Работа с осциллографом

Как пользоваться осциллографом

Работа с осциллографомВ статье «Электронный осциллограф — устройство, принцип работы» вкратце было рассказано об этом универсальном приборе. Приведенных сведений достаточно для того, чтобы сделать процесс измерений осознанным, но в случае ремонта столь сложного прибора понадобятся более глубокие знания, ведь схемотехника электронных осциллографов весьма разнообразна и достаточно сложна.

Чаще всего в распоряжении начинающего радиолюбителя оказывается однолучевой осциллограф, но освоив приемы пользования таким прибором, не составит труда перейти на двухлучевой или цифровой осциллограф.

На рисунке 1 показан достаточно простой и надежный осциллограф С1-101, имеющий настолько малое количество ручек, что запутаться в них абсолютно невозможно. Обратите внимание, что это не какой-нибудь осциллограф для школьных уроков физики, именно таким пользовались на производстве всего лишь лет двадцать назад.

Питание осциллографа не только 220В. Возможно питание от источника постоянного тока 12В, например автомобильного аккумулятора, что позволяет пользоваться прибором в полевых условиях.

Работа с осциллографом

Рисунок 1. Осциллограф С1-101

На верхней панели осциллографа расположены ручки регулирования яркости и фокусировки луча. Их назначение понятно без объяснений. На передней панели находятся все остальные органы управления.

Два регулятора, обозначенные стрелками, позволяют регулировать положение луча по вертикали и горизонтали. Это позволяет более точно совмещать изображение сигнала на экране с координатной сеткой для улучшения отсчета делений.

Нулевой уровень напряжения находится на центральной линии вертикальной шкалы, что позволяет наблюдать двухполярный сигнал без постоянной составляющей.

Для исследования однополярного сигнала, например цифровых схем, луч лучше переместить на нижнее деление шкалы: получится одна вертикальная шкала из шести делений.

На передней панели находятся также тумблер включения питания и индикатор включения.

Переключателем «V/дел» устанавливается чувствительность канала вертикального отклонения. Усиление канала Y калиброванное, изменяется с шагом 1, 2, 5, плавной регулировки чувствительности нет.

Вращением этого переключателя следует добиться, чтобы размах исследуемого импульса был не менее 1 деления вертикальной шкалы. Только тогда можно добиться устойчивой синхронизации сигнала. Вообще следует стремиться, получить размах сигнала по возможности больше, до тех пор, пока он не вышел за пределы координатной сетки. В таком случае точность измерений возрастает.

В общем случае рекомендация по выбору усиления может быть такой: выкрутить переключатель против часовой стрелки до положения 5V/дел, после чего вращать ручку по часовой стрелке до тех пор, пока размах сигнала на экране не станет таким, как было рекомендовано в предыдущем абзаце. Это как в случае с мультиметром. если величина измеряемого напряжения неизвестна начинать измерения с самого высоковольтного диапазона.

Самое последнее по часовой стрелке положение переключателя чувствительности по вертикали обозначено черным треугольником с надписью «5ДЕЛ». В этом положении на экране возникают прямоугольные импульсы размахом 5 делений, частота импульсов 1 КГц. Назначение этих импульсов – проверка и калибровка осциллографа. В связи с этими импульсами вспоминается несколько комичный случай, который можно рассказать в качестве анекдота.

Пришел как-то к нам в мастерскую один товарищ и попросил воспользоваться осциллографом для налаживания какой-то самопальной конструкции. После нескольких дней творческих мучений слышим от него такой возглас: «Эх ты, и питание выключил, а импульсы-то какие хорошие!». Оказалось, что по незнанию он просто включил калибровочные импульсы, которые никакими ручками на передней панели не управляются.

Открытый и закрытый вход

Непосредственно под переключателем чувствительности находится трехпозиционный переключатель режимов работы, которые часто называют «открытый вход» и «закрытый». В крайнем левом положении этого переключателя возможно измерение постоянного и переменного напряжений с постоянной составляющей.

В правом положении вход усилителя вертикального отклонения включается через конденсатор, который не пропускает постоянную составляющую, зато можно увидеть переменную, даже если постоянная составляющая находится далеко от 0В.

В качестве примера использования закрытого входа можно привести такую распространенную практическую задачу, как измерение пульсаций источника питания: выходное напряжение источника 24В, а пульсации не должны превышать 0,25В.

Если предположить, что напряжение 24В при чувствительности канала вертикального отклонения 5В/дел. займет почти пять делений шкалы (ноль придется устанавливать на самую нижнюю линию вертикальной шкалы), то луч взлетит под самый верх, и пульсации в десятые доли вольта будут практически незаметны.

Чтобы точно измерить эти пульсации достаточно перевести осциллограф в режим закрытого входа, поместить луч в центр вертикальной шкалы и выбрать чувствительность 0,05 или 0,1В/дел. В таком режиме замер пульсаций будет достаточно точным. Следует заметить, что постоянная составляющая может быть достаточно большой: закрытый вход рассчитан на работу с постоянным напряжением до 300В.

В среднем положении переключателя измерительный щуп просто ОТКЛЮЧАЕТСЯ от входа усилителя Y, что дает возможность выставить положение луча, не отключая щуп от источника сигнала.

В некоторых ситуациях это свойство достаточно полезно. Самое интересное, что это положение отмечено на панели осциллографа значком общего провода, земли. Создается впечатление, что измерительный щуп соединяется с общим проводом. И что будет тогда?

В некоторых моделях осциллографов переключатель режима входа не имеет третьего положения, это просто кнопка или тумблер, переключающий режимы открытый/закрытый вход. Важно, что в любом случае такой переключатель есть.

Чтобы предварительно оценить работоспособность осциллографа достаточно коснуться пальцем сигнального (иногда говорят горячего) конца измерительного щупа: на экране должна появиться сетевая наводка в виде размытого луча. Если частота развертки близка к частоте сети, появится размытая, рваная и лохматая синусоида. При касании пальцем «земляного» конца наводок на экране, естественно, не будет.

Вот тут можно вспомнить один из способов проверки конденсаторов на обрыв: если взять в руку исправный конденсатор и коснуться им горячего конца, то на экране появится та же лохматая синусоида. Если конденсатор в обрыве, то никаких изменений на экране не произойдет.

Переключателем «Время/дел.» устанавливается длительность развертки. При наблюдении периодического сигнала вращением этого переключателя следует добиться, чтобы на экране показывался один или два периода сигнала.

Работа с осциллографом

Ручка синхронизации развертки осциллографа С1-101 обозначена всего одним словом «Уровень». У осциллографа С1-73 дополнительно к этой ручке имеется ручка «стабильность» (некоторая особенность схемы развертки), у некоторых осциллографов эта же ручка называется просто «СИНХР». О пользовании этой ручкой следует рассказать несколько подробней.

Как добиться устойчивого изображения сигнала

При подключении к исследуемой цепи на экране чаще всего может появиться картинка, показанная на рисунке 3.

Работа с осциллографом

Для того, чтобы получить устойчивое изображение следует покрутить ручку «Синхронизация», которая на лицевой панели осциллографа С1-101 обозначена как «Уровень». На разных осциллографах почему-то встречаются разные обозначения органов управления, но по сути дела это одна и та же ручка.

Работа с осциллографом

Рисунок 4. Синхронизация изображения

Чтобы из размытого изображения, показанного на рисунке 19 получить устойчивый сигнал достаточно покрутить ручку «СИНХР.» или в нашем случае «уровень». При вращении против часовой стрелки до знака «минус» на экране появится изображение сигнала, в данном случае синусоиды, показанное на рисунке 20а. Синхронизация начинается по падающему фронту сигнала.

При вращении той же ручки до знака «плюс» та же самая синусоида будет иметь вид, как на рисунке 4б: развертка запускается по восходящему фронту. Первый период синусоиды начинается чуть выше нулевой линии, это сказывается время запуска развертки.

Если осциллограф имеет линию задержки, то подобного пропадания не будет. Для синусоиды это, может быть, не особо заметно, а вот при исследовании прямоугольного импульса можно лишиться на изображении всего фронта импульса, что в ряде случаев достаточно важно. Особенно при работе с внешней разверткой.

Работа с внешней разверткой

Рядом с регулятором «УРОВЕНЬ» находится тумблер, обозначенный как «ВНЕШ/ВНУТР». В положении «ВНУТР» развертка запускается от исследуемого сигнала. Достаточно на вход Y подать исследуемый сигнал и покрутить ручку «УРОВЕНЬ» как на экране появится устойчивое изображение, как было показано на рисунке 4.

Если упомянутый тумблер установить в положение «ВНЕШ», то получить устойчивое изображение не удастся никаким вращением ручки «УРОВЕНЬ». Для этого надо подать сигнал, по которому будет синхронизироваться изображение на вход внешней синхронизации. Этот вход расположен на белой пластмассовой панели, расположенной справа от входа Y.

Там же расположены гнезда выхода пилообразного напряжения развертки (используется для управления различными ГКЧ), выход калибровочного напряжения (может использоваться в качестве генератора импульсов) и гнездо общего провода.

В качестве примера, где может потребоваться работа с внешней разверткой может послужить схема задержки импульса, показанная на рисунке 5.

Работа с осциллографом

Рисунок 5. Схема задержки импульса на таймере 555

При подаче на вход устройства положительного импульса выходной импульс появляется с задержкой, определяемой параметрами RC цепочки, время задержки определяется по формуле, показанной на рисунке. Но по формуле значение определяется весьма приблизительно.

При наличии двухлучевого осциллографа определить время очень просто: достаточно оба сигнала подать на разные входы и измерить время задержки импульса. А если двухлучевого осциллографа в наличии нет? Вот тут-то и придет на помощь режим внешней развертки.

Первое, что надо сделать это подать входной сигнал схемы (рис. 5) на вход внешней синхронизации и сюда же подключить вход Y. Затем вращением ручки «УРОВЕНЬ» добиться устойчивого изображения входного импульса, как показано на рисунке 5б. При этом должны соблюдаться два условия: тумблер «ВНЕШ/ВНУТР» установлен в положение «ВНЕШ», а исследуемый сигнал д.б. периодическим, а не однократным, как показано на рис.5.

После этого надо запомнить положение на экране входного сигнала и подать на вход Y выходной сигнал. Остается только подсчитать требуемую задержку по делениям шкалы. Естественно, что это не единственная схема, где может потребоваться определение времени задержки между двумя импульсами, таких схем великое множество.

В следующей статье будет рассказано про виды исследуемых сигналов и их параметры, а также про то, как проводить различные измерения с помощью осциллографа.

Электрик Инфо — электротехника и электроника, домашняя автоматизация, статьи про устройство и ремонт домашней электропроводки, розетки и выключатели, провода и кабели, источники света, интересные факты и многое другое для электриков и домашних мастеров.

Информация и обучающие материалы для начинающих электриков.

Кейсы, примеры и технические решения, обзоры интересных электротехнических новинок.

Вся информация на сайте Электрик Инфо предоставлена в ознакомительных и познавательных целях. За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет. Сайт может содержать материалы 12+

Перепечатка материалов сайта запрещена.

Работа с осциллографом

*****

Практические упражнения по работе с осциллографом (RC-цепи)

В прошлой статье «Что такое осциллограф и как им пользоваться » мы познакомились с основами работы этого замечательного прибора. Чтобы освоить работу с осциллографом, нужны практические упражнения. В статье рассмотрены простые эксперименты с источником питания на основе тарнсформатора, с мостовым выпрямителем, а также с RC-цепями. Материал будет полезен тем кто желает познакомиться с измерительным прибором-осциллографом.

Источник питания и мостовой выпрямитель

Начнемс самого простого, — с источника питания на силовом трансформаторе и мостовом выпрямителе. Прежде всего необходим трансформатор, пусть это будет китайский «ALG» с вторичной обмоткой на 12V (рис.1). К вторичной обмотке трансформатора подключим вход осциллографа (пусть это С1-65) и мультиметр.

Предварительно ручку осциллографа «Время/дел.» установим на «10», и ручку «V/дел.» так же на «10», а переключатель входа установим в положение «импульсный режим». Теперь подадим на первичную обмотку переменное напряжение 220V (от электросети, соблюдая все необходимые правила электробезопасности).

Работа с осциллографом

Рис. 1. Схема для эксперимента и изображение на экране осциллографа.

Теперь сравним показания осциллографа и мультиметра. Мультиметр покажет переменное напряжение 12V (или около того), а размах синусоиды на экране осциллографа от пика до пика будет целых 34V. Зная, что амплитудное значение синусоидального напряжения равно половине размаха, а действующее. — в корень_из_2 раз раз меньше амплитудного, вычислим действующее значение:

Работа с осциллографом

Подключим к вторичной обмотке трансформатора мостовой выпрямитель из четырех диодов (рис. 2). К выходу выпрямителя подключим осциллограф.

На его экране будет весьма интересная картинка, — нижние полуволны синусоиды как бы перевернулись и расположились по положительной оси У. Практически, и частота колебаний увеличилась в два раза, то есть уже не 50, а 100 Гц, а размах уменьшился в два раза.

То, что видно на экране (рис. 2) принято называть пульсирующим напряжением. Но пульсирующее напряжение не годится для питания электронной схемы, — это еще не постоянное напряжение.

А чтобы его сделать постоянным нужно пульсации сгладить с помощью накопительного конденсатора.

На рисунке 3 показана схема с накопительным конденсатором С1 и резистором R1, который служит нагрузкой. Посмотрим, что нам теперь покажут приборы. Мультиметр покажет что-то около 16,5V, а на экране осциллографа будет видна искривленная линия, приподнятая вверх по шкале У на некоторую величину (рисунок 3, левая осциллограмма).

Работа с осциллографом

Рис. 2. Подключим и исследуем мостовой выпрямитель из четырех диодов.

По верхним пикам кривизны этой линии — на 17V. Так выглядит напряжение со сглаженными пульсациями. Чтобы посмотреть величину пульсаций нужно переключить вход осциллографа на переменный ток «

» и повернуть ручку «V/дел.» в сторону уменьшения, пока пульсации не будут видны отчетливо. В данном случае, установили 0,5V/дел. (рис.3, осциллограмма справа). Видно, что размах пульсаций равен 1V.

Таким образом, на выходе нашего выпрямителя есть постоянное напряжение с пульсациями 1V. Величина этих пульсаций зависит от емкости сглаживающего конденсатора и от нагрузки. Если нагрузка увеличится (уменьшится сопротивление R1) пульсации возрастут.

Работа с осциллографом

Рис. 3. Сглаживающий конденсатор в выпрямителе.

Это можно проверить, заменив R1 переменным. А с увеличением емкости пульсации уменьшаются. Вот, если в этом же примере (при том же сопротивлении R1) вы параллельно С1 подключите еще один конденсатор емкостью 220мкФ, пульсации уменьшатся до 0,ЗV, а при емкости конденсатора 1000 мкФ уровень пульсаций будет менее 0,1V.

Но это при сопротивлении нагрузки 1 кОм, то есть при токе нагрузки 16 миллиампер. С увеличением тока нагрузки пульсации будут увеличиваться. Именно по этому в выпрямителях, рассчитанных на большие нагрузки, используют сглаживающие конденсаторы очень большой емкости.

Выше, с помощью осциллографа была рассмотрена работа мостового выпрямителя. Но источник питания, часто кроме трансформатора и выпрямителя содержит стабилизатор напряжения.

Схема простейшего параметрического стабилизатора состоит из стабилитрона и токоограничительного резистора. Главное свойство стабилитрона в том, что он вроде бы работает как диод, то есть, пропускает ток в прямом направлении, но он пропускает и обратный ток, но только если обратное напряжение превысило некоторую величину, — напряжение стабилизации.

Подключим схему параметрического стабилизатора к вторичной обмотке трансформатора, и с помощью осциллографа, посмотрим во что превратилась синусоида переменного напряжения (рис.4). Ручку «Время/дел.» осциллографа установим на «10», и ручку «V/дел.» так же на «10», а переключатель входа — в импульсный режим.

Работа с осциллографом

Рис. 4. Исследуем параметрический стабилизатор.

Стабилитрон, работая как диодный одно-полупериодный выпрямитель, убрал отрицательные полуволны. А как стабилитрон, он обрезал верхушку положительных полуволн на уровне своего напряжения стабилизации (для Д814В — это 10V).

А теперь, подключим такой же стабилизатор на выходе выпрямительного моста (рис. 5). Импульсы пульсирующего напряжения стабилитрон так же, обрезал на уровне своего напряжения стабилизации. Причем, стабилитрону безразлично какой амплитуды эти импульсы или полуволны, 17V или, например, 27V, он их ограничит СТАБИЛЬНО на уровне 10V.

Работа с осциллографом

Рис. 5. Исследуем параметрический стабилизатор на выходе моста.

На рисунке 6 показана схема источника питания с параметрическим стабилизатором на выходе. Мультиметр и осциллограф покажут постоянное напряжение 10V, а пульсации будут значительно меньше чем без стабилизатора.

Работа с осциллографом

Рис. 6. Схема источника питания с параметрическим стабилизатором на выходе.

Исследуем RC-цепи с помощью осциллографа

Еще одним практическим упражнением работы с осциллографом может быть исследование RC-цепи с помощью осциллографа. Для этого нам потребуется генератор прямоугольных импульсов. Во многих осциллографах, в частности, и С1-65, есть калибратор. Это генератор постоянного напряжения или прямоугольных импульсов частотой 1 кГц.

Калибратор предназначен для калибровки, но его можно с успехом использовать как лабораторный генератор прямоугольных импульсов при налаживании и ремонте аппаратуры.

Но, есть осциллографы и без калибраторов, если ваш именно такой, то нужно будет взять лабораторный функциональный генератор или самому сделать простой генератор прямоугольных импульсов частотой около 1 кГц, по схеме, показанной на рисунке 1. Это простейший мультивибратор на цифровой микросхеме. Но для наших опытов он подходит.

Далее, мы будем рассматривать работу с калибратором осциллографа в качестве источника импульсов. Если же импульсы берутся от отдельного генератора (например, как на рис.1), нужно будет просто подавать их на исследуемую RC-цепь от него. При этом не забыть общий минус питания генератора соединить с клеммой «корпус» осциллографа.

Работа с осциллографом

Рис. 1. Схема простого генератора импульсов.

И так, если мы соединим куском провода гнезда «У» и «Выход калибратора», включим калибратор на генерацию импульсов размахом 5V. При этом ручкой «V/дел» выставим «1», а ручкой «время/дел» выставим «0,2mS», вход переключим на переменное напряжение «

», на экране осциллографа будет видно примерно то, что показано на рисунке 2. То есть, прямоугольные импульсы.

Работа с осциллографом

Рис. 2. Импульсы на экране осциллограф.

Для экспериментов с RC-цепью потребуется конденсатор емкостью 0,01 мкФ (часто обозначается как «10п» или «103») и переменный резистор сопротивлением 100 кОм.

Экспериментировать будем с двумя типами цепей, — дифференцирующей и интегрирующей.

Сначала подключаем дифференцирующую цепь, состоящую из резистора R1 и конденсатора С1 (рис. 3). Теперь импульсы

Работа с осциллографом

Рис. З. Подключаем дифференцирующую цепь.

от калибратора на вход «У» осциллографа поступают через цепь R1C1. Резистор R1 установить в положение максимального сопротивления. При этом, импульсы на экране осциллографа станут как на рис.4. Их амплитуда немного увеличится, но появится наклон в сторону к спаду.

Работа с осциллографом

Рис. 4. Импульсы на экране осциллографа.

Если начать поворачивать рукоятку переменного резистора R1, его сопротивление будет уменьшаться, и при этом, амплитуда импульсов будет увеличиваться, но и наклон в сторону к спаду тоже возрастает. На рисунке 5 уже совсем не похоже на прямоугольные импульсы. Однако амплитуда пиков сильно выросла. При дальнейшем повороте R1, амплитуда пиков будет продолжать расти, а наклоны приобретут параболический вид.

Работа с осциллографом

Рис. 5. Это уже не похоже на прямоугольные импульсы.

Но, при дальнейшем повороте R1, амплитуда начинает снижаться, и в самом крайнем положении, когда сопротивление R1 равно нулю, импульсы пропадают (это и не удивительно, ведь R1, в состоянии нулевого сопротивления, фактически замкнул вход осциллографа).

Вывод такой, что в результате дифференцирования прямоугольного импульса, он превращается в остроконечный импульс увеличенной амплитуды. Причем, чем больше R1, тем более импульс похож на прямоугольный.

Связанно это с тем, что от сопротивления R1 зависит время зарядки — разрядки конденсатора. И чем меньше R1, тем меньше это время. К тому же, при переходе от положительной полуволны к отрицательной (и наоборот), накопленное на конденсаторе напряжение добавляется к амплитуде импульса.

Поэтому, амплитуда напряжения на резисторе R1 в пиках увеличивается тем больше, чем быстрее заряжается конденсатор. Но при этом пики тем уже, чем меньше R1. Теперь поменяем детали местами, чтобы получилась схема, показанная на рисунке 6. RC-цепочка стала интегрирующей.

Работа с осциллографом

Рис. 6. Новая схема для эксперимента.

Если переменный резистор R1 находится в положении минимального сопротивления, на экране осциллографа будет как на рис. 7. Почти такие же прямоугольные импульсы, только фронты и спады слегка сглажены.

Начинаем поворачивать ручку переменного резистора R1, — фронты и спады еще сильнее сглаживаются и приобретают вид, как на рисунке 8. При этом амплитуда существенно снижается.

Выкручиваем ручку переменного резистора R1 до конца (в положение максимального сопротивления), — амплитуда импульсов сильно снижается, и они уже напоминают скорее треугольники (рис.9).

Работа с осциллографом

Рис. 7. Изображение на экране осциллографа для эксперимента.

В интегрирующей цепи осциллограф показывает напряжение на конденсаторе. На него поступают импульсы через резистор R1 и заряжают и разряжают его. Как и в первом случае, скорость заряда -разряда тем больше, чем меньше сопротивление резистора. Но, здесь ситуация обратная, поэтому, чем меньше R1 тем скорее С1 заряжается или разряжается до максимального или минимального значения.

А значит, тем круче фронты и спады импульсов на С1. Вот эти закругления, видимые на осциллограмме на рис. 7 и есть то самое время, в течение которого происходит зарядка и разрядка конденсатора.

И чем быстрее конденсатор заряжается, тем меньше эти участки. Быстрота же зарядки конденсатора зависит от сопротивления резистора R1, через который на него поступают импульсы.

С увеличением сопротивления резистора R1 конденсатор все медленнее и плавней заряжается — разряжается, — закругления, показывающие время зарядки — разрядки увеличиваются. Поэтому фронты и спады сглаживаются, становятся наклонными.

При дальнейшем увеличении сопротивления R1 время, необходимое на зарядку конденсатора до максимального напряжения увеличивается на столько, что уже становится больше длительности полу-периода импульса. Конденсатор просто не успевает зарядиться до максимальной величины, как начинается его разрядка.

Работа с осциллографом

Рис. 8. Фронты и спады еще более сглажены.

Работа с осциллографом

Рис. 9. Импульсы — треугольники на экране осциллографра.

Поэтому амплитуда импульса уменьшается на столько, на сколько конденсатор не успевает зарядиться. В конечном итоге форма импульсов все более и более становится похожа на треугольную.

*****

Работа с осциллографом

Работа с осциллографом

Осциллограф – прибор, показывающий форму напряжения во времени. Также он позволяет измерять ряд параметров сигнала, такие как напряжение, ток, частота, угол сдвига фаз. Но главная польза от осциллографа – возможность наблюдения формы сигнала. Во многих случаях именно форма сигнала позволяет определить, что именно происходит в цепи. На рис. 1 показан пример подобной ситуации.

Рис. 1. Осциллограмма сложного сигнала.

В этом случае напряжение содержит как постоянную, так и переменную составляющие, причем форма переменной составляющей далека от синусоидальной. На таком сигнале вольтметры дают большую ошибку: стрелочный вольтметр переменного тока показал напряжение 2,2 вольт, а цифровой – вообще 1,99 вольт. Вольтметр постоянного тока показал 4,8 вольт. Правильное действующее значение напряжения показал осциллограф – 5,58 вольт (цифровые осциллографы измеряют напряжение и позволяют сохранять результаты в компьютерном формате). Кроме того, осциллограмма позволяет увидеть некоторые свойства сигнала:

  • сигнал имеет импульсный характер;
  • сигнал не принимает отрицательных значений (измерено с открытым входом осциллографа);
  • сигнал очень быстро изменяется от нуля до значения 6,4 вольта и обратно до нуля (чувствительность канала вертикального отклонения 2 V/дел);
  • длительность импульсов более чем в три раза превышает длительность пауз.

В общем, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.

В подавляющем большинстве случаев исследуются периодические сигналы, именно про них мы и будем говорить.

1. Принцип действия осциллографа

«Сердцем» прибора является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), рис.2.

Рис. 2. Устройство электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением.

ЭЛТ является электронной лампой, и, как и все лампы, она «заполнена» вакуумом. Катод излучает электроны, а система фокусировки формирует из них тонкий луч. Этот электронный луч попадает на экран, покрытый люминофором, который под воздействием электронной бомбардировки светится, и в центре экрана возникает светящаяся точка. Две пары пластин ЭЛТ отклоняют электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать как координатные оси. Поэтому для наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч отклонялся по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси – пропорционально исследуемому напряжению.

На пластины горизонтального отклонения луча (расположенные вертикально) подается напряжение развертки. Оно имеет пилообразную форму: постепенно линейно нарастает и быстро спадает (рис. 3). Отрицательное напряжение отклоняет луч влево, а положительное – вправо (если смотреть со стороны экрана). В результате луч движется по экрану слева направо с определенной постоянной скоростью, после чего очень быстро возвращается к левой границе экрана и повторяет свое движение. Расстояние, которое проходит луч вдоль горизонтальной оси, пропорционально времени. Этот процесс называется разверткой, а горизонтальная линия, которую луч прочерчивает по экрану, называется линией развертки (иногда при измерениях ее называют нулевой линией). Она играет роль оси времени t графика. Частота повторения пилообразных импульсов называется частотой развертки, но она для измерений не используется. Для измерений нужно знать скорость развертки, про которую будет сказано ниже.

Рис. 3. Форма напряжения развертки.

Если при этом на пластины вертикального отклонения (расположенные горизонтально) подать исследуемое напряжение, то луч начнет отклоняться и по вертикали: при положительном напряжении вверх, а при отрицательном – вниз. Движения по вертикали и по горизонтали происходят одновременно и в результате исследуемый сигнал «разворачивается» во времени. Получившееся изображение называется осциллограммой.

На самом деле кроме линейной существует еще круговая и спиральная развертки, а также фигуры Лиссажу, когда один из сигналов является разверткой для второго. Но это уже совсем другая история…

Важным моментом является соотношение частот развертки и сигнала. Если эти частоты в точности равны, то на экране отображается ровно один период исследуемого сигнала. Если частота сигнала вдвое больше частоты развертки, то мы увидим два периода, если втрое – то три. Если частота сигнала вдвое меньше частоты развертки, то мы увидим только половину периода сигнала. Частоту (скорость) развертки можно регулировать в широких пределах. Но изображение будет стабильным только в том случае, если частоты развертки и сигнала точь-в-точь совпадают. При малейшем несовпадении частот, каждое начало движения луча по экрану будет соответствовать новой точке функции входного сигнала, и ее график каждый раз будет рисоваться в новом положении. При небольшом несовпадении частот (доли герца) это будет выглядеть как график, «плывущий» влево или вправо. При несовпадении частот в несколько герц и более, осциллограмма становится нечитаемой (рис. 4).

Рис. 4. Осциллограмма при отсутствии синхронизации.

А ведь добиться абсолютно точного совпадения частот (особенно в десятки-сотни килогерц) практически невозможно. Поэтому разверткой в осциллографе управляет специальная схема синхронизации. Она задерживает начало движения луча по экрану так, чтобы луч начинал двигаться в тот момент, когда входное напряжение достигло определенного значения. В этом случае луч начинает движение (и рисование осциллограммы) каждый раз с одной и той же точки графика входного сигнала. В результате каждое следующее движение луча рисует картинку в одном и том же положении, даже если частоты сигнала и развертки заметно не совпадают. Изображение получается стабильным и устойчивым. Напряжение сигнала, при котором происходит синхронизация (уровень синхронизации), задается органами управления осциллографа. Визуально изменение этого напряжения вызывает смещение начала изображаемого графика относительно начала периода сигнала, рис. 5.

Рис. 5. Осциллограммы при разных уровнях синхронизации.

Для того чтобы можно было наблюдать несколько сигналов одновременно, выпускают многолучевые и многоканальные осциллографы. Обычно число каналов равно двум (иначе получается очень сложно и дорого). ЭЛТ двухлучевых осциллографов работает одновременно с двумя лучами на общем экране, которые позволяют наблюдать два сигнала абсолютно независимо. Но такие приборы сложны и дороги. Поэтому больше распространены двухканальные осциллографы. Их ЭЛТ самая обычная, но они имеют два отдельных входа и два независимых усилителя вертикального отклонения, которые обслуживают входные сигналы. Кроме того, они имеют встроенный высокоскоростной коммутатор, очень быстро переключающий ЭЛТ (пластины вертикального отклонения) от одного канала к другому. Изображения сигналов при этом не являются непрерывными линиями, а состоят из множества штрихов. Но на экране штрихи сливаются, и в результате получается два графика входных сигналов. Лишь при наблюдении высокочастотных сигналов и неудачной частоте развертки изображение может стать пунктирным.

2. Подключение осциллографа

Поскольку напряжение измеряется между двумя точками, то вход осциллографа имеет две клеммы. Причем они не равнозначны. Одна клемма, называемая «фаза», подключена ко входу усилителя вертикального отклонения луча. Вторая клемма – «земля» или «корпус». Она называется так потому, что электрически соединена с корпусом прибора (это общая точка всех его электронных схем). Осциллограф показывает напряжение фазы по отношению к земле .

Очень важно знать, какой из входных проводников является фазой. В импортных приборах обычно используются специализированные щупы, земля которых имеет зажим типа «крокодил» так как часто подключается к корпусу исследуемого устройства, а фаза оканчивается либо «иголкой», которой можно удобно и надежно «воткнуться» даже в контакт маленького размера, либо зажимом (рис. 6). В этом случае перепутать фазу и корпус в принципе невозможно.

Работа с осциллографом

Рис. 6. Щуп импортного осциллографа, слева «игла», справа зажим.

Осциллографы отечественного производства чаще всего комплектуются шнурами, имеющими стандартные для России 4-мм штекеры (к ним иногда применяется название «банан», пришедшее из аудиотехники), рис. 7. В этом случае оба штекера одинаковы, и для того, чтобы их различать используются дополнительные признаки. Этих признаков несколько, и они могут встречаться в любом сочетании:

  • земляной провод длиннее;
  • земляной провод имеет коричневый (стандарт) или черный цвет;
  • на корпусе штекера земляного провода нанесены условные обозначения «корпус» или «земля» .

Однако, к сожалению, эти правила выполняются не всегда. Особенно это относится к кабелям, прошедшим ремонт: туда могут поставить любой проводник, имеющийся в наличии и первый попавшийся штекер. Поэтому есть еще один способ определения фазы и корпуса, дающий стопроцентную гарантию.

Работа с осциллографом

Рис. 7. Штекер отечественного осциллографа.

Для определения какой из проводников является фазой, а какой корпусом, надо при никуда не подключенном осциллографе взяться рукой за контакт одного из входных проводников, при этом другой рукой ни до чего не дотрагиваться. Если этот проводник – корпус, то на экране будет только лишь горизонтальная линия развертки. Если этот проводник – фаза, то на экране возникнут довольно значительные помехи, представляющие собой сильно искаженную синусоиду частотой 50 Гц (рис. 8).

Рис. 8. Помехи на экране осциллографа при касании рукой фазы входного кабеля.

Эти помехи возникают из-за того, что существует емкость между телом человека и проводами сети, проложенной в помещении. И возникает ток, протекающий по такой цепи: фаза осветительной сети переменного тока 220 В 50 Гц – емкость между проводами сети и телом человека – рука человека – вход усилителя (фаза входного кабеля) – электронная схема усилителя – корпус осциллографа – емкость между корпусом и Землей – нейтральный провод сети (он всегда заземлен). Цепь замкнута, ток течет. Величина этого тока составляет 10^-8…10^-6 ампера, но вход осциллографа имеет очень высокое сопротивление (порядка 10^6 Ом), поэтому на нем возникает достаточно большое напряжение. Синусоида выглядит искаженной оттого, что емкостное сопротивление участка сеть – тело человека зависит от частоты: чем частота выше, тем сопротивление меньше. Поэтому высокочастотные составляющие (гармоники сети и проникшие в нее помехи) создают больший ток и большее напряжение на входе осциллографа.

Определив фазу и корпус входного кабеля, можно подключать осциллограф к исследуемой цепи. Если в ней нет четко выраженного общего провода, то корпус подключается к любой из точек, напряжение между которыми требуется исследовать. Если в цепи присутствует общий провод – точка, условно принимаемая за нулевой потенциал, соединенная с корпусом устройства или реально заземленная, то корпус осциллографа лучше подключать к этой точке. Невыполнение этого правила может привести к значительным погрешностям измерений (иногда настолько большим, что измерениям и вовсе нельзя доверять).

По своей сути осциллограф является вольтметром, показывающим график напряжения. Однако с его помощью можно наблюдать и форму тока. Для этого последовательно с исследуемой цепью включают резистор Rт (здесь индекс «т» означает токовый), рис. 9. Сопротивление резистора Rт выбирают намного меньшим, чем сопротивление цепи, тогда резистор не влияет на ее работу и его включение не приводит к изменениям режима работы цепи. На резисторе по закону Ома возникает напряжение:

Работа с осциллографом

Это напряжение и измеряется осциллографом. А зная величину Rт можно перевести напряжение, показываемое осциллографом в ток.

Рис. 9. Измерение тока осциллографом.

Двухканальный (и двухлучевой) осциллограф может показывать осциллограммы двух сигналов одновременно. Для этого у него имеется два входа (канала), обычно обозначаемых I и II. Следует помнить, что одна из входных клемм каждого канала соединена с корпусом осциллографа, следовательно, клеммы «корпус» обоих каналов соединены между собой. Поэтому эти клеммы должны подключаться к одной и той же точке цепи, иначе в цепи произойдет замыкание (рис. 10).

Рис. 10. Подключение двухканального осциллографа. «Земли» входов могут создать замыкание в цепи.

На рис. 10а точки цепи В и D оказались замкнутыми между собой через корпус осциллографа (замыкающий проводник показан пунктиром). В результате конфигурация цепи изменилась.

Возможность наблюдать не любые два напряжения, а только имеющие общую точку, является недостатком, но небольшим – в электронике один из полюсов источника питания всегда является общим проводом, и все напряжения измеряются относительно него.

Используя двухканальный осциллограф можно одновременно наблюдать и напряжение, и ток в цепи. И таким образом измерять сдвиг фаз между током и напряжением. Схема подключения осциллографа в этом случае показана на рис. 11.

Рис. 11. Подключение осциллографа для измерения сдвига фаз.

Канал I измеряет напряжение, а канал II измеряет ток. Такое включение наиболее оптимально, т.к. напряжение, падающее на резисторе Rт и подаваемое в канал II, в 30…100 раз меньше, чем в канале I, следовательно, оно больше подвержено помехам и синхронизация от низкого напряжения не такая хорошая. Кроме того, конструкция большинства осциллографов несколько «несимметричная» – синхронизация от сигнала канала I обычно более качественная и стабильная. Таким образом, подключение канала I к напряжению обеспечивает более стабильное изображение осциллограммы.

Ошибка подключения на рис. 11б состоит в том, что клеммы корпуса обоих входов не соединены в одной точке. В результате резистор Rт оказывается замкнут накоротко через корпус осциллографа. Самое неприятное, что при этом напряжение на резисторе Rт не равно нулю – из-за того, что сопротивление проводов входных кабелей (через которые этот резистор замыкается) не нулевое. Поэтому при таком подключении можно не заметить эту ошибку (ведь осциллограф что-то показывает), а результат измерения тока при этом будет неверным.

Включение, показанное на рис. 11в неудачно тем, что канал I осциллографа измеряет не напряжение в исследуемой цепи, а сумму напряжений в цепи и на резисторе Rт (напряжение измеряется не на нагрузке, а на источнике). Напряжение на Rт хоть и небольшое по величине, но все равно вносит погрешность в измерение напряжения.

Подключение осциллографа, показанное на рис. 11а не только обеспечивает наибольшую точность измерений, но и позволяет в ряде случаев использовать резистор Rт с довольно большим сопротивлением. Это важно при измерении малых токов: если и ток в цепи и сопротивление Rт малы, то возникающее на Rт напряжение может быть настолько маленьким, что чувствительности осциллографа не хватит для его отображения.

При измерении сдвига фаз необходимо инвертировать сигнал в канале II, поскольку канал II включен встречно по отношению к каналу I.

3. Управление осциллографом

Рассмотрим переднюю панель двухканального осциллографа С1-83 (рис. 12).

Работа с осциллографом

Рис. 12. Передняя панель осциллографа С1-83.

А – управление каналом I.
Б – управление отображением каналов.
В – управление каналом II.
Г – регулировка яркости луча, фокусировки и подсветки экрана.
Д – управление разверткой.
Е – управление синхронизацией.

Хорошо видно, что экран осциллографа разбит на клетки. Эти клетки называются делениями, и используются при измерениях: к ним привязываются все масштабы по вертикали и горизонтали. Масштаб по вертикали – вольты на деление (В/дел или V/дел), масштаб по горизонтали секунды (милли- и микросекунды) на деление. Обычно осциллограф имеет 6…10 делений по горизонтали и 4…8 делений по вертикали. Центральные вертикальная и горизонтальная линии имеют дополнительные риски, делящие деление на 5 или 10 частей (рис. 13, на рис. 12 тоже видно). Риски служат для более точных измерений, они являются долями деления.

Работа с осциллографом

Рис. 13. Деления экрана осциллографа.

Управление обоими каналами одинаковое. Рассмотрим его на примере канала I (рис. 14).

Работа с осциллографом

Рис. 14. Органы управления канала I.

1. Переключатель режима входа. В верхнем положении « » на вход поступает и постоянное и переменное напряжение. Это называется «открытый вход» – то есть открытый для постоянного тока. В нижнем положении «

» на вход проходит только переменное напряжение, это позволяет измерять маленькое переменное напряжение на фоне большого постоянного, например в усилителях. Реализуется это очень просто: вход усилителя подключается через конденсатор. Это называется «закрытый вход». Учтите, что при закрытом входе очень низкие частоты (ниже 1. 5 Гц) сильно ослабляются, поэтому измерять их можно только при открытом входе. В среднем положении переключателя 1 вход усилителя осциллографа отключается от входного разъема и замыкается на землю. Это позволяет при помощи ручки 7 выставить линию развертки в нужное место.

2. Входной разъем канала.

3, 4, 5, 6. Регулятор чувствительности канала вертикального отклонения (масштаба по вертикали). Переключатель 4 задает масштаб ступенчато. Задаваемые им значения нанесены рядом с ним. На выбранное значение указывает риска 5 на переключателе. На рисунке она указывает на значение 0,2 вольта/деление. Ручка 3, расположенная соосно с переключателем, позволяет плавно уменьшать масштаб в 2…3 раза. В крайнем правом положении (на рис. 14 ручка «плавно» находится именно в нем) эта ручка имеет фиксацию, тогда масштаб по вертикали в точности равен заданному переключателем 4. Значения масштабов, выделенные скобкой 6, указаны в милливольтах на деление – об этом говорит надпись «mV» внутри скобки.

7. Ручка выполняет две функции. При вращении она перемещает график канала по вертикали вверх или вниз . При «вытягивании» задает множитель масштаба по вертикали: вытянутая ручка (рис. 15) задает множитель х1, а утопленная множитель х10. Утопленное и вытянутое положения символически показаны над и под ручкой.

Работа с осциллографом

Рис. 15. Ручка множителя масштаба по вертикали вытянута в положение «х1».

Канал II (рис. 16) аналогичен каналу I:

1 – переключатель режима входа;
2 – входной разъем;
3 – масштаб плавно;
4 – масштаб ступенчато;
5 – перемещение луча по вертикали и множитель масштаба.

Работа с осциллографом

Рис. 16. Органы управления канала II.

Но второй канал имеет дополнительный переключатель 6, позволяющий инвертировать его входной сигнал. В нажатом положении канал работает как обычно, а в вытянутом – инвертируется, то есть при отрицательном входном сигнале луч движется вверх, а при положительном – вниз. Это необходимо при измерении, например, сдвига фаз.

На рис. 17 показано управление отображением каналов, которое определяется нажатием на одну из кнопок.

Работа с осциллографом

Рис. 17. Управление отображением каналов.

1 – Работает только канал I, канал II отключен.

2 – Оба канала отображаются одновременно (луч очень быстро переключается между каналами) и взаимное положение осциллограмм обоих каналов верное. В этом режиме можно измерять сдвиг фаз.

3 – Осциллограф показывает сумму или разность сигналов в каналах (знак второго канала определяется положением ручки 6 на рис. 16).

4 – Отображаются сигналы обоих каналов, но они независимы во времени, поэтому никакое сравнение сигналов относительно времени и сдвига фаз производить нельзя.

5 – Работает только канал II, канал I отключен.

Панель управления разверткой (рис. 18) похожа на панель управления каналом вертикального отклонения луча. Она содержит ручку 4, позволяющую сдвигать изображение влево-вправо и комбинированный регулятор (1 – ступенчато, 3 – плавно) скорости развертки (масштаба по горизонтали). Риска 2 на переключателе показывает установленное значение. Как и в каналах вертикального отклонения, переключатель скорости развертки имеет разные единицы измерения: секунды s . миллисекунды ms . микросекунды µs . Вытянутая/утопленная ручка 4 « » задает множитель скорости развертки х0,2 и х1 соответственно. Обратите внимание: на рис. 18 ручка 3 регулирования скорости развертки «плавно» установлена не в крайнее правое положение. Значит скорость развертки не равна значению, заданному переключателем 1, а меньше него (скорость движения луча меньше, а значение время/деление больше!).

Работа с осциллографом

Рис. 18. Органы управления разверткой

На панели управления синхронизацией (рис. 19) задается:

Работа с осциллографом

Рис. 19. Органы управления синхронизацией.

1 – Источник внутренней синхронизации: напряжением какого канала синхронизируется движение луча. Эта синхронизация производится входным сигналом, поэтому называется внутренней. Такой режим используется для большинства измерений. Варианты здесь такие: либо синхронизация только сигналом канала I. Либо попытка синхронизации от канала I, а если не получается, то синхронизация производится сигналом канала II. Первый вариант иногда работает немного лучше, поэтому надо стараться, чтобы сигнал первого канала был достаточно большой для стабильной синхронизации. В подавляющем большинстве случаев для нормальной работы следует выбирать именно этот режим синхронизации, включив кнопку «I».

2 – Внешняя синхронизация. Движение луча синхронизируется импульсами, подаваемыми со специального внешнего источника на вход синхронизации осциллографа. Такой режим иногда требуется для исследования специфических сигналов. Если внешнего источника синхронизации нет, то получить устойчивое изображение невозможно. Кнопки «0,5-5» и «5-50» задают диапазон входных напряжений от внешнего источника синхронизации. Кнопка «X-Y» совместно с кнопкой «II X-Y» управления отображением каналов (рис. 17) подает сигнал канала II на пластины горизонтальной развертки. В этом режиме можно наблюдать фигуры Лиссажу.

3 – Ручка «Уровень синхронизации». Задает напряжение синхронизации (рис. 5). В нажатом положении этой ручки (как на рисунке) развертка автоматическая. При этом движение луча будет происходить даже если синхронизации не произойдет. Луч задерживается в начале движения на некоторое время до момента синхронизации, но через некоторое время все равно начинает движение. Это «мягкий» режим, более удобный для работы, так как луч всегда остается видимым. В вытянутом положении ручки включается ждущая развертка. В этом режиме луч не начнет движения до тех пор, пока не произойдет синхронизации. Если синхронизации не происходит, луч не движется. Такой режим хорошо подходит для наблюдения непериодических сигналов. Влияние этой ручки на изображение показано на рис. 4 и 5.

4 – «Полярность» синхронизации. На самом деле знаки «+» и «-» означают несколько другое. В положении «+» синхронизация происходит по фронту, т.е. в тот момент, когда входное напряжение достигает заданного (ручкой «Уровень синхронизации») значения при нарастании входного напряжения (изменении от «-» к «+»), рис. 20. В положении «-» синхронизация происходит по спаду – при убывании входного напряжения (изменении от «+» к «-»). В осциллографе в цепи синхронизации используются две различные схемы: одна определяет равно ли входное напряжение заданному и если равно – запускает движение луча. Это напряжение задается ручкой «Уровень синхронизации». Вторая схема определяет, как при этом изменяется входное напряжение – возрастает или убывает. И соответственно разрешает первой схеме сработать.

5 – Режим входа синхронизации. Относится как к внешней, так и ко внутренней синхронизации. В положении «

» вход закрытый, и синхронизация происходит только от переменного напряжения. В положении « » вход открытый, и на срабатывание схемы синхронизации действует и переменное напряжение, и постоянное. Режим «НЧ » то же самое, но сигнал попадает на цепь синхронизации через фильтр низких частот, обрезающий высокочастотные помехи. Это режим есть не во всех осциллографах.

6 – Вход для подачи сигнала внешней синхронизации.

Рис. 20. «Полярность» синхронизации.

4. Измерения осциллографом

Измерения производятся визуально и их погрешность получается довольно высокой. Кроме того, напряжение развертки имеет невысокую линейность, поэтому погрешность измерения частоты и сдвига фаз может достигать 5%. Для минимизации погрешности, изображение должно иметь размер 80…90% от размеров экрана. При измерении напряжения и частоты (временных интервалов) необходимо ручки плавной регулировки усиления входного сигнала и скорости развертки необходимо установить в крайнее правое положение.

4.1. Измерение напряжения

Для измерения напряжения используется известное значение масштаба по вертикали. Перед началом измерения необходимо замкнуть накоротко входные клеммы осциллографа (или установить переключатель режима входа в положение ) и ручкой установить линию развертки на горизонтальную линию сетки экрана, чтобы была возможность правильно определить высоту осциллограммы, рис. 21а.

После этого на вход подается исследуемый сигнал (или переключатель режима входа устанавливается в одно из рабочих положений). На экране появляется график функции сигнала, рис. 21б.

Рис. 21. Измерение напряжения (скриншот цифрового осциллографа): а – подготовка; б – измерение.

Для того чтобы точнее измерить высоту графика, осциллограмма сдвигается ручкой так, чтобы точка, в которой измеряется амплитуда попала на центральную вертикальную линию, имеющую градуировку в долях деления (рис. 22). Получаем: чувствительность канала вертикального отклонения = 1 В/дел, размер осциллограммы 2,6 деления, следовательно амплитуда сигнала 2,6 вольт.

Рис. 22. Определение амплитуды сигнала.

Продемонстрируем измерение напряжения на самом осциллографе. Максимум напряжения имеет величину 3,4 деления (рис. 23). Определение масштаба по вертикали показано на рис. 24. Ручка «плавно» установлена в крайнее правое положение. Риска на переключателе чувствительности показывает 0,5 вольт/деление. Множитель масштаба установлен в положение х10 (утоплен). Следовательно измеряемое напряжение равно:

Работа с осциллографом

Работа с осциллографом

Рис. 23. Определение амплитуды на осциллографе С1-83.

Работа с осциллографом

Рис. 24. Определение масштаба по вертикали на осциллографе С1-83.

4.2. Измерение частоты

Осциллограф позволяет измерять временные интервалы, в том числе и период сигнала. Частота сигнала обратно пропорциональна его периоду. Период сигнала можно измерять в различных частях осциллограммы, но наиболее удобно и точно измерять его в точках пересечения графиком оси времени. Поэтому перед измерением линию развертки необходимо установить на центральную горизонтальную линию сетки экрана (рис. 21а).

Рис. 25. Измерение периода сигнала.

При помощи ручки начало периода совмещается с вертикальной линией сетки, рис. 25 (лучше всего начало периода совмещать с самой левой вертикальной линией экрана, тогда точность будет максимальна). Период сигнала, показанного на рис. 25 равен 6,8 делений. Скорость развертки – 100 мкс/деление (поскольку греческая буква µ, означающая «микро», не всегда доступна для отображения, ее часто заменяют латинской буквой u . сходной по начертанию). Тогда период сигнала

Работа с осциллографом

Работа с осциллографом

Обратите внимание, что на рисунках 22 и 25 показан один и тот же сигнал, но при различных значениях скорости развертки. Определение частоты по рис. 22 дает большее значение погрешности (точное значение частоты 1,459 кГц). Поэтому наиболее точные измерения получаются, если максимально растянуть изображение по горизонтали. И еще. На рис. 25 длительность периода сигнала чуть-чуть больше, чем 6,8 делений. Раз период больше, частота сигнала на самом деле чуть-чуть меньше, чем та, которую мы получили: реально 1,459 кГц, а у нас 1,47 кГц. На самом деле погрешность измерения меньше одного процента – это высокая точность. Такую точность обеспечивает цифровой осциллограф, у которого развертка линейна. В аналоговом осциллографе погрешность измерения частоты, скорее всего, была бы выше.

4.3. Измерение сдвига фаз

Сдвиг фаз показывает взаимное расположение двух колебательных процессов во времени. Но его измеряют не в единицах времени (которые откладываются по горизонтальной оси), а в долях периода сигнала (т.е. в единицах угла). В этом случае одинаковому взаимному расположению сигналов будет соответствовать одинаковый фазовый сдвиг, независимо от периода и частоты сигналов (т.е. независимо от реального масштаба графиков по оси времени). Поэтому наибольшая точность измерений получается, если растянуть период сигнала на весь экран.

Поскольку в аналоговом осциллографе графики сигнала обоих каналов имеют одинаковый цвет и одинаковую яркость, то для того, чтобы их различать между собой, рекомендуется сделать их разной амплитуды. При этом напряжение, измеряемое каналом I прибора, лучше делать большим – в этом случае синхронизация будет лучше «держать» изображение. Подготовка к измерениям производится так (см. рис.26, на нем для большей наглядности напряжение и ток показаны разными цветами):

  1. Ручками обоих каналов их линии развертки устанавливаются на среднюю линию сетки экрана (при отсутствии сигналов на входах).
  2. Ручками регулировки усиления каналов вертикального отклонения (ступенчато и плавно) сигнал 1-го канала устанавливается большой амплитуды, а 2-го канала – меньшей амплитуды.
  3. Ручками регулировки скорости развертки устанавливается такая ее скорость, чтобы на экране отображался примерно один период сигнала.
  4. Ручкой «Уровень синхронизации» добиваются того, чтобы график напряжения начинался с оси времени (с линии развертки) – точка А.
  5. Ручкой добиваются того, чтобы график напряжения начинался с крайней левой вертикальной линии сетки экрана – точка А.
  6. Ручками «Скорость развертки» (ступенчато и плавно) добиваются того, чтобы период графика напряжения заканчивался на крайней правой вертикальной линии сетки экрана.
  7. Повторяют пункты 4…6 до тех пор, пока период графика напряжения не будет растянут на весь экран, причем его начало и конец должны совпадать с линией развертки (рис. 26).

Прежде, чем измерять величину сдвига фаз, необходимо определить, какой из сигналов (напряжение или ток) опережает, а какой отстает. От этого зависит знак угла сдвига фаз φ. На рис. 26а ток отстает от напряжения – начало его периода расположено во времени позже, чем начало периода напряжения (начало периода напряжения в точке А, а периода тока – в точке Б). Ток начинается позже, следовательно, он отстает, а напряжение опережает. Этой ситуации соответствуют положительные значения угла сдвига фаз. На рис. 26б ток опережает, а напряжение отстает. Поскольку начало периода тока на экране не отображается, то сравниваются окончания первого полупериода: первым к нулю вернется тот график, который начался раньше (точка Г наступает раньше во времени, чем точка В). Угол сдвига фаз при этом отрицателен.

Рис. 26. Ток отстает от напряжения, φ>0 (а); ток опережает напряжение, φ<0 (б).

Модуль угла сдвига фаз φ это расстояние между началами или между концами периода (положительного полупериода) сигналов в делениях сетки экрана (рис. 27). Далее значение модуля φ находится из пропорции, учитывая, что один полный период любого колебания равен 360 градусов:

Работа с осциллографом

здесь N – число делений сетки, занимаемых одним периодом сигнала,
α – число делений сетки между началами периодов (концами положительного полупериода).
В примере на рис. 18 модуль φ в обоих случаях равен:

Работа с осциллографом

Следует учитывать, что для пассивного элемента (в смысле, не усилителя или транзистора, а резистора — катушки — конденсатора) сдвиг фаз

Работа с осциллографом

Рис. 27. Измерение угла сдвига фаз.

В принципе, величину сдвига фаз можно измерить и в конце периода (точки Д и Е на рис. 26), но в правой части экрана линейность напряжения развертки наихудшая, поэтому погрешность измерения будет максимальна.
Если сдвиг фаз равен нулю (в цепи только активная нагрузка или происходит резонанс), то напряжение и ток будут начинаться и заканчиваться одновременно, рис. 28.

Рис. 28. Осциллограмма при сдвиге фаз, равном нулю.

*****

Как пользоваться осциллографом и для чего он вообще нужен. Часть II

Это вторая часть ликбеза по осциллографам, а первая часть здесь .

Работа с осциллографом

Эта заметка будет постепенно пополняться простыми, но полезными приёмами работы с осциллографом.

Вступление

Главный вопрос, на который следует ответить: «что можно измерить с помощью осциллографа?» Как ты уже знаешь, этот прибор нужен для изучения сигналов в электрических цепях. Их формы, амплитуды, частоты. По полученным данным можно сделать вывод и о других параметрах изучаемой цепи. Значит с помощью осциллографа в основном можно (я не говорю про супер функции супер-современных приборов):

  • Определить форму сигнала
  • Определить частоту и период сигнала
  • Измерить амплитуду сигнала
  • Не напрямую, но измерить ток тоже можно (закон Ома в руки)
  • Определить угол сдвига фазы сигнала
  • Сравнивать сигналы между собой (если прибор позволяет)
  • Определять АЧХ
  • Забыл что-то упомянуть? Напомните в комментариях!

Все дальнейшие примеры следует делались с рассчетом на аналоговый осциллограф. Для цифрового всё тоже самое, но больше умеет, чем аналоговый и в определённых вопросах снимает необходимость думать там, где можно просто показать цифру. Хороший инструмент таким и должен быть.

Итак, перед работой следует подготовить прибор: поставить на стол, подключить к сети =) Да ладно, шучу. Но если есть возможность, то следует его заземлить. Если есть встроенный калибратор, то по инструкции к прибору надо его откалибровать. (подсказка: инструкции есть в сети).

Подключать свой осциллограф к исследуемой цепи ты будешь с помощью щупа. Это такой коаксильный провод, на одном конце которого разъем для подключения к осциллографу, а на втором щуп и заземление для подключения к исследуемой цепи. Какой попало провод в качестве щупа использовать нельзя. Только специальные щупы. Иначе вместо реальной картины дел увидишь чушь.

Работа с осциллографом

Я не буду рассматривать каждый регулятор осциллографа подробно. В сети есть море таких обзоров. Давай лучше учиться как проводить любительские измерения: будем определять амплитуду, частоту и период сигнала, форму, полосу пропускания усилителя, частоту среза фильтра, уровень пульсаций источника питания и т.д. Остальные хитрости и приёмы придут с практикой. Тебе понадобится осциллограф и генератор сигнала.

Виды сигналов

Буду говорить без барских штучек, по-мужицки. На экране осциллографа ты будешь видеть либо синусоидальный сигнал, либо пилу, либо прямоугольнички, либо треугольный сигнал, либо просто какой-нибудь безымянный график.

Работа с осциллографом

Все виды сигналов не перечесть. Да и сами сигналы не знают, что относятся к какому-то там виду. Так что твоя задача не названия запоминать, а смотреть на экран и быстро соображать, что означает увиденное на нём, какой процесс идёт в цепи.

Амплитуда, частота, период

Осциллограф умеет измерять как постоянное, так и переменное напряжение. У всех приборов для этого есть два режима: измерение только переменного сигнала, измерение постоянного и переменного одновременно.

Это значит, что если ты выберешь измерение переменного сигнала и подключишь щуп к батарейке, то на экране прибора ничего не изменится. А если выберешь второй режим и проделаешь тоже самое, то линия на экране прибора сместится приблизительно на 1.6В вверх (величина ЭДС пальчиковой батарейки). Зачем это нужно? Для разделения постоянной и переменной составляющей сигнала!

Пример. Решил ты измерить пульсации в только что собранном источнике постоянного напряжения на 30В. Подключаешь к осциллографу, а луч убежал далеко вверх. Для того, чтобы удобно наблюдать сигнал придется выбрать максимальное значение В/дел на клетку. Но тогда ты пульсаций точно не увидишь. Они слишком малы. Что делать? Переключаешь режим входа на измерение переменного напряжения и крутишь ручку В/Дел на масштаб в разы поменьше. Постоянная составляющая сигнала не пройдет и на экране будут показываться только только пульсации источника питания.

Амплитуду переменного напряжения легко определить зная цену деления В/дел и просто посчитать число клеток по оси ординат, которые занимает этот сигнал от нулевого значения (среднего), до максимального.

Работа с осциллографом

Если посмотреть на экран осциллографа на картинке выше и предположить, что В/дел = 1В, тогда амплитуда синусоиды будет 1.3В.

А если предположить, что Время/дел (развертка) установлено в 1 миллисекунду, тогда период этой синусоиды будет занимать 4 клетки, а зачит период T = 4 мс. Легко? Давай теперь вычислим частоту этой синусоиды. Частота и период связаны формулой: F = 1/T (Т в секундах). Следовательно F = 1/ (4*10 -3 ) и равняется 250 Гц.

Конечно, это очень грубая прикидка, которая годится только для вот таких чистеньких и красивых сигналов. А если подать вместо чистой синусоиды какую-нибудь музыкальную композицию, то в ней будет множество разных частот и на глазок уже не прикинешь. Чтобы определить какие частоты входят в эту композицию потребуется анализатор спектра. А это уже другой прибор.

Измерение частоты

Как я уже писал выше, с помощью осциллографа можно измерять и частоту. А ещё можно не просто измерить частоту какого-нибудь синусоидального сигнала, а даже сравнить частоты двух сигналов, к примеру, с помощью фигур Лиссажу.

Это очень удобно, когда хочется, например, откалибровать собранный своими руками генератор сигналов, а частотомера под руками нет. Тогда и приходят на помощь фигуры Лиссажу. Жаль не все аналоговые осциллографы могут их показывать.

Частенько бывает так, что фаза тока и фаза напряжения расходятся. Например, после прохождения через конденсатор, индуктивность или целую цепь. И если у тебя есть двухканальный осциллограф, то легко можно посмотреть как сильно отличаются фазы тока и напряжения (А если есть современный цифровой, то там есть даже специальная функция для измерения сдвига фаз. Круто!). Для этого следует подключить осциллограф вот таким образом:

Работа с осциллографом

Что еще почитать про осциллографы?

  1. Как пользоваться осциллографом и для чего он вообще нужен. Часть I
  2. Б. Иванов. Осциллограф — ваш помощник.
  3. В. Новопольский. Работа с осциллографом
  4. Афонский, Дьяконов. Измерительные приборы и массовые электронные измерения
  5. Осциллографы Основные принципы измерений (Пособие от Tektronix)
  6. Оценка разности фаз с помощью фигур Лиссажу

/blog/kak-polzovatsya-ostsillografom-i-dlya-chego-on-voobsche-nuzhen-chast-ii/ В первой части я рассказал кратко историю осциллографа, для чего он нужен и какие бывают виды. А сегодня расскажу о некоторых практических приёмах применения осциллографа. 2016-03-31 2016-11-03 осциллограф, сдвиг фаз, измерение тока и напряжения

Работа с осциллографом

Большой радиолюбитель и конструктор программ

Благодаря достижениям электроники у нас есть компьютеры, планшеты, смартфоны и другая популярная техника. Я создал этот сайт для популяризации радиолюбительства. Подписывайтесь на блог, рассылку и группу в ВК: vk.com/mp16a !

*****

Измерения осциллографом, как пользоваться осциллографом
Осциллограф — это эффективный современный прибор, предназначенный для измерения частотных параметров электрического тока во времени и позволяющий отображать их в графическом виде на мониторе, либо фиксировать их с помощью самопишущих устройств. Он позволяет измерять такие характеристики электрического тока внутри цепи, как его сила, напряжение, частота и угол фазового сдвига.
Зачем нужен осциллограф ?
Нет лаборатории, которая смогла бы функционировать долго без измерительных приборов или источников сигналов, токов и напряжения. Если же в планах заняться проектированием или созданием высокочастотных устройств (особенно серьёзной вычислительной техники, скажем, инверторных блоков питания), тогда осциллограф — это отнюдь не роскошь, а необходимость.
Особенно же хорош он тем, что помогает визуально определить форму у сигнала. Чаще всего именно такая форма хорошо показывает, что именно происходит в измеряемой цепи.
Центром всяких осциллографов выступает электронно-лучевая трубка. Можно сказать, что она вроде радиолампы, внутри, соответственно, вакуум.
Катод осуществляет выброс электронов. Установленная фокусирующая система создаёт тоненький луч из излучаемых заряженных частиц. Специальный слой люминофора покрывает весь экран внутри. Под воздействием заряженного пучка электронов возникает свечение. Наблюдая снаружи, можно заметить по центру светящуюся точку. Лучевая трубка укомплектована двумя парами пластин, которые управляют созданным таким образом лучом. Работа электронного луча осуществляется в направлениях, находящихся перпендикулярно. В итоге получаются две управляющие системы, которые создают на экране синусоиду, в которой вертикаль обозначает величину напряжения, а горизонталь — период времени. Таким образом, можно наблюдать параметры поданного на прибор напряжения в определённых временных промежутках. В зависимости от типа подаваемого на осциллограф сигнала с его помощью возможно измерение не только параметров напряжения, но и других величин того или иного тестируемого агрегата.
Какими они бывают
В настоящее время распространены осциллографы двух типов — аналоговый и цифровой (последний отличается большим удобством, расширенными функциями и зачастую более точен). Оба они работают по одинаковому принципу, и указанные ниже способы измерения физических величин могут применяться на любых моделях этого прибора.
Правильное подключение

При проведении измерений важно правильное подключение прибора к измеряемому участку цепи. Осциллограф имеет два выхода с подключаемыми к ним клеммами или щупами. Одна клемма — фазовая, она соединена с усилителем вертикального отклонения луча. Другая — земля, соединенная с корпусом прибора. На большинстве современных приборов фазовый провод заканчивается щупом либо миниатюрным зажимом, а земля — небольшим зажимом типа «крокодил» (см. фото)

Работа с осциллографом
На осциллографах советского производства и некоторых российских моделях оба щупа одинаковы, различить их можно либо по значку «земля» на соответствующем проводе, либо по длине — фазовый провод короче. Подключаются они к входам осциллографа, как правило, стандартным штекером (см. рисунок)
Работа с осциллографом
Если маркировка отсутствует, а по внешним признакам выяснить, где какой щуп, не удалось, то проводят простой тест. Одной рукой дотрагиваются до одного щупа, при этом другую руку держат в воздухе, не прикасаясь ни к чему. Если этот щуп идет на фазовый вход, то на мониторе появятся заметные помехи (см. рисунок). Они представляют собой значительно искаженную синусоиду с частотой 50 Герц. Если щуп идет к «земле», то монитор останется без изменений.
Работа с осциллографом
При подключении осциллографа на измеряемый участок цепи, не имеющий общего провода, щуп «земля» может быть подключен к каждой из измеряемых точек. Если общий провод имеется (это точка, соединенная с корпусом прибора либо заземленная и условно имеющая «нулевой» потенциал), то «землю» предпочтительнее подключать к ней. Если этого не сделать, то точность измерений сильно упадет (в некоторых случаях такие измерения окажутся очень далеки от истинных значений и доверять им будет нельзя).

Измерение напряжения осциллографом

За основу измерения напряжения берется известное значение вертикального масштаба. Перед началом измерений надлежит закоротить оба щупа прибора либо переключить регулятор входа в положение. Нагляднее см. следующую картинку.
Работа с осциллографом
После чего рукояткой вертикальной регулировки надлежит выставить линию развертки на горизонтальную ось экрана, чтобы можно было корректно определять высоту.
После этого прибор подключается на измеряемый участок цепи и на мониторе появляется график. Теперь остается только посчитать высоту графика от горизонтальной линии и умножить на масштаб. Например, если на ниже приведенном графике одну клетку считать за 1 вольт (соответственно, она разбита на штриховые деления в 0,2, 0,4, 0,6, и 0,8 вольт), то получаем общее напряжение в 1,4 вольта. Если бы цена деления была 2 вольта, то напряжение бы равнялось 2,8 вольт и так далее…
Работа с осциллографом
Выставление нужного масштаба осуществляется вращением специальных ручек настройки.

Определение силы тока

Для узнавания силы тока в цепи с помощью осциллографа в нее последовательно включают резистор, имеющий значительно меньшее сопротивление, чем сама цепь (такое, чтобы он практически не влиял на ее исправную работу).
Работа с осциллографом
После этого производят измерение напряжения по принципу, указанному выше. Зная номинальное сопротивление резистора и общее напряжение в цепи несложно, пользуясь законом Ома, рассчитать силу тока.

Измерение частоты с помощью осциллографа

Прибор позволяет успешно измерять частоту сигнала, исходя из его периода. Частота находится в прямо пропорциональной зависимости от периода и рассчитывается по формуле f=1/T, там f — частота, Т — период.
Перед измерением линию развертки совмещают с центральной горизонтальной осью прибора. При проведении измерений осциллограф подключают в исследуемую сеть и наблюдают на экране график.
Работа с осциллографом
Для большего удобства, используя ручки горизонтальной настройки, совмещают точку начала периода с одной из вертикальных линий на экране осциллографа. Успешно посчитав количество делений, которое составляет период, следует умножить его на величину скорости развертки.
Рассмотрим на конкретном примере подробнее. Например, период составляет 2,6 делений, развертка — 100 микросекунд/деление. Умножая их, получаем величину периода равную 260 микросекунд (260*10-6 секунд).
Зная период, рассчитываем частоту по формуле f=1/T, в нашем случае частота примерно равна 3,8 кГц.
Измерение сдвига фаз
Сдвиг фаз — это величина, указывающая взаимное положение двух колебательных процессов в течение времени.
Измерение его производят не в секундах, а в долях периода (Т) сигнала. Достичь максимальной точности измерений этого показателя возможно в том случае, если период растянут масштабированием на весь экран.
В современном цифровом осциллографе абсолютно каждый из сигналов имеет свой цвет, что очень удобно при измерениях. В старых же аналоговых вариантах их яркость и цвет, к сожалению, одинаковы, поэтому для большего удобства следует сделать их амплитуду различной. Подготовка измерения сдвига фаз требует точных подготовительных операций.
Первое, что нужно сделать — не подключая прибор к измеряемой цепи, установить ручками вертикальной настройки линии развертки обоих каналов на центральную ось экрана. Затем ручками настройки усиления каналов вертикального отклонения (плавно и ступенчато) 1-й сигнал устанавливается с большей амплитудой, а второй — с меньшей. Ручками регулирования скорости развертки ее величина устанавливается такой, чтобы оба сигнала на экране имели примерно одинаковый период. После этого, регулируя уровень синхронизации, совмещают начало графика напряжения с осью времени. Ручкой горизонтальной настройки устанавливают начало графика напряжения в крайней налево вертикальной линии. Затем ручками регулировки скорости развертки добиваются того, чтобы конец период графика напряжения совпадал с крайней направо вертикальной линией сетки монитора.
Все эти подготовительные операции производят по порядку до тех пор, пока график периода напряжения не растянется на экран полностью. При этом он должен начинаться и заканчиваться в линиях развертки (см. рисунок).
Работа с осциллографом
После завершения подготовительного этапа следует выяснить, какой из параметров опережает другой — сила тока или напряжение. Величина, начальная точка периода которой начинается раньше во времени, является опережающей, и наоборот. Если опережающим является напряжение, то параметр угла сдвига фаз будет положительным, если сила тока — отрицательным. Углом сдвига фаз (по модулю) является дистанция между началами и концами периодов сигналов в величине сетки делений монитора. Он рассчитывается по такой формуле:
Работа с осциллографом
В ней величина N — это количество клеток сетки, которые занимает один период, а α — количество делений между началами периодов.
Если графики периодов силы тока и напряжения имеют общие начальную и конечную точки, то угол сдвига фаз равняется нолю.
При ремонте радиоаппаратуры поиск неисправностей ведут, измеряя осциллографом обозначенные выше параметры на отдельных участках электронной цепи или у конкретных электронных компонентов (например, микросхем). Затем их сравнивают с указанными в технологических каталогах величинах, стандартных для этих компонентов, после чего и делают выводы о безошибочной работе или неисправности того или иного элемента цепи.
Если статья была вам полезна, поделитесь ею, пожалуйста, в соц.сетях, воспользовавшись кнопками внизу страницы!
Заходите на мой канал в YouTube и в группы «Телемастерская» в Одноклассниках и «Самоделкин» ВКонтакте!
Всем успехов!




Внимание, только СЕГОДНЯ!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *