши автоматические измерения:

Ну разве не чудо? 😉

Следующий показатель Mean. В нашем случае обозначается просто буковкой “V”. Он означает среднюю величину сигнала и используется для измерения постоянного напряжения. В данный момент этот параметр не представляет интереса, потому как измеряется переменный ток и в значении этого сигнала показывается какая-то вата. Постоянный ток меряет нормально, можно вывести этот параметр на дисплей, что мы и делали в прошлой статье:

Еще один интересный параметр: PK-PK. Называется он Peak-to-Peak и показывает напряжение от пика до пика. Обозначается как Vp. Что это за напряжение от пика до пика, показано на осциллограмме ниже:

Так как мы видим, что значение нашего квадратика  равно 1 Вольту (внизу слева)

То можно высчитать и напряжение от пика до пика. Оно будет где-то эдак 5 Вольт. Сверяемся с автоматическим измерением

Почти в тютельку!

Остальные параметры сигнала не столь важны для начинающих электронщиков.

Плюсы и минусы цифрового осциллографа

Начнем с плюсов

• Запись, остановка, автоматические измерения и другие фишки – это еще не весь список, что умеет делать цифровой осциллограф
• Габариты цифрового осциллографа намного меньше, чем аналогового
• Потребление энергии меньше, чем у аналогового осциллографа
• Жидкокристаллический дисплей, в отличие от кинескопного дисплея аналогового осциллографа

Минусы

• Дороговизна
• Дискретная прорисовка сигнала. Хотя дорогие модели ничуть не уступают аналоговым по прорисовке сигнала.

Где купить цифровой осциллограф

Естественно, на Алиэкспрессе, так как в наших интернет-магазинах их цена бывает завышена в два, а то и в три раза. Также очень хорошие отзывы об осциллографе Hantek, характеристики которого даже лучше, чем у моего OWON:

Посмотреть его можете на Алиэкпрессе по этой ссылке.

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.

Начало работы

Работа с осциллографом по аналоговому прибору описывается более подробно. В роли объекта изучения можно использовать несложные модели: чрезвычайно простой учебный осциллограф н3013 или популярный С1-83. По цифровому — все то же, но он унифицирует, обобщает некоторые моменты.

В лучевой трубке Oscilloscope пучки электронов, идущие на табло, провоцируют свечение люминофора (светлая точка посередине). Отклоняющие пластины (2 пары) дают возможность гонять ее. Чем выше напряжение на клеммах, тем значительнее она подвигается. Подающееся напряжение на пласт. Х (вертикальные) инициирует пилообразную развертку, луч бегает циклически (это линия развертки или нуля). На пласт. Y подключают исследуемые величины.

Синхронизация

Перед тем, как работать с осциллографом, надо изучить основы (управление, подключение, какие щупы и прочее). Главный пункт взаимодействия — синхронизация. Если старт пилы (самое левое положение луча) и сигнала совпали, то 1 проход развертки покажет 1 или больше периодов и изображение как бы застынет. Изменяя скор. развертки делают так, что на табло будет только 1 отрезок: за 1 пер. пилы пройдет 1 пер. анализируемого сигнала.

Способы синхронизации:

1. Пила и сигнал синхронизируются, регулируя селектором скорость до остановки синусоиды
2. Задается уровень, указывают напряжение на входе для активации генератора. Пила появится, только при выставленном значении, синхронизация автоматическая. Надо учесть помехи: они могут активировать генератор ошибочно (уровень чрезмерно низкий), если очень высокий — сигнал не запустит систему.

Надо знать следующее:

• по горизонтали смещение луча прямо пропорциональное времени;
• по вертикали — пропорционально исследуемому напряжению.

Подключение

В осциллографе нет отдельных двух щупов, как у мультиметра. Есть один кабель с 2 отростками, жилами (напряжение меряют между 2 точками), втыкаемыми в розетку с 2 клеммами. Если на приборе гнезд с ними больше одного, то прибор двух или многоканальный.

Две клеммы:

• для фазы — подключена к входу усилителя, отклоняющего луч по вертикали;
• общая (земля, минус) — связана непосредственно с корпусом аппарата.

В иностранных приборах провод с «крокодилом» — земля, фаза — игла, которой тыкают в контакты проверяемых схем, в ножки микропроцессоров и прочее. В отечественной продукции часто провода одинаковые. Узнать назначение можно, коснувшись их рукой: минус (земля) — на экране ровная линия, фаза — искаженная синусоида.

Нельзя использовать любой провод для щупа — в осциллографе это только коаксиальные специальные изделия, любой другой кабель покажет чушь.

Упрощенно алгоритм использования, как подключить к анализируемой цепи и провести исследование:

1. Осциллограф ставят в удобное место, ручки приводят в нормальное или нейтральное положение.
2. Если есть калибратор, то надо откалибровать по инструкции.
3. Землю сажают на «−» или общую жилу в исследуемой схеме. Если их невозможно определить — подключают к любому из контактов, между которыми проводят исследование. Сигналом тычут по схеме.

Прибор отображает напряжение на щупе по отношению к общему проводку. На некоторых таких шнурах (прямо на них) есть делители 1:0, 1:100 с тумблерами вкл./выкл., позволяющие воткнуть концы хоть напрямую в 220 В, не рискуя сжечь прибор.

Режим входа

Регулятор с прямой и, ниже нее, волнистой чертой — это режим входа. Верхняя позиция — допустимо подавать любое напряжение. Средняя — позволяет установить развертку. Нижняя позиция — только для переменной величины, при этом подключение идет через встроенный конденсатор.

Пример: надо проанализировать помехи на БП с 12 В, их интенсивность возможна до 0.3 В. На фоне 12 В незаметно. Можно повысить коэфф. по Y, но график выйдет за монитор, а смещения не хватит для наблюдения вершины. Тогда включаем в цепь конденсатор и 12 В осядут там, а в O-Scope пойдет переменная величина — 0.3 В помех, визуализацию усиливают и разглядывают полный масштаб.

Быстрый старт

Экран размечен линиями с делениями Y (вертикаль) и X (горизонталь) – это декартовая система координат, их селекторы (большие и заметные) — главные органы управления:

• Усиление (В/дел, вольт/на деление) — масштабирует по оси Y, чтобы просмотреть весь сигнал, и там же указано, сколько В на деление в итоге отобразится. Пример: если стоит 2 В на деление, а сигнал занимает две клеточки в высоту, то амплитуда равна 4 В; при выборе 1 В и подачи синусоиды ампл. в 0.2 В она займет 4 кл.;
• Длительность (Развертка) — регулировка частоты. Тут деления в мс и мкс. Чем меньший промежуток и больше частота, тем высокочастотный сигнал можно разглядеть и по его ширине можно исчислить, сколько он клеток, а умножив на масш. по линии X, получим его длительность в сек. Можно рассчитать один период, затем — значение частоты — f=1/t. Данная ручка — для выставления скорости луча на табло слева/направо. В цифровых аппаратах — сплошная линия. Поступающий через вход сигнал отклоняет луч вверх/вниз: возникает волнообразная синусоида, пила или иная форма линии, отображая шумы, помехи.

Клавиша развертка и крутилки со стрелочками позволят гонять график по экрану для удобства его восприятия и подгонки нужного участка под квадратики сетки. А изменяя скорость, частотность бега луча (величину частоты развертки), добиваются синхронизации, замирания изображения.

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.

Измеряем напряжение

Для уменьшения погрешности, так как наблюдение визуальное, рекомендовано, чтобы график занимал 80–90 % монитора. Когда делают замеры напряжения и по частоте (есть временный интервал), надо регуляторы усиления и скорости развертки разместить в крайние правые позиции.

Порядок действий

Напряжение измеряется масштабированием по вертикали. Алгоритм:

1. Перед началом замыкают сигнал щупа на свой же земляной проводок (иглу на «крокодил») или выставляют тумблер режима входа в позицию «земля».
2. Высветится «пульс трупа», если нет, то надо подвигать смещение, стабилизацию и уровень — возможно изображение спряталось, не запустилось.
3. Регулируем селекторами смещение полосы на ноль и регулятором «вверх-вниз» выставляем развертку на горизонталь сетки, так можно будет корректно рассчитать высоту осциллограммы. Если осциллограф старый или аналоговый, то надо ему дать прогреться минут 5.
4. Выставляем предел измерений по напряжению, рекомендовано брать с запасом, потом можно уменьшить.
5. На вход дают сигнал (или его переключатель переводится в одно из рабочих позиций). На мониторе появится график.
6. Проиллюстрируем процесс: батарейка имеет 1.5 V, если прикоснуться земляным отростком щупа к ее минусу, а сигнальным — к плюсу, то появится скачок графика на 1.5 Вольта.

Для нахождения высоты графика осциллограмму подвигают селектором, чтобы отметка, по которой исчисляется амплитуда, была на центральной вертикали с долями. Получим чувствительность отклонения — 1 в/дел, размер осциллогр. — 2.6 дел., а отсюда ампл. = 2.6 В.

Ниже иллюстрация на аналоговом аппарате: 3.4 дел. — макс. напряжения. На соседнем рисунке — масштабирование по вертикали. Регулятор «плавно» (часть с зеленой риской) – в правой предельной позиции, черточка тумблера чувствительности — 0.5 в/дел. Множитель по масшт. — ×10. Расчет напряжения:

Измерение частоты

Частота — это временная характеристика, интервалы, периоды сигнала; их измерение — прямое назначение осциллографа. Исследуемое значение всегда обратно пропорционально его периоду, который можно замерить в любой области осциллограммы. Но комфортнее и точнее это сделать в точках пересечения графика с горизонталью по центру (ось времени).

Перед исследованием полосу развертки выставляем на центральную горизонталь. Используя ручку со стрелкой в обе стороны, смещаем начало периода с самой крайней левой полосой на мониторе. В нашем случае промежуток = 6.8 дел., скор. развертки — 100 мкс/дел. Исчисления:

Выше на схожих двух рисунках те же сигналы, но при разной скорости развертки. По первому изображению исчисление частоты (точное значение — 1.459 кГц) имеет большую погрешность, по второму — меньшую, так как большую точность при измерении получают, если растянуть картинку.

На втором рисунке период чуть превышает 6.8 дел. и частота в реальности чуть ниже (1.459 КГц), чем полученная (1,47 КГц). Отклонение меньше 1 %, это допустимо и считается высокой точностью, ее обеспечит цифровой O-Scope (с линейной разверткой). В аналоговых моделях отклонение было бы выше. Характерная закономерность: с увеличением периода снижается частота (пропорция обратная), и наоборот.

Измеряем сдвиг фаз

Иногда бывает, что фазы напряжения и тока расходятся (при проходе через конденсаторы, индуктивность). С двухканальным O-scope возможно посмотреть уровень различий.

Сдвиг фаз покажет два процесса в движении, их положение с колебаниями. Измеряют не в ед. времени (горизонталь), а в долях промежутка сигнала (ед. угла). Одинаковому взаимному размещению сигналов соответствует такой же сдвиг, и он не зависит от периода и частоты. Поэтому измерения достовернее при максимальном растяжении периодов на мониторе.