Зачем нужен осциллограф: принцип работы и как им пользоваться

Что такое осциллограф

Осциллограф позволяет визуально изучать характеристики сложных сигналов, рассчитывать временные и амплитудные параметры. Аналоговые модели отображают данные в режиме реального времени, современные цифровые модели позволяют архивировать информацию и анализировать ее. Для сравнения сигналов используются устройства с различными информационными входами. В зависимости от решаемых задач существуют модификации в виде компьютерных приставок или совмещенные с другим измерительным оборудованием.

Краткая история

История осциллографа насчитывает более 100 лет. В разное время над усовершенствованием устройства работали такие известные люди, как Адре Блондель, Роберт Андреевич Колли, Уильям Крукс, Карл Браун, И. Ценнек, А. Венельт, Леонид Исаакович Мандельштам и многие другие.

Кстати, вы знали, что первый тип осциллографа был создан в Российской империи? Это сделал в 1885 году русский физик Роберт Колли. Прибор назвали осциллометром. Осциллографы того времени сильно отличались от тех, что используются сегодня!

Для чего предназначен осциллограф

Электроники и радиолюбители используют осциллограф для измерения:

• амплитуда электрического сигнала — соотношение напряжения и времени;
• анализировать изменение фазы;
• увидеть искажение электрического сигнала;
• по результатам рассчитать частоту тока.

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

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

Большую часть этой информации можно получить с помощью вольтметра. Однако вам нужно будет проводить измерения каждые несколько секунд. При этом высок процент расчетных ошибок. Работа с осциллографом значительно экономит время при получении необходимых данных.

Принцип действия осциллографа

Осциллограф производит измерения с помощью электронно-лучевой трубки. Это лампа, которая фокусирует анализируемый ток в пучок. Он попадает в экран устройства, отклоняясь в двух перпендикулярных направлениях:

• по вертикали: показывает исследуемое напряжение;
• горизонтальный — показывает прошедшее время.

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

Горизонтальные пластины также подвергаются воздействию электрического тока, который отклоняет экран напряжения луча. Положительный заряд находится сверху, отрицательный – снизу. Итак, на экране прибора появляется линейный двумерный график, который называется осциллограммой.

Расстояние, которое проходит луч от левого до правого края экрана, называется разверткой. Горизонтальная линия отвечает за время измерения. В дополнение к стандартной двухмерной линейной диаграмме имеются также круговые и спиральные развертки. Однако пользоваться ими не так удобно, как классическими осциллограммами.

Классификация и виды

Существует два основных типа осциллографов:

• аналоговые — устройства для измерения средних сигналов;
• цифровые – устройства преобразуют полученное значение измерения в «цифровой» формат для дальнейшей передачи информации.

По принципу действия существует следующая классификация:

1. Универсальные модели.
2. Специальное оборудование.

Самыми популярными являются универсальные устройства. Эти осциллографы используются для анализа различных типов сигналов:

• гармонический;
• индивидуальные импульсы;
• пакеты повышения.

Универсальные устройства предназначены для различных электрических устройств. Они позволяют измерять сигналы в диапазоне нескольких наносекунд. Погрешность измерения составляет 6-8%.

Универсальные осциллографы делятся на два основных типа:

• моноблочный – имеет общую измерительную специализацию;
• со сменными блоками — адаптируются к конкретной ситуации и типу устройства.

Для отдельных видов электрооборудования разрабатываются специальные устройства. Итак, есть осциллографы для радиосигнала, телевизионной передачи или цифровой техники.

Универсальные и специальные устройства делятся на:

• высокая скорость: используется в высокоскоростных устройствах;
• память: устройства, которые хранят и воспроизводят ранее созданные индикаторы.

При выборе устройства следует внимательно изучить номиналы и типы, чтобы приобрести устройство для конкретной ситуации.

Устройство

Среди всех измерительных приборов осциллограф считается одним из самых сложных по своему устройству. И не зря. Ведь по принципу работы он сравним с телевизором. Единственная разница заключается в форме сигнала, обрабатываемого этими устройствами.

Он основан на электронно-лучевой трубке. Показывает состояние электрического входного сигнала. Чтобы изображение соответствовало форме сигнала, электронный луч осциллографа управляется генератором линейной развертки. (изображение)

В осциллографе электронно-лучевая трубка в вашем устройстве имеет две пары дефлекторных пластин. Именно они управляют положением электронного луча на экране.

Первая пара горизонтальная. Он отвечает за отклонение луча в этой плоскости. Он питается пилообразным напряжением от генератора строчной развертки. Затем напряжение возрастает. Это приводит к горизонтальному изгибу балки. Луч отступит и снова начнет двигаться в тот момент, когда импульс резко уменьшится. Сам момент возвращения молнии не должен быть виден. В это время на экран подается напряжение гашения луча.

Чтобы лучше понять принцип работы устройства, можно изучить структурную схему осциллографа. По его словам, помимо прочего, выясняется, что устройство включает в себя горизонтальный и вертикальный каналы.

Горизонтальная развёртка

Горизонтальный соединительный канал соединен с генератором развертки. Генерирует сигналы горизонтального отклонения луча. Генератор X (развертки) работает в различных режимах.

• Внутренняя синхронизация. Автоколебания с задаваемой вручную частотой;
• Внешняя синхронизация. От входных импульсов запускается генератор. Включает три режима: запуск от внешнего источника, по фронту импульсов или их падению;
• Синхронизация питания (50 Гц);
• Ручной запуск. Тоже звонил один раз.

При изучении стабильных сигналов удобно использовать режим внутренней синхронизации. В этих условиях изображение останется неподвижным. Для повышения стабильности можно организовать захват частоты на входе с помощью генератора развертки.

Этот режим также называется дежурным. В нем генератор запускается при достижении входным сигналом определенного уровня. Или из внешнего источника. В режиме внешней синхронизации удобно исследовать неустойчивые колебания, особенно при наличии синхронизации между генератором развертки и самой схемой источника колебаний. Прибор можно регулировать для точной установки уровня, при котором запускается генератор.

Если синхронизация происходит от сети, то начало развертки будет синхронизировано с колебаниями сетевого напряжения. Поэтому для наблюдения за помехами и искажениями предусмотрена и синхронизация от сети. Ручная синхронизация подходит для изучения различных непериодических сигналов. Например, в логических схемах.

Вертикальная развёртка

Канал вертикального отклонения называется каналом Y, аналогично горизонтальной оси Y в системе координат. В нем обрабатывается исследуемый входной сигнал. Этот сигнал поступает в канал через аттенюатор. Фейдер — это ступенчатый регулятор уровня. Это делается для того, чтобы амплитуда измеряемого параметра не превышала допустимого уровня. И изображение, со своей стороны, не вышло за пределы экрана. Канал Y может посылать сигнал на генератор горизонтального отклонения для его синхронизации.

Обычно канал вертикального отклонения работает в открытом режиме. Это означает, что само отклонение луча будет четко соответствовать уровню сигнала. Наличие постоянной составляющей мешает наблюдению за колебаниями. Происходит это из-за того, что изображение будет слишком далеко отодвинуто к краям экрана сверху или снизу. Она также может выходить за рамки. Эту постоянную составляющую можно удалить, если включен режим закрытого ввода. Или отрегулируйте диммер в соответствии с размером экрана.

О закрытом подъезде. Сигнал поступает через конденсатор, который не мешает переменному напряжению. Затем оба канала имеют готовые усилители, формирующие нужные уровни сигналов, которые подаются на отражатели.

Основные параметры осциллографа

Осциллограф имеет ряд функций, которые помогут вам лучше определить ваши приложения.

Сопротивление входа

Большинство осциллографов имеют входное сопротивление 1 МОм. Это нужно для того, чтобы вход самого устройства не искажал схему. Для этого ваш резистор должен быть достаточно большим.

Верхняя граница частоты исследуемого сигнала

Это тоже очень важный параметр. Теперь осциллографы могут работать с колебаниями частоты в гигагерцах. А это означает не только частоту сигнала, но и длительность его фронта и затухания тех или иных импульсов. Другими словами, время измерения амплитуды.

Это особенно полезно при изучении сигналов несинусоидальной формы. Сигнал имеет больше гармонических составляющих с высокой частотой, поскольку форма волны приближается к прямоугольной. И входные цепи должны быть рассчитаны на такие частоты. В противном случае задняя и передняя стенки импульсов изображения будут искажены. Форма импульса не будет соответствовать действительности, хотя частота будет правильной.

Здесь важно отметить, что при исследовании прямоугольных колебаний максимально допустимая частота осциллографа должна в несколько раз превышать частоту сигнала.

Допустимые значения уровня

Ясно, что небольшие колебания уровня вряд ли вызовут отклонения луча электронно-лучевой трубки. Да еще и выйти за допустимые пределы разрешающей способности аналого-цифрового преобразователя частоты. Высокие значения, в свою очередь, могут вызвать самые разные реакции, от искажения изображения до отключения входной схемы всего устройства.

Типы осциллографов

Катодно-лучевые осциллографы делятся на:

• Аналогичная вещь;
• Цифровой;
• Аналоговый с цифровой обработкой сигнала.

Аналоговые осциллографы

Сначала, очевидно, были аналоговые осциллографы, потому что для работы прибора использовались аналоговые детали. Они дали довольно точную картину формы волны. Однако они вообще не смогли измерить амплитуды и частоты. Определив эти характеристики, была создана нелинейность. Он был создан из-за искажений, которые вносил вместе с этим входной тракт и движение электронного луча. Полученные данные можно было использовать только для оценочных измерений. А наблюдение было возможно только в случае периодического сигнала.

С появлением ЭЛТ появилась возможность организовать память для горизонтального движения луча. Это было необходимо для оценки интерференции отдельных импульсов и сигналов.

Цифровые осциллографы

Современные цифровые осциллографы обладают гораздо большими возможностями. В них тракт обработки цифрового сигнала затем подается от входной схемы осциллографа к аналого-цифровому преобразователю. Этот алгоритм позволяет наиболее точно измерять такие параметры, как частота повторения, длительность импульса, напряжение. А с помощью запоминающего устройства (USB-осциллографа) можно сохранить любую часть осциллограммы без специального оборудования.

Существует два типа цифровых осциллографов. Они были разделены по принципу использования дороги. Для одних это было дополнением к аналоговым измерениям, для других использовалось для формирования изображения.

Приборы первого типа не отличаются от аналоговых и имеют дополнительную возможность измерения. Последние максимально похожи на цифровые, отличаясь только отображением информации.

В современных осциллографах для отображения информации используются жидкокристаллические дисплеи. Помимо осциллограммы, он показывает все параметры, которые измеряет прибор:

• Среднее напряжение;
• Амплитудное напряжение;
• Фазовые изменения;
• Длительность импульса;
• Длительность затухания импульсов;
• Передняя длина.

Благодаря этому набору возможностей одно устройство может заменить большинство других измерительных устройств.

Как видите, некоторые другие полезные качества цифровых осциллографов:

• Большие возможности для запоминания образов;
• Запоминание параметров сигнала на разных временных интервалах;
• Хранилище данных;
• Вывод информации на печать;
• Передача информации на внешние носители.

Отличие аналогового осциллографа от цифрового

Принципиальное различие между этими разновидностями заключается в размерах, возможностях запоминания, а также в способах обработки. Например, аналоговые осциллографы выдают сигнал в реальном времени, без возможности записи. Аналого-цифровые модели позволяют увидеть динамику изменений во времени или по амплитуде.

Полностью цифровые аналоги, соответственно, способны к цифровой обработке, оцифровке синусоиды и передаче полученной информации на экран. Обратите внимание, что кольцевой буфер не позволяет хранить большие объемы данных. Поэтому, если пользователю необходимо записать пять-десять минут осциллограмм, потребуется осциллограф с большой глубиной памяти (памяти).

Существуют также цифровые осциллографы с режимом сегментированной памяти, позволяющим записывать только определенную информацию, вид которой задается пользователем через меню. Это позволяет изучать уникальные или редко повторяющиеся процессы.

Где применяют осциллографы?

Информация, предоставленная осциллографом:

• значения напряжения, временные параметры колебаний;
• фазовый сдвиг, искажение импульсов на разных участках цепи;
• частотность (определяется путем фиксации ее временных характеристик);
• переменная и постоянная составляющие колебаний;
• цепные процессы.

Осциллографы используются как в практических, так и в исследовательских целях. Для простых измерений можно использовать мультиметр, но в большинстве случаев без осциллографа не обойтись.

Приборы для измерения вибрации используются при установке электронного оборудования. Например, для настройки телевизионного сигнала необходимо получить его осциллографическое изображение. Применяются также приборы при ремонте блоков питания, диагностике печатных плат.

При ремонте автомобилей прибор поможет получить данные о положении коленвала и распредвала, датчики положения. Эти осциллограммы расскажут о наличии импульса в катушке, укажут на неисправность свечей и проводов, диодного моста генератора.

Медицинское оборудование (кардиографы, энцефалографы) также работает по принципу осциллографии. В живых организмах возникают только измеряемые ими электрические колебания.

Наблюдение фигур Лиссажу

При одновременной подаче сигналов с частотами, примерно равными входным сигналам осциллографа, на экране будут видны характерные изображения. Этот метод используется для настройки генератора на эталонный образец.

Фигура Лиссажу на аналоговом ЭЛТ-приборе

Курсорные измерения

Для повышения точности измерений на экран выводятся вспомогательные координатные полосы (курсоры). При хорошем оборудовании осциллограф отображает отдельные датчики в цифровом виде.

Математические функции

Некоторые модели современных осциллографов (блоки для подключения к компьютеру) способны обрабатывать сигналы по сложному алгоритму. Искомый вариант описывается соответствующей математической функцией: сложение, вычитание и т.д.

Захват строки телевизионного сигнала

Судя по названию, этот режим предназначен для изучения телевизионного сигнала. Главной особенностью является специальный тайминг, позволяющий отображать на экране необходимое количество строк.

Как выполняются измерения

Экран осциллографа разделен на маленькие ячейки, называемые делениями. В зависимости от устройства каждый квадрат будет равен определенному значению. Наиболее популярное обозначение: дивизия — 5 единиц. Кроме того, на некоторых устройствах есть ручка для управления масштабом графика, чтобы пользователям было удобнее и точнее проводить измерения.

Читайте также: Как подключить трехфазный электродвигатель к сети 220 вольт через конденсатор

Перед началом любого вида измерения необходимо подключить осциллограф к электрической цепи. Пробник подключается к любому из свободных каналов (если в приборе более 1 канала) или к генератору импульсов, если он имеется в приборе. После подключения на экране устройства появятся различные изображения сигналов.

Если сигнал, принимаемый устройством, прерывистый, значит, проблема связана с подключением зонда. Некоторые из них снабжены миниатюрными винтами, которые нужно закручивать. Также в цифровых осциллографах функция автоматического позиционирования решает проблему прерывистого сигнала.

Измерение тока

При измерении тока с помощью цифрового осциллографа вам необходимо знать, какой тип тока вы хотите наблюдать. Осциллографы имеют два режима работы:

• Прямой ток («DC») для постоянного тока;
• Переменный ток («AC») для переменных.

Постоянный ток измеряется при включенном режиме «Постоянный ток». Измерительные провода прибора должны быть подключены к источнику питания непосредственно в соответствии с полюсами. Черный крокодил присоединяется меньше всего, красный крокодил присоединяется больше всего.

На экране устройства появится прямая линия. Значение вертикальной оси будет соответствовать параметру постоянного натяжения. Силу тока можно рассчитать по закону Ома (напряжение, деленное на сопротивление).

Переменный ток представляет собой синусоиду, потому что напряжение тоже переменное. Поэтому его значение можно измерить только в определенный период времени. Параметр также рассчитывается по закону Ома.

Измерение напряжения

Чтобы измерить напряжение сигнала, вам нужна вертикальная ось координат линейного двумерного графика. Из-за этого все внимание будет обращено на высоту сигнала. Поэтому, прежде чем приступить к наблюдению, следует настроить экран более удобно для измерения.

Затем переводим устройство в режим постоянного тока. Присоединяем щупы к цепи и наблюдаем за результатом. На экране устройства появится прямая линия, значение которой будет соответствовать напряжению электрического сигнала.

Измерение частоты

Прежде чем понять, как измерить частоту электрического сигнала, нужно знать, что такое период, так как эти два понятия взаимосвязаны. Период – это наименьший период времени, после которого амплитуда начинает повторяться.

Период легче увидеть на осциллографе, используя горизонтальную ось времени. Нужно только отметить, через какой промежуток времени линейный график начинает повторять свой рисунок. Начало периода лучше рассматривать как точки касания с горизонтальной осью и конец повторения одной и той же координаты.

Для более удобного измерения периода сигнала скорость развертки уменьшена. В этом случае погрешность измерения не так велика.

Частота представляет собой величину, обратно пропорциональную анализируемому периоду. То есть, чтобы измерить значение, вы должны разделить одну секунду времени на количество периодов, которые происходят в течение этого периода. Результирующая частота измеряется в Герцах, стандартом для России является 50 Гц.

Измерение сдвига фаз

Рассматривается фазовый переход: взаимное положение двух колебательных процессов во времени. Параметр измеряется в долях периода сигнала, так что независимо от характера периода и частоты одни и те же смещения имеют общее значение.

Первое, что нужно сделать перед измерением, это выяснить, какой из сигналов отстает от другого, а затем определить значение знака параметра. Если ток опережающий, то параметр изменения угла отрицательный. В том случае, если напряжение опережает, знак значения положительный.

Для расчета степени фазового перехода необходимо:

1. Умножьте 360 градусов на количество ячеек сетки между началом периодов.
2. Разделите результат на количество делений, занимаемых периодом сигнала.
3. Выберите отрицательный или положительный знак.

Неудобно измерять фазовый сдвиг на аналоговом осциллографе, т к графики, отображаемые на экранах, имеют одинаковый цвет и масштаб. Для наблюдений такого типа используют цифровое устройство или двухканальные устройства для вынесения разных амплитуд в отдельный канал.

Как выбрать осциллограф: параметры, на которые стоит обратить внимание

Чтобы выбрать прибор для деталей следующей операции, недостаточно знать, что измеряет осциллограф и как он работает. Также необходимо выбрать его технические характеристики. К наиболее важным показателям относятся:

1. Пропустить полосу. Определяет максимальный диапазон частот, в котором можно точно измерить сигналы с затуханием до 70,7 % или меньше%.
2. Частота дискретизации. Определяет количество выборок, сделанных прибором за 1 секунду работы. Оптимально выбрать такой показатель, чтобы он более чем в 5 раз превышал максимальную частоту исследуемого сигнала.
3. Настройки времени. Определяет точность прибора путем измерения времени нарастания исследуемых сигналов.
4. Глубина памяти. Каждое устройство имеет свой собственный ресурс для записи. И чем больше глубина памяти, тем дольше она позволит получить запись.
5. Время просыпаться. Влияет на точность прибора при определении времени нарастания входящих сигналов.
6. Вертикальное разрешение аналого-цифрового преобразователя. Указывает точность прибора при преобразовании аналогового сигнала в цифровой. Чем он выше, тем выше целостность сигнала.
7. Вертикальная чувствительность. Показаны возможности усилителя системы вертикального отклонения. Особенно это актуально при работе со слабыми входными сигналами.
8. Количество и тип рабочих каналов. Для аналоговых осциллографов достаточно 2, 4 или 8 каналов. С их помощью можно будет получить всю необходимую для исследования информацию. Но в случае цифровых моделей, где реализована параллельная передача информации, без 8, а иногда и 16 дополнительных каналов не обойтись.
9. Система запуска. Отвечает за захват сигнальных событий. Это относится к более детальному анализу. С его помощью повторяющиеся формы сигналов отображаются четко и правильно. Погрешность изображения и анализа входящего сигнала зависит от гибкости системы активации и ее начальной точности.
10. Парные зонды. К щупам предъявляется ряд строгих требований. Поэтому собственная мощность должна быть минимальной и не создавать чрезмерной нагрузки на сеть тестируемого устройства. Но полоса пропускания пробника должна быть как можно ближе к полосе пропускания самого осциллографа.
11. Простота и удобство в обращении. Прибор должен эксплуатироваться людьми с разным уровнем квалификации и подготовки. За комфорт работы отвечает интерфейс, продуманность навигации и т.д.
12. Выполнение автоматических измерений. Ускорьте и упростите получение сигналов.
13. Программное обеспечение. Чем гибче программное обеспечение осциллографа, тем эффективнее оно может быть в процессе диагностики электрических и оптических цепей. Это будет особенно полезно при выполнении тестов на соответствие.
14. Система навигации и анализа. Это важно при поиске аномалий в сигнале. Автоматизируйте этот процесс, ускорьте результат.
15. Тип мощности. Осциллограф может питаться от сети или от встроенного аккумулятора. Последний вариант питания в основном реализован в полевых устройствах.
16. Наличие дополнительных программных опций. Устройство должно обеспечивать как текущие, так и потенциальные требования. Некоторые модели дополнительно позволяют расширить полосу пропускания, добавить новые опции работы, увеличить память каналов.
17. Интерфейсы Удобно, когда устройство можно подключить напрямую к ПК или передавать информацию через съемные носители. Так работать с документацией, обменом данными будет проще и быстрее.

Количество каналов

В зависимости от количества каналов осциллографы могут быть одноканальными, простыми (2-4 канала), расширенными (до 16 каналов). Несколько каналов позволяют одновременно анализировать входящие сигналы.

Тип питания

Устройство с аккумулятором можно брать с собой в дорогу. Это удобно для мастеров, обслуживающих технику на своей территории. Если отключений нет, то лучше взять сетевой осциллограф, так как он более стабилен и надежен.

Частота дискретизации

Частота дискретизации важна для измерения переходных процессов и переходных процессов. Чем выше этот параметр, тем точнее можно получить изображение сигнала на экране.

Полоса пропускания

Для простых исследований цифровых схем и усилителей оптимальная звуковая частота 25 МГц.Для профессиональных измерений нужен прибор с этим параметром до 200 или даже 500 МГц.Современные линии связи работают на очень высоких частотах. Частота исследуемых сигналов должна быть в 3-5 раз меньше ширины полосы.

Глубина памяти

Всегда присутствует в цифровых моделях (DSO = цифровой запоминающий осциллограф). Чем медленнее скорость развертки, тем точнее показания и тем больше значений прибор должен хранить в памяти. Чем глубже память, тем лучше. Но иногда есть и негативный момент — при медленных измерениях прибор тормозит, при выборе товара нужно поинтересоваться этим нюансом.

Обновление экрана

Чем чаще обновляется монитор, тем меньше «мертвого времени» требуется для обработки захваченной информации, тем быстрее будут обновляться осциллограммы. Устройство, скорее всего, покажет дискретный артефакт. Впрочем, это имеет значение только для любителей электроники.

Как правильно пользоваться осциллографом

После того, как устройство и представления будут ясны, вы должны понять, как использовать осциллограф.

Начнем с калибровки. Для этого предусмотрены встроенные выходы калибратора, в которых значения частоты и напряжения строго фиксированы. Изображение на экране доводят до нормы регулировкой чувствительности и частоты. Следует помнить, что щупы этого прибора имеют два вывода, один из которых заземлен — общая точка всей электрической цепи.

Далее во входном аттенюаторе нужно установить уровень напряжения измеряемого сигнала. Если неизвестно, устанавливается максимальное положение. Обычно 100 В на деление экрана. При смене диммера нужно следить, чтобы изображение занимало большую часть экрана.

Следующим шагом является установка желаемого режима синхронизации и частоты задающего генератора. Значения длительности периода колебаний задаются в регуляторе частоты. Например, переключатель установлен на 20 мс/дел. Это означает, что период колебаний длиной 20 мс уложится в деление координатной сетки. Частота будет 50Гц.

Регулируя уровень и синхронизацию, вы должны получить неподвижное изображение.

Чтобы произвести замеры, нужно следовать алгоритму:

1. Определить уровень сигнала. То есть вычисляет, сколько делений по вертикали занимает изображение.
2. Число, полученное на первом шаге, необходимо умножить на значение аттенюатора.
3. Определить продолжительность сигнала. То есть вычисляет, сколько делений по горизонтали занимает изображение.
4. Умножьте число, полученное на третьем шаге, на значение регулятора длительности.
5. Частоту необходимо определить по формуле F=1/T, где F — частота, а T — период колебаний (наименьший промежуток времени, в течение которого происходят колебания).

Основы управления

Большинство ручек, кнопок и переключателей осциллографа будут полезны только профессионалам в области электроники. Поэтому рассмотрим основы, которых хватит для большинства задач. Все остальные варианты по сути являются плагинами, упрощающими исследования.

Начало работы

Более подробно описывается работа с осциллографом на аналоговом приборе. В качестве объекта исследования можно использовать простые модели: предельно простой учебный осциллограф н3013 или популярный С1-83. Что касается цифрового, то все то же самое, но оно унифицирует, обобщает некоторые моменты.

В лучевой трубке осциллографа пучки электронов, идущие к трассеру, заставляют светиться люминофор (точка света посередине). Дефлекторы (2 пары) позволяют управлять автомобилем. Чем выше напряжение на клеммах, тем большее напряжение прикладывается к перемещению пласта. X (по вертикали) запускает пилообразную развертку, луч проходит циклически (это линия развертки или ноль) по слою Y, соединяющему исследуемые величины.

Синхронизация

Перед работой с осциллографом следует изучить основы (управление, подключение, какие щупы и т.д.). Главный момент взаимодействия – время. Если начало пилы (крайнее левое положение луча) и сигнал совпадают, то 1 проход развертки покажет 1 или более периодов и изображение застынет. Изменение скорости развертки так, чтобы на маркере был только 1 сегмент — на 1 полосу. Sierras пропустит 1 проанализированный сигнал полосы движения.

Методы синхронизации:

1. Пила и сигнал синхронизируются путем регулировки переключателя скорости до тех пор, пока синусоида не прекратится
2. Уровень установлен, указано входное напряжение для включения генератора. Пила появится только при установке значения, синхронизация автоматическая. Необходимо учитывать помехи: они могут активировать генератор по ошибке (уровень слишком низкий), если слишком высокий, сигнал не запустит систему.

Вам необходимо знать следующее:

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

Подключение

У осциллографа нет двух отдельных щупов, как у мультиметра. Есть кабель с 2-мя ответвлениями, жилами (напряжение измеряется между 2-мя точками), воткнутый в розетку с 2-мя клеммами. Если на устройстве больше одной розетки с ними, то устройство двухканальное или многоканальное.

Два терминала:

• для фазы — подключен к входу усилителя, отклоняющего луч по вертикали;
• общий (земля, минус): подключен непосредственно к корпусу устройства.

В странных приборах провод с «крокодилом» заземляется, фаза — это иголка, которая вставляется в контакты проверяемых цепей, в ножки микропроцессоров и т.д. В бытовых изделиях кабели обычно одинаковые. Узнать назначение можно, потрогав их рукой: минус (земля) — ровная линия на экране, фаза — искаженная синусоида.

Вы не можете использовать какой-либо кабель для зонда; на осциллографе это просто коаксиальные спец изделия, любые другие кабели покажут ерунду.

Упрощенный алгоритм использования, как подключиться к анализируемой схеме и провести исследование:

1. Осциллограф размещается в удобном месте, ручки выводятся в нормальное или нейтральное положение.
2. Если есть калибратор, то надо калибровать по инструкции.
3. Земля сажается на «-» или общую жилу в исследуемой цепи. Если их невозможно определить, их подключают к любому из контактов, между которыми проводят исследование. Сигнал проталкивается по схеме.

Прибор отображает напряжение на щупе относительно общей проводки. На некоторых из этих кабелей (прямо на них) есть разветвители 1:0, 1:100 с тумблерами вкл/выкл, которые позволяют подключать концы даже напрямую к 220В без риска спалить устройство.

Режим входа

Ручка с прямой линией и волнистой линией под ней — это режим ввода. Верхнее положение: допускается подача любого напряжения. Средний: позволяет установить развертку. Нижнее положение предназначено только для переменного значения, а подключение осуществляется через встроенный конденсатор.

Пример: необходимо проанализировать помеху в блоке питания с 12 В, ее интенсивность возможна до 0,3 В. На фоне 12 В она незаметна. Можно увеличить коэффициент на Y, но график будет выходить за пределы монитора и прокрутки будет недостаточно, чтобы увидеть вершину. Потом включаем в цепь конденсатор и там будет сидеть 12В, а в O-Scope пойдет переменное значение: помеха 0,3В, дисплей улучшается и проверяется полная шкала.

Быстрый старт

Экран размечен линиями с делениями Y (вертикальная) и X (горизонтальная): это декартова система координат, ее селекторы (большие и видимые) являются основными элементами управления:

• Усиление (В/дел, Вольт/дел) — масштабирует по оси Y, чтобы увидеть полный сигнал, а также указывает, сколько В на деление отображать в конце. Пример: если на деление приходится 2 В, а уровень сигнала равен двум ячейкам, то амплитуда равна 4 В; при выборе 1 В и подаче на синусоидальный усилитель 0,2 В потребуется 4 элемента.;
• Duration (Sweep) — регулировка частоты. Здесь деления в мс и мс. Чем меньше зазор и выше частота, тем выше частотный сигнал, который можно увидеть и по его ширине можно вычислить, сколько там ячеек и умножить на шкалу по линии Х, получим его длительность в секундах. Можно вычислить период, затем — значение частоты — f=1/t. Эта ручка предназначена для установки скорости луча на маркере слева направо. На цифровых устройствах: сплошная линия. Сигнал, поступающий на вход, отклоняет луч вверх/вниз: появляется волнообразная синусоида, пила или другая форма линии, показывающая шумы, помехи.

Клавиша развертки и стрелки со стрелками позволят перемещать график по экрану для облегчения его восприятия и подгонки нужной области к квадратам сетки. А изменяя скорость, частоту бегущего луча (значение частоты развертки), добиваются синхронизации, затухания изображения.

Настройка осциллографа

Перед использованием нового прибора его калибруют с помощью генератора прямоугольных импульсов, находящегося в коробке. Сигнальный щуп подключается к калибровочному выходу и на экране появляется «пила», зигзагообразная линия. Необходимо проверить работу всех функций и регуляторов.

Сейчас осциллографы регулярно используются в области электроники. Существует большой выбор приборов, позволяющих наблюдать за параметрами электрических колебаний. Без осциллографа не может обойтись ни профессиональный инженер, ни обычный радиоэлектронщик.

Измеряем напряжение

Для уменьшения погрешности, так как наблюдение визуальное, рекомендуется, чтобы график занимал 80-90% монитора. При проведении измерений напряжения и частоты (имеется временной интервал) необходимо установить регуляторы усиления и скорости развертки в крайние правые положения.

Напряжение измеряется по вертикальной шкале. Алгоритм:

1. Перед запуском замыкают сигнал пробника на собственный провод заземления (иголку на «крокодил») или ставят тумблер режима ввода в положение «земля».
2. Будет отображаться «трупный пульс», иначе нужно двигать смещение, стабилизацию и уровень; возможно образ был скрыт, не запустился.
3. Регуляторами устанавливаем смещение полосы на ноль, а развёртку по горизонтали сетки ползунком вверх-вниз, так можно будет правильно рассчитать высоту формы волны. Если ваш осциллограф старый или аналоговый, дайте ему прогреться около 5 минут.
4. Устанавливаем предел измерения напряжения, рекомендуется брать с запасом, потом можно уменьшить.
5. На вход подается сигнал (или его переключатель переводится в одно из рабочих положений). На мониторе появится график.
6. Проиллюстрируем процесс: аккумулятор 1,5В, если прикоснуться щупом заземления процесса к его минусу, а сигналом к ​​его плюсу, то вы увидите скачок на графике в 1,5 вольта.

Измерение частоты

Частота – характеристика времени, интервалов, периодов сигнала; его измерение является прямым назначением осциллографа. Исследуемое значение всегда обратно пропорционально его периоду, который можно измерить на любом участке формы сигнала. Но удобнее и точнее делать это в точках пересечения графика с горизонталью центра (осью времени).

Перед исследованием полосу развертки помещали на центральную горизонталь. Пером со стрелкой в ​​обе стороны меняем начало периода с крайней левой полосы на мониторе. В нашем случае интервал = 6,8 деления, скорость развертки — 100 мкс/дел.

Измеряем сдвиг фаз

Иногда бывает, что фазы напряжения и тока расходятся (при прохождении через конденсаторы, индуктивности). С помощью двухканального O-scope можно увидеть разницу уровней.

Фазовое изменение покажет два процесса в движении, их положение колеблется. Он измеряется не в единицах времени (по горизонтали), а в долях интервала сигнала (единица угла). Одно и то же взаимное размещение сигналов соответствует одному и тому же витку и не зависит от периода и частоты. Поэтому измерения надежнее при максимальном удлинении периодов на мониторе.

Этапы (Модель C1-83):

1. При двухканальных стрелках (вертикально) развертка располагается на центральной линии (сигнал на входе отсутствует).
2. Набрать (по вертикали) в первом наборе каналов (ступенчато и плавно) большую амплитуду, во втором сделать поменьше.
3. Скорость сборки ставим так, чтобы на маркер помещалось 1 конкретное место.
4. Уровень синхронизации выставляется таким образом, чтобы график начинался с временной шкалы (развертка, точка А) и селектора с горизонтальной линией с двумя стрелками, до крайнего левого края экрана (точка А);
5. Скорость развития (ступенчатая и плавная) достигает конца графика у самого правого вертикального края.
6. Повторяем вышеописанное, растягивая схему на весь монитор, начальная и конечная точки должны совпадать с полосой развертки.
7. Упреждение определяется, от этого зависит угол изменения (φ). Ниже, на первом рис., ток отстает от своего последующего старта (Т. А и Б). На соседнем рисунке (б) он первый, его старт не показан, поэтому смотрят на конец первого полупериода: график, который стартовал раньше, достигнет 0 первым (отметка G приближается быстрее, чем C).

φ — модуль угла, зазор между начальной и конечной точками периода. Также мы узнаем φ по правилу: 1 интервал любого колебания = 360° (это устойчивое соотношение).

Возможны измерения и в конце периодов (D и E), но в правом сегменте монитора линейность плохая, возрастает вероятность ошибок.

Ошибки при выборе и работе с осциллографом

Понимание того, как пользоваться осциллографом, приходит только с практическим опытом, теоретических знаний недостаточно: все настройки, изменения и измерения приходится делать вручную. Цифровое устройство значительно упрощает процесс, но стоимость оборудования очень высока.

Важно! Не стоит покупать старый советский прибор, потому что погрешности измерений не дадут достоверных данных, откалибровать его уже не получится.

Обязательно нужно соблюдать технику безопасности: напряжение в ЭЛТ, как и в телевизионном кинескопе, не убьет, но может парализовать. В паспорте и мануале описано, как работать с осциллографом, но здравый смысл никто не отменял — экспериментировать нужно осторожно.

Дополнительные возможности и советы

Осциллографы могут быть двухлучевыми. Для отображения большего количества сигналов необходимы двухлучевые осциллографы. Эти устройства оснащены специальной двухлучевой ЭЛТ. Его конструкция состоит из стеклянной колбы, в которой находятся две системы перегородок, независимых друг от друга.

Один сигнал выбирается в качестве основного, осциллограф привязывается к нему, а остальные наблюдают относительно основного сигнала. Для увеличения диапазона ввода используются входные делители 1:10 или 1:100, повышающие верхнее допустимое значение до 10 или 100 раз. Это необходимо учитывать при последующих расчетах, чтобы избежать ошибок. Наличие входного делителя также увеличивает входное сопротивление.

Цифровые осциллографы не требуют ручного расчета амплитуд и частот. Эти значения отображаются на экране. Кроме того, изображение можно запомнить и распечатать.

При отсутствии дополнительных входов Y для определения фазовых сдвигов необходим осциллограф с входом X с отключенной внутренней временной базой. Затем, подавая на эти входы колебания, можно сравнить фазы и частоты по «фигурам Лиссажу».