Принцип работы осциллографа

В итоге, генератор развертки выдает пилу только тогда, когда надо. В этом случае синхронизация получается полностью автоматической. При выборе уровня следует учитывать такой фактор, как помехи. Так что если взять слишком низкий уровень, то мелкие иголки помех могут запустить генератор когда не нужно, а если взять уровень слишком большой, то сигнал может под ним пройти и ничего не случится. Но тут проще покрутить ручку самому и сразу же все станет понятно.

Также сигнал синхронизации можно подать и с внешнего источника.

Подробно о том, как устроены и работают осциллографы смотрите здесь: Электронный осциллограф

Итак, в топку теорию, переходим к практике

Показывать буду на примере своего осциллографа, спертого когда то давно с оборонного предприятия КБ “Ротор” :). Обычный осцил, не шибко навороченный, но надежный и простой как кувалда.

Яркость, фокус и освещение шкалы думаю не требуют пояснений. Это настройки интерфейса.

Усилитель У и стрелочки вверх вниз. Эта ручка позволяет гонять изображение сигнала вверх или вниз. Добавляя ему дополнительное смещение. Зачем? Да иногда не хватает размера экрана, чтобы вместить весь сигнал. Приходится его загонять вниз, принимая за ноль не середину, а нижнюю границу.

Ниже идет тумблер переключающий ввод с прямого, на емкостный. Этот тумблер в том или ином виде есть на всех без исключения осциллографах. Важная вещь! Позволяет подключать сигнал к усилителю либо напрямую, либо через конденсатор. Если подключить напрямую, то пройдет и постоянная составляющая и переменная. А через кондер проходит только переменная.

Например, надо нам посмотреть на уровень помех блока питания компа. Напряжение там 12 вольт, а величина помех может быть не более 0.3 вольт. На фоне 12 вольт эти жалкие 0.3 вольт будут совсем незаметны. Можно, конечно увеличивать коэффициент усиления по Y, но тогда график вылезет за экран, а смещения по Y не хватит, чтобы увидеть вершину. Тогда нам нужно лишь врубить конденсатор и тогда те 12 вольт постоянки осядут на нем, а в осциллограф пройдет только переменный сигнал, те самые 0.3 вольта помехи. Которые можно усилить и разглядеть в полный рост.

Еще почти на каждом осциллографе есть калибровочный выход. На котором ты всегда можешь найти прямоугольный сигнал частотой 1Кгц и напряжением около полувольта. В зависимости от модели осцила. Используется для проверки работы самого осциллографа, ну иногда и в тестовых целях пригождается 🙂

Две здоровенные крутилки Усиление и Длительность

Усиление служит для масштабирования сигнала по оси Y. Там же показано сколько вольт на деление в итоге покажет.

Скажем, если у тебя стоит 2 вольта на деление, а сигнал на экране достигает высоты две клеточки размерной сетки, значит амплитуда сигнала равна 4 вольта.

Длительность определяет частоту развертки. Чем короче интервал, чем больше частота, тем более высокочастотный сигнал ты сможешь разглядеть. Тут клеточки проградуированы уже в милли и микросекундах. Так что по ширине сигнала ты можешь посчитать сколько он клеток, а умножив его на масштаб по оси Х получишь длительность сигнала в секундах. Также можно посчитать длительность одного периода, а зная длительность легко найти частоту сигнала f=1/t

Верхняя пипка на крутилках позволяет менять масштаб плавно. Обычно у меня она стоит на щелчке, чтобы я всегда четко знал какой у меня масштаб.

Также там есть вход Х на который можно подать свой сигнал, вместо пилы развертки. Таким образом осциллограф может послужить телевизором или монитором, если собрать схему которая будет формировать изображение. Крутилка с надписью Развертка и стрелочками влево и вправо позволяет гонять график по экрану влево и вправо. Удобно иногда бывает, чтобы подогнать нужный участок под деления сетки.

Переключатель со внутренней на внешнюю, позволяет подать на вход синхроимпульсы с внешнего источника.

Переключатель с надписью +/- переключает полярность уровня. Есть не на всех осциллографах.

Как только появилась полоса, то выстави крутилками смещения её на ноль. Если у тебя аналоговый осциллограф, особенно если древний, то дай ему прогреться. У моего после включения ноль плавает еще минут пятнадцать.

Дальше выстави предел измерений по напряжению. Бери с запасом, если что уменьшишь. Теперь если земляной провод осциллографа приложишь к минусу батарейки, а сигнальный к плюсу, то увидишь как график скакнет на полтора вольта. Кстати, старые осциллографы зачастую начинают подвирать, поэтому по эталонному источнику напряжения полезно посмотреть насколько точно он отображает напряжение.

Если ты только начал, то тебе подойдет любой. Крайне желательно если он будет двухканальным. То есть у него будет два щупа и две крутилки Усиления, для первого и второго канала, что позволяет одновременно получить два графика.

Источник

Как правильно пользоваться осциллографом

Как пользоваться осциллографом, надо знать каждому, кто желает углубить свои навыки в починке, обслуживании электротехники, в диагностических мероприятиях. Осциллограф предназначен для мониторинга изменений напряжения во времени. Устройство оснащено экраном с движущейся разверткой, показывающую графики, амплитуду, синусоиду колебаний за определенные периоды.

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:

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

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

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:

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.

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:

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.

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.

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.

Надо знать следующее:

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.

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:

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:

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.

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:

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.

Порядок действий

φ — модуль угла, промежуток между начальной и финишной точками периода. Далее, φ узнаем по правилу: 1 промежуток любого колебания = 360° (это стабильная пропорция).

Замеры возможны и по концам периодов (Д и Е), но в правом сегменте монитора линейность плохая, вероятность погрешностей увеличивается.

Пример исчисления с графической иллюстрацией:

Видео по теме

Источник