Как пользоваться осциллографом? Как пользоваться портативным цифровым осциллографом? Подключение осциллографа Осциллограф учимся измерять переменный ток герцы

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.

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:

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.

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:

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.

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

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.

Рис. 13. Деления экрана осциллографа.

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

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.

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.

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.

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!).

Рис. 18. Органы управления разверткой

На панели управления синхронизацией (рис. 19) задается:

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:

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

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

и его частота:

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):

Ручками обоих каналов их линии развертки устанавливаются на среднюю линию сетки экрана (при отсутствии сигналов на входах). Ручками регулировки усиления каналов вертикального отклонения (ступенчато и плавно) сигнал 1-го канала устанавливается большой амплитуды, а 2-го канала - меньшей амплитуды. Ручками регулировки скорости развертки устанавливается такая ее скорость, чтобы на экране отображался примерно один период сигнала. Ручкой «Уровень синхронизации» добиваются того, чтобы график напряжения начинался с оси времени (с линии развертки) - точка А. Ручкой добиваются того, чтобы график напряжения начинался с крайней левой вертикальной линии сетки экрана - точка А. Ручками «Скорость развертки» (ступенчато и плавно) добиваются того, чтобы период графика напряжения заканчивался на крайней правой вертикальной линии сетки экрана. 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:

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:

Следует учитывать, что

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.

«ГРАФО» ЗНАЧИТ «РИСУЮ»

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ФОРМЫ 3 РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Мы живем в технологической цивилизации. Люди создали вторую природу – мир механизмов, сложнейших машин, радиоэлектронных устройств, которые используют практически весь известный диапазон электромагнитных излучений. Но человеческие органы зрения способны воспринимать только видимый свет. Мы не можем увидеть электрический ток, радиоволны, не можем без помощи приборов измерить даже простейшие параметры электрического сигнала. При работе со сложной радиоэлектронной аппаратурой часто возникает задача воспроизведения формы сигналов, т.е. зависимости мгновенного значения напряжения от времени. Её решение позволяет сразу оценить многие параметры колебаний, например, искажение их формы, наличие помех и многое другое. Воспроизведение формы сигналов играет важную роль при проверке и настройке аудио- и видеотрактов аппаратуры.

Для визуализации сигналов используются приборы, которые называются осциллографами, однако определение формы сигналов возможно не только во временной области, но и в частотной. Задачу воспроизведения сигнала в частотной области решают анализаторы спектра и измерители амплитудно-частотных характеристик, о которых будет рассказано в заключительной части этой брошюры.

ЭЛЕКТРОННЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

В настоящее время одним из наиболее распространенных радиоизмерительных приборов является электронный осциллограф, и это не удивительно, ведь он обладает исключительной наглядностью представления исследуемых сигналов, удобством и универсальностью. Осциллограф позволяет рассмотреть любые электрические процессы, даже если сигнал появляется в случайный момент времени и длится миллиардные доли секунды. По изображению на экране осциллографа можно определить амплитуду рассматриваемого сигнала и длительность любого его участка. С помощью осциллографа можно измерять частоту, фазу и коэффициент модуляции сигнала, а также производить другие комплексные измерения.

Осциллографические измерения отличаются широким диапазоном исследуемых частот (от постоянного тока до СВЧ), возможностью запоминания и последующего воспроизведения сигналов, высокой чувствительностью и возможностью отделения сигналов от помех.

КЛАССИФИКАЦИЯ ОСЦИЛЛОГРАФОВ

По назначению и принципу действия осциллографы разделяются на:
Универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные.

По числу одновременно наблюдаемых сигналов их делят на одно-, двух- и многоканальные осциллографы.

По отображающему устройству осциллографы делят на электронно-лучевые и матричные (газоразрядные, плазменные, жидкокристаллические и т.п.).

По принципу обработки информации осциллографы делят на аналоговые и цифровые.

Универсальные осциллографы – приборы общего назначения, предназначенные для наблюдения гармонических и импульсных сигналов. С их помощью можно исследовать одиночные импульсы и пачки импульсов, получать одновременно изображение двух сигналов на одной развертке, детально исследовать любую часть сложного сигнала и многое другое. Они позволяют исследовать сигналы с длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд в диапазоне амплитуд от долей милливольт до сотен вольт, а также измерять параметры таких сигналов с приемлемой для практики погрешностью 5-7%. Полоса пропускания универсальных осциллографов составляет 300… 500 МГц и более.

Универсальные осциллографы разделяют на две группы: приборы моноблочной конструкции и приборы со сменными блоками.

Моноблочные осциллографы общего назначения – наиболее распространенный тип осциллографов.

Осциллографы со сменными блоками отличаются многофункциональностью, достигаемой за счет применения сменных блоков различного назначения.

Скоростные и стробоскопические осциллографы применяются для исследования переходных процессов в быстродействующих полупроводниковых приборах, интегральных микросхемах и переключающих элементах.

Запоминающие осциллографы могут сохранять и воспроизводить изображение сигнала в течение длительного времени после исчезновения его на входе. Основное назначение этих приборов – исследование однократных и редко повторяющихся процессов.

Осциллографы специального назначения предназначены для исследования телевизионных сигналов, они позволяют не только исследовать любую часть телевизионного сигнала с высокой временной стабильностью, но и передавать его в цифровом виде на компьютер для дальнейшей обработки.

ОСНОВНЫЕ БЛОКИ УНИВЕРСАЛЬНОГО ОСЦИЛЛОГРАФА

Рис. 1. Осциллограф С1-107 Общий вид

На рис. 1 показан внешний вид универсального аналогового осциллографа С1-107, а на рис. 2 показана его функциональная схема. Несмотря на разнообразие универсальных осциллографов, их функциональные схемы в целом одинаковы.

Осциллограф состоит из:

• Электронно-лучевой трубки (ЭЛТ);
• Канала вертикального отклонения Y ;
• Канала горизонтального отклонения X ;
• Канала Z ;
• Мультиметра;
• Блока питания.

Канал вертикального отклонения усиливает или ослабляет исследуемый сигнал до значения, удобного для изучения на индикаторе. Положение ручки управления V/дел устанавливает усиление канала Y . Канал состоит из входного делителя, в который входят разъемы, аттенюаторы и переключатели; усилителя, усиливающего сигнал и расщепляющего полярность сигнала для симметричной подачи на пластины ЭЛТ, линии задержки и выходного усилителя. Линия задержки задерживает сигнал на время, необходимое для срабатывания канала горизонтального отклонения, т. е. генератора развертки и усилителя по оси X , чтобы движение луча по горизонтали началось раньше, чем усиленный сигнал поступит на пластины ЭЛТ. Это позволяет наблюдать передний фронт сигнала.

Рис. 2. Функциональная схема осциллографа С1-107

Канал горизонтального отклонения формирует синхронное с исследуемым сигналом пилообразное напряжение для создания оси времени на экране ЭЛТ. Формирователь импульсов запуска вырабатывает короткие запускающие импульсы. Генератор развертки создает линейно-нарастающее напряжение. Скорость нарастания регулируется ручкой Время/дел . Это напряжение поступает на выходной усилитель X ) который расщепляет полярность сигнала и усиливает напряжение развертки до значения, необходимого для требуемого масштаба изображения. Положительно нарастающее пилообразное напряжение подается на правую отклоняющую пластину ЭЛТ, а отрицательное – на левую. В результате луч по экрану трубки проходит слева направо установленное количество делений шкалы за единицу времени. При переключении синхронизатора в режим непрерывных колебаний обеспечивается автоколебательный режим работы развертки.

Усилитель внутренней синхронизации усиливает часть исследуемого сигнала и передает его для запуска развертки.

Осциллографы имеют калиброванные развертки и снабжаются для удобства отсчета сетчатыми шкалами, которые наносятся с внутренней стороны экрана трубки. Это избавляет оператора от ошибки из-за явлений параллакса.

В состав осциллографа входят также калибраторы амплитуды и времени, предназначенные для калибровки масштабов каналов вертикального и горизонтального отклонения, и источники питания со стабилизацией.

Многие современные осциллографы имеют встроенные мультиметры, которые позволяют с высокой точностью измерять значения постоянных и переменных напряжений, токов и сопротивлений. Мультиметр осциллографа С1-107 работает следующим образом. Измеряемые переменные токи и сопротивления преобразуются в переменное напряжение. Затем переменные напряжения преобразуются в постоянное напряжение, пропорциональное величине измеряемых параметров. Затем аналоговый сигнал преобразуется в цифровой с помощью АЦП и поступает в знакогенератор, предназначенный для формирования и написания знаков на экране ЭЛТ.

Осциллограф может работать либо в режиме осциллографирования, либо в режиме мультиметра. Совмещение этих режимов в данной модели невозможно.

ЦИФРОВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Рис. 3. Цифровой осциллограф

Цифровой осциллограф позволяет одновременно наблюдать на экране сигнал и получать численные значения ряда его параметров с большей точностью, чем это возможно путем считывания количественных величин непосредственно с экрана обычного осциллографа. Это возможно потому, что параметры сигнала измеряются непосредственно на входе цифрового осциллографа, тогда как сигнал, прошедший через канал вертикального отклонения, может быть измерен с существенными ошибками. Эти ошибки могут достигать 10%.

Параметрами, измеряемыми современными цифровыми осциллографами, являются: амплитуда сигнала, его частота или длительность. На экране осциллографа, помимо собственно осциллограмм, отображается состояние органов управления (чувствительность, длительность развертки и т. п.). Предусмотрен вывод информации с осциллографа на печать и другие функциональные возможности. Однако этим не ограничиваются возможности цифровых осциллографов. Сопряжение цифровых осциллографов с микропроцессорами позволяет определять действующее значение напряжения сигнала и даже вычислять и отображать на экране преобразования Фурье для любого вида сигнала.

В устройствах цифровых осциллографов осуществляется полная цифровая обработка сигнала, поэтому в них, как правило, используется отображение на новейших индикаторных панелях.

В современных цифровых осциллографах автоматически устанавливаются оптимальные размеры изображения на экране трубки.

Функциональная схема цифрового осциллографа (рис. 4) содержит аттенюатор входного сигнала; усилители вертикального и горизонтального отклонения; измерители амплитуды и временных интервалов; интерфейсы сигнала и измерителей; микропроцессорный контроллер; генератор развертки; схему синхронизации и электронно-лучевую трубку.

Цифровые осциллографы обеспечивают автоматическую установку размеров изображения, автоматическую синхронизацию, разностные измерения между двумя метками, автоматическое измерение размаха, максимума и минимума амплитуды сигналов, периода, длительности, паузы, фронта и спада импульсов и пр.

Амплитудные и временные параметры исследуемого сигнала определяются с помощью встроенных в прибор измерителей. На основании данных измерений микропроцессорный контроллер производит вычисление требуемых коэффициентов отклонения и развертки и через интерфейс устанавливает эти коэффициенты в аппаратной части каналов вертикального и горизонтального отклонения. Это обеспечивает неизменные размеры изображения по вертикали и горизонтали, а также автоматическую синхронизацию сигнала.

Микропроцессорный контроллер также опрашивает положение органов управления на передней панели, и данные опроса после кодирования снова поступают в контроллер, который через интерфейс включает соответствующий режим автоматического измерения. Результаты измерений индицируются на экране трубки, причем амплитудные и временные параметры сигнала отображаются одновременно.

Рис. 4. Функциональная схема цифрового осциллографа

ПОРТАТИВНЫЕ МУЛЬТИМЕТРЫ-ОСЦИЛЛОГРАФЫ

В последнее время на рынке контрольно-измерительных приборов появилась новая и довольно оригинальная их разновидность: портативные цифровые мультиметры-осциллографы.

Эти малогабаритные и сравнительно недорогие приборы сочетают в себе функцию мультиметра, позволяющего измерять параметры напряжений, токов и сопротивлений, измерять емкости, индуктивности, параметры транзисторов и диодов, и простого осциллографа.

Наиболее распространены на российском рынке мультиметры-осциллографы фирм BEETECH (рис. 5), Velleman, METEX и Tektronix.

Рис. 5. Мультиметр-осциллограф BEETECH 70

Рис. 6. Портативный персональный осциллограф Velleman HPS10

Осциллограф Velleman HPS10 (рис. 6) не обладает функциями мультиметра, но зато это полноценный осциллограф с полосой пропускания 2 МГц и частотой квантования АЦП 10 МГЦ. Прибор имеет высокую чувствительность – от 5 мВ на 12 делений, а диапазон разверток находится в пределах от 200 нс до 1 часа (!) на 32 деления. Прибор может работать от сети через адаптер или от встроенных аккумуляторов, которых хватает на 20 часов работы. Прибор имеет ЖК-дисплей с разрешением 128 х 64 точки. Такой осциллограф позволяет просматривать даже телевизионный сигнал (правда, довольно грубо).

Портативные осциллографы часто поставляются в пластиковых чемоданчиках, в которых кроме самого прибора находятся переходники, щупы, адаптер питания и руководство по эксплуатации.

В большинстве случаев такого прибора вполне достаточно для проведения измерений сигналов при выполнении инсталляций.

РАБОТА С ОСЦИЛЛОГРАФОМ

Современные осциллографы предоставляют богатый набор инструментов для исследования формы сигналов и измерения их параметров.

Проще всего работать с низкочастотными сигналами, например, с сигналами звукового диапазона частот (рис. 7), исследование высокочастотных сигналов и сигналов сложной формы (рис. 8) требует дополнительных навыков.

Рис. 7. Сигнал звуковой частоты на экране цифрового осциллографа

Специализированные телевизионные осциллографы имеют схемы развертки, позволяющие выделить из телевизионного сигнала любой кадр и любую строку, а вот при работе с осциллографами общего назначения нужно выбирать, какими импульсами синхронизации запускать развертку – кадровыми или строчными. Некоторые осциллографы имеют на переключателе режима развертки позиции TV-V и TV-H (запуск кадровыми и строчными синхроимпульсами соответственно). Если таких режимов нет, то для просмотра одного кадра нужно установить скорость развертки в положение 2 мс/дел, а для просмотра одной строки – 10 мкс/дел. Обычно запуск развертки телевизионным сигналом осуществляется при отрицательной полярности импульсов запуска.

При работе с осциллографом важно правильно выбрать режим запуска синхронизации развертки. Чаще всего выбирают режим запуска исследуемым сигналом, т.н. внутреннюю синхронизацию (в двухканальных осциллографах эти режимы называются CH1 и CH2). Если исследуемая аппаратура использует внешние сигналы синхронизации, то логично использовать их для запуска развертки осциллографа. Этот вид синхронизации называется внешней и обычно обозначается EXT. Если исследуются электротехнические устройства, то полезной может оказаться синхронизация от сети – LINE.

Удобный масштаб изображения устанавливается переключателем V/дел.

Рис. 8. Телевизионные сигналы на экране цифрового осциллографа

Двухканальный осциллограф позволяет, как показано на рис. 8, одновременно просматривать различные компоненты телевизионного сигнала.

Рис. 9. Гасящий импульс

Рис. 10. Сигнал цветовой синхронизации

Меняя скорость развертки и значение V/дел можно исследовать общий вид сложного сигнала или «растянуть» отдельный его фрагмент. На рис. 9 показана одна строка телевизионного сигнала, а на рис. 10 – «растянутый» сигнал цветовой синхронизации.

Рис. 11. Измерение длительности

Очень часто при работе с осциллографами возникает необходимость в измерении параметров исследуемых сигналов. Аналоговые осциллографы менее удобны. Для того чтобы определить амплитуду или длительность сигнала, нужно подсчитать, сколько клеток по вертикали или по горизонтали занимает исследуемый сигнал, а затем умножить количество клеток на цену деления переключателя В/дел или Время/дел. Например, если сигнал по вертикали занимает 3,5 клетки, а переключатель В/дел установлен в положение 100 мВ, то амплитуда сигнала составит 350 мВ. Точность такого метода невелика.

Цифровые осциллографы гораздо удобнее. Например, для того чтобы измерить амплитуду импульса на осциллограмме рис. 9, нужно включить режим измерения напряжений, затем подвести курсор 1 к вершине импульса, а курсор 2 – к его основанию. Осциллограф автоматически измерит напряжение, и в правой части экрана появится надпись: Delta – 296 mV.

Аналогично производится измерение длительностей, только в этом режиме курсоры имеют вид вертикальных линий (рис. 11).

На периферии экранов цифровых осциллографов (рис. 7-11) выводится разнообразная служебная информация, позволяющая, не глядя на органы управления прибором, определить, в каком положении находится переключатели В/дел, Время/дел, режимы синхронизации, ознакомиться с отсчетами напряжений, длительностей и пр.

Интерфейсы современных цифровых осциллографов у разных производителей различаются, поэтому перед началом работы следует внимательно изучить Руководство пользователя.

• Основным режимом измерений должен быть режим с закрытым входом (см. рис. 2). Это защитит цепи прибора от повреждения неожиданно высоким напряжением;
• Перед началом измерений поставьте переключатель В/дел на самый «грубый» предел, последовательно увеличивая усиление, добейтесь нужного размера изображения на экране;
• Пользуйтесь штатными щупами и пробниками осциллографа, это повышает точность измерений и снижает риск повреждения прибора;
• Если изображение на экране осциллографа имеет достаточную амплитуду, но рассмотреть его не удается, скорее всего, неверно выбрано положение переключателя Время/дел. Меняя его положение, добейтесь наиболее устойчивого изображения, затем выберите элемент сигнала, по которому будет осуществляться синхронизация с помощью ручки Амплитуда синхронизации. При необходимости измените полярность сигнала синхронизации и вид синхронизации.

КАК ВЫБРАТЬ ОСЦИЛЛОГРАФ?

Осциллограф – это сложный и дорогостоящий прибор, на рынке присутствуют сотни моделей – от самых простых и бюджетных до чрезвычайно дорогих, специализированных и прецизионных приборов. Как сделать правильный выбор и приобрести именно тот осциллограф, который окажется вам полезным при настройке аудио- видеооборудования? В этой главе мы дадим вам несколько советов.

Прежде чем приступить к выбору осциллографа, нужно четко понять, какие задачи предстоит решать с его помощью. При этом необходимо помнить и о перспективах, поскольку осциллограф приобретается не на один год и не для выполнения одной-единственной работы.

1. Какой осциллограф выбрать: аналоговый или цифровой?

Аналоговые осциллографы дают возможность непрерывно наблюдать аналоговый сигнал в реальном масштабе времени, имеют простые, понятные органы управления и невысокую стоимость. Вместе с тем аналоговые осциллографы имеют низкую точность по сравнению с цифровыми, на малых скоростях развертки для них характерно мерцание.

Цифровые осциллографы позволяют «замораживать» картинку на экране, имеют высокую точность измерений, яркое, хорошо сфокусированное изображение сигнала на любой скорости развертки, однако они стоят значительно дороже, сложны в управлении и в отдельных случаях неправильно отображают сигнал.

Неоспоримыми преимуществами цифровых осциллографов также являются возможности измерения напряжений и длительностей сигнала «на лету», а также возможность подключения к внешним регистрирующим устройствам, наличие средств автодиагностики и автокалибровки.

2. Определите необходимую полосу пропускания

Одной из основных характеристик осциллографа, влияющих на выбор прибора, является полоса пропускания, которая зависит от того, какие сигналы и с какой точностью необходимо измерять.

Имейте в виду, что цифровые осциллографы имеют два принципиально разных значения полосы пропускания: полоса для повторяющихся сигналов (или аналоговая) и полоса для однократных сигналов. Большинство реальных сигналов содержит множество высокочастотных гармоник, поэтому широкополосные осциллографы отображают такие сигналы более точно.

При проведении точных измерений временных характеристик величина полосы пропускания осциллографа должна как минимум в три раза превышать значение первой гармоники наиболее высокочастотного из измеряемых сигналов. А для точных измерений амплитуды желательно, чтобы полоса пропускания осциллографа была в десять раз больше, чем частота измеряемого сигнала.

Полоса пропускания аналоговых осциллографов редко превышает 400 МГц., в то время как цифровые осциллографы могут иметь полосу до 50 ГГц.

3. Определите необходимое количество каналов

Наибольшей популярностью пользуются двухканальные осциллографы, однако в последнее время все большее распространение получают четырехканальные модели, поскольку удельная стоимость канала у них меньше, чем у двухканальных моделей, а возможности существенно шире. Однако управлять таким прибором может быть непросто.

Некоторые осциллографы имеют 2 полных канала и 2 дополнительных канала с ограниченным диапазоном чувствительности. В этом случае в осциллографе имеются только 2 аналого-цифровых преобразователя (АЦП), входы которых коммутируются на 4 канала.

4. Определите необходимую частоту дискретизации (для цифровых осциллографов)

Для задач, связанных с изменением однократных или переходных процессов, частота дискретизации имеет первостепенное значение. Параметр «частота дискретизации» обозначает скорость, с которой осциллограф может оцифровывать входной сигнал. Более высокая частота дискретизации определяет более широкую полосу пропускания для однократных сигналов и дает большее временное разрешение.

Большинство производителей цифровых осциллографов используют отношение между частотой дискретизации и полосой для однократных сигналов на уровне 4:1 (если есть средства интерполяции) или 10:1 (без средств встроенной интерполяции) для предотвращения искажения сигнала.

5. Определите необходимый объем памяти (для цифровых осциллографов)

Требуемый объем памяти зависит от общей длительности сигнала, параметры которого необходимо исследовать, и желаемого разрешения по времени. Если исследуются сигналы в большом промежутке времени с большим разрешением, то потребуется большая память. Большой объем памяти позволит использовать более высокую частоту дискретизации на медленных скоростях развертки, уменьшая вероятность получения искаженного сигнала и обеспечивая получение большего объема информации о сигнале.

Следует иметь в виду, что увеличение объема памяти может привести к сильному замедлению работы осциллографа, поскольку ему потребуется обрабатывать больший массив данных.

6. Определите требуемые возможности по запуску прибора

Для большинства пользователей осциллографов общего назначения просто запуска по фронту (перепаду) сигнала часто бывает недостаточно. Для решения многих задач бывает также полезно иметь дополнительные возможности по запуску, позволяющие обнаружить события, которые иначе очень трудно отследить. Возможность запуска по телевизионному сигналу позволяет настроить прибор на определенное поле или строку.

7. Определите требуемые возможности по обнаружению импульсных помех

В принципе, любой аналоговый осциллограф всегда способен отобразить импульсные помехи и джиттер. Вопрос состоит лишь в том, достаточно ли скорости нарастания в канале вертикального отклонения (в конечном счете – полосы пропускания) и яркости осциллограммы для исследования этих процессов. Осциллографы с возможностями запуска по импульсной помехе позволяют выделять трудно обнаруживаемые импульсные помехи и производить по ним запуск осциллографа. Эта дополнительная возможность очень полезна при поиске причины ненормальной работы исследуемой схемы.

8. Дополнительные возможности

Многие современные цифровые осциллографы могут выполнять функцию анализатора спектра, однако в области звуковых частот она реализована, как правило, плохо.

Большинство цифровых и аналого-цифровых осциллографов могут взаимодействовать с персональным компьютером, принтером или плоттером через интерфейсы GPIB, RS-232 или Centronics. В последние годы все чаще используется интерфейс USB.

Многие современные цифровые осциллографы оснащены дисководами или разъемами для флэш-памяти, которые позволяют сохранять изображения экрана с осциллограммами (в различных форматах) и результаты измерений в числовом виде, а затем быстро перенести их в компьютер для дальнейшей обработки. Эти возможности позволяют сэкономить время, когда, например, требуется вставить изображение с экрана осциллографа в отчет или скопировать данные сигналов электронную таблицу.

Попробуйте поработать с прибором, оцените, насколько он прост в работе, возможно ли интуитивное управление прибором в то время, когда основное внимание уделяется исследуемой схеме? Оцените скорость реакции экрана, а также время, которое затрачивает осциллограф на выполнение команд. Есть ли у прибора память команд?

ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

При контроле технического состояния радиоэлектронной аппаратуры важное место занимает измерение амплитудно-частотных характеристик различных ее узлов.

При снятии амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) приборов или их узлов удобно представлять их в виде четырехполюсника. Тогда АЧХ – это зависимость модуля (абсолютного значения) коэффициента передачи четырехполюсника от частоты сигнала.

Коэффициент передачи – это отношение мощности или напряжения на выходе четырехполюсника к мощности или напряжению на его входе.

Если выходное напряжение меньше входного, при прохождении сигнала через четырехполюсник происходит ослабление сигнала. Такой четырехполюсник называется пассивным (пример – пассивный электрический фильтр), а коэффициент передачи является коэффициентом ослабления.

При выходном напряжении больше входного происходит усиление сигнала, и коэффициент передачи является коэффициентом усиления. Четырехполюсник в этом случае называется активным (пример – усилитель сигналов звуковых частот).

Значение коэффициента передачи четырехполюсника и значение частоты сигнала, на которой проводилось его определение, образуют точку в системе координат, а совокупность таких точек образуют кривую АЧХ в требуемом диапазоне частот. На рис. 12 в качестве примера приведена АЧХ антенного усилителя, работающего в диапазоне телевизионного вещания.

Рис. 12. АЧХ антенного усилителя

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Измерение параметров амплитудно-частотных характеристик четырехполюсников проводится с помощью генератора качающейся частоты (ГКЧ) и индикаторного устройства.

Частота генератора плавно изменяется по определенному закону в требуемой полосе частот, а на индикаторе осциллографического типа воспроизводится кривая АЧХ.

Структурная схема простейшего автоматического измерителя АЧХ приведена на рис. 13.

Рис. 13. Структурная схема автоматического измерителя АЧХ

Сигнал с ГКЧ подается на вход исследуемого четырехполюсника. Из-за наличия у этого четырехполюсника зависимости модуля коэффициента передачи от частоты сигнала на его выходе сигнал модулирован по амплитуде. Огибающая этого сигнала, выделенная на детекторной головке, входящей в состав индикаторного устройства, управляет отклонением луча индикатора по вертикали, рисуя кривую АЧХ.

Управление частотой ГКЧ и отклонением луча индикатора по горизонтали осуществляется блоком модулирующего напряжения, одновременно синхронизирующим работу этих двух узлов.

В измерителе АЧХ, построенном по такой структурной схеме, горизонтальное положение луча на экране индикатора соответствует частоте на входе исследуемого четырехполюсника, а вертикальное – значению модуля коэффициента передачи на этой частоте. Таким образом, на экране автоматически вычерчивается кривая АЧХ исследуемого четырехполюсника.

Блок автоматической регулировки амплитуды служит для обеспечения постоянства уровня выходного сигнала во всем диапазоне качания частоты.

Часть сигнала с ГКЧ подается на блок частотных меток, в котором вырабатывается целый спектр калибровочных частот в пределах рабочего диапазона ГКЧ. В момент совпадения частоты ГКЧ с любой из этих частот образуются сигналы, которые подаются в индикаторный блок и наблюдаются на экране в виде амплитудных меток.

Для калиброванного изменения выходного напряжения ГКЧ служит аттенюатор.

В зависимости от ширины полосы качания приборы подразделяются на узкополосные, среднеполосные, широкополосные и комбинированные. Узкополосные измерители АЧХ обеспечивают полосу качания, составляющую доли и единицы процента центральной частоты, а широкополосные – полосу качания, составляющую полный диапазон частот прибора. Комбинированные совмещают в себе функции как узкополосных, так и широкополосных приборов.

Измерители АЧХ могут иметь линейный и логарифмический масштаб по амплитуде.

Наиболее широкое применение находят универсальные измерители АЧХ, позволяющие решать широкий круг измерительных задач. На рис. 14 показан измеритель АЧХ Х1-50 отечественного производства, который применяется при настройке и испытании телевизионной техники. Наличие в его составе встроенного генератора сетчатого поля позволяет осуществлять проверку линейности телевизионного изображения, а с помощью внешнего измерительного моста – проверку согласования антенных выводов.

Рис. 14. Измеритель АЧХ Х1-50

• Важную роль играет согласование выхода прибора с нагрузочным сопротивлением. Если на частотах до десятков мегагерц рассогласование приводит лишь к уменьшению уровня выходного сигнала, то на более высоких частотах – к увеличению неравномерности выходного сигнала в полосе качания. Согласование входа исследуемого устройства возможно путем подключения на конце кабеля, соединяющего их с выходом измерителя АЧХ, сопротивления, близкого к волновому. Если исследуемый четырехполюсник имеет низкоомный вход с волновым сопротивлением, отличным от выходного сопротивления измерителя АЧХ, то его необходимо соединять с прибором через согласующее устройство.
• При низкоомном выходе исследуемого устройства, например фильтра, телевизионного антенного усилителя, коаксиальной линии передачи, его следует подключать к входу индикаторного устройства через согласованную детекторную головку, а при отличии выходного сопротивления четырехполюсника от сопротивления нагрузки детекторной головки между ними необходимо устанавливать согласующее устройство.
• При исследовании АЧХ усилителей возможны искажения, вызванные их перегрузкой, в результате чего вершина кривой АЧХ будет выглядеть более плоской, чем на самом деле. В этом случае на вход усилителя нужно подавать сигнал с минимальным уровнем.
• При настройке многокаскадных устройств, например усилителей промежуточной частоты, видеоусилителей, когда необходимо просмотреть АЧХ каждого каскада в отдельности, используйте высокоомную детекторную головку из комплекта прибора.
• Если ваш измеритель АЧХ имеет двухканальный индикатор, можно настраивать АЧХ устройств, сравнивая их с эталонными. Для этого сигнал с выхода измерителя АЧХ подается одновременно на входы настраиваемого и эталонного устройств, а их выходы подключаются к отдельным каналам индикатора, усиление которых устанавливается одинаковым. Изменяя настройки устройства, добиваются совмещения его АЧХ с эталонной.
• Наряду с исследованием АЧХ четырехполюсников измерители АЧХ позволяют решать ряд других измерительных задач, таких как измерение добротности колебательного контура, крутизны АЧХ, полных сопротивлений и КСВ нагрузки, исследование кабелей.

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СПЕКТРА РАДИОСИГНАЛОВ

В практике работы со сложной современной радиоэлектронной аппаратурой визуальное наблюдение формы сигнала с помощью осциллографа иногда оказывается недостаточным. Более чувствительным и информативным является анализ спектральных характеристик сигналов . Особенно важным является знание спектрального состава сигналов в настоящее время, когда остро встает проблема электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры, когда требуется определить параметры сигнала на входе и выходе линии его передачи.

В настоящее время известны два основных метода измерения характеристик спектра сигналов: вычисление преобразований Фурье и с помощью цифровых фильтров.

Преобразование Фурье позволяет представить сложный сигнал как совокупность гармонических синусоидальных колебаний с различными частотами и амплитудами.

На практике это означает, что практически любой сигнал можно разложить на конечное число гармоник с частотами , амплитудой и фазой – , где:

k=1, 2, 3…;
f 0 – частота первой гармоники;
T – время;
a k и b k – коэффициенты преобразования.

График зависимости величин в зависимости от k называют линейчатым спектром Фурье. Пример такого спектра, полученного аналитически, показан на рис. 15, а фото экрана анализатора спектра – на рис. 16.

Рис. 15. Линейчатый спектр Фурье

Рис. 16. Спектр сигнала, излучаемого АС

Таким образом, спектр сигнала характеризуется частотой, амплитудой и фазой его составляющих, которые и измеряются при создании и эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры и электронных компонентов.

Кроме этих основных характеристик спектр сигналов характеризуется формой и шириной.

Бурное развитие вычислительной техники уже сейчас позволяет создавать анализаторы спектра на цифровом фильтре, эффективно работающие в низкочастотном (звуковом) диапазоне, что для анализаторов старых типов было почти неразрешимой задачей. Цифровые фильтры универсальны, стабильны, не нуждаются в подстройке, имеют широкий рабочий диапазон. Можно с уверенностью предположить, что анализаторы спектра этого типа в ближайшем будущем будут доминировать в этом сегменте рынка контрольно-измерительных приборов.

Любая электротехническая лаборатория должна быть оборудована измерительной аппаратурой для определения источников сигналов, уровня напряжения, силы тока и так далее. Это позволяет осуществлять не только необходимые исследования, но и проектирование или конструирование различных приборов и устройств. На промышленном предприятии, особенно там, где присутствуют токи высокой частоты, без осциллографа (основного прибора для измерения электричества) практически невозможно обойтись.

Применение осциллографа

Данный аппарат позволяет визуализировать напряжение на специальном экране. Он выдает осциллограмму, которая представляет собой график изменения параметра электрического тока на протяжении некоторого периода. Основной ценностью осциллографа является возможность одновременного измерения напряжения, частоты, силы тока и угла сдвига фаз. Все результаты сразу обрабатываются и выводятся на экран в виде графика, который демонстрирует форму электрического сигнала. В результате наблюдатель может увидеть процессы, которые происходят в электрической цепи, определить источник сбоя, своевременно выключить прибор, чтобы предотвратить повреждение или катастрофу.

Как правило, постоянное напряжение представляет собой идеальную синусоиду. Однако на практике это не всегда так – напряжение в сети может колебаться, что и будет отражено на экране описываемого прибора. В такой ситуации точно измерить данный параметр с помощью стандартного вольтметра почти невозможно (будут существенные погрешности: измерительная аппаратура со стрелками будет выдавать одни значения, цифровые приборы – другие, а устройства для измерения напряжения постоянного тока – третьи). Единственный способ максимально точно определить напряжение в такой сети – использовать осциллограф.

Особенности применения цифрового аппарата

Данные измерительные устройства позволяют не только отслеживать форму сигнала в режиме реального времени, но и сохранять полученную информацию, которую затем можно будет обрабатывать на компьютерах при исследовании и моделировании различных процессов. Осциллограмма, которую выводит на экран описываемый прибор, предоставляет возможность наблюдать следующие особенности измеряемого сигнала:

• Параметры электрического импульса;
• Значения входящего сигнала (отрицательные или положительные);
• Скорость изменения значений импульса от нуля до максимального значения;
• Соотношение продолжительности импульса и паузы.

Чаще всего осциллографы используются для изучения сигналов, носящих периодический характер.

Принцип функционирования прибора

Ключевым элементом устройства является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Из нее откачивается воздух так, чтобы внутри образовался вакуум, в котором находится катод (положительно заряженное вещество). При воздействии на него электрического тока он начинает излучать отрицательно заряженные частицы, фокусирующиеся затем с помощью специальной системы и направляемые на внутреннюю поверхность экрана. Эта поверхность покрыта специальным веществом – люминофором, на котором при попадании пучка электронов возникает свечение. В результате, если смотреть на прибор снаружи, можно наблюдать на экране движение светящейся точки.

Фокусировка и направление луча в ЭЛТ осуществляется с помощью двух пар пластин, которые управляют движением электронов в двух плоскостях. В горизонтальной – пучок электронов отклоняется пропорционально изменению времени, а в вертикальной – пропорционально измеряемому напряжению.

Развертка

При наблюдении за характером сигнала с использованием осциллографа напряжение следует подавать на вертикально расположенные пластины. Полученный график изменения параметра, как правило, имеет вид пилы: сначала происходит нарастание разности потенциалов в линейной зависимости, а затем следует резкий спад. Кроме того, наблюдая за движением луча на экране, можно увидеть его отклонение влево или вправо. Это свидетельствует о знаке напряжения: при его отрицательной величине происходит движение влево, а при положительной – вправо. Чаще всего движение луча происходит слева направо с постоянной скоростью.

Такое перемещение точки на экране прибора и называется разверткой. Горизонтальная линия, проводимая лучом, носит название линии нуля. Относительно нее производятся измерения времени. Под частотой развертки понимается периодичность, с которой повторяются пилообразные импульсы.

Порядок подключения осциллографа

Поскольку напряжение – разность потенциалов, то измерять его следует в двух точках. С этой целью осциллограф оборудован двумя клеммами, с помощью которых производится подача напряжения на пластины. Первая клемма является входом и подключается к источнику сигнала, что ведет к отклонению луча по вертикали. Вторая – называется общим проводом и заземлена (замкнута на корпус самого прибора).

Чтобы корректно подключить прибор, необходимо заранее знать, какой из проводов является фазой (по какому проводу течет электрический ток). В зарубежных устройствах для этого имеются специальные щупы, которые позволяют определить наличие напряжения на входе и, к какому источнику какую клемму подключать. При этом общий провод заканчивается зажимом типа «крокодил», что позволяет легко его закрепить на металлическом корпусе измерительного прибора. Клемма, которая обеспечивает контакт с фазой, имеет форму иглы, что позволяет легко измерять электрический сигнал в любом месте: розетке, проводе, печатной плате или даже на ножке микропроцессорного чипа.

После того, как клеммы установлены, можно переходить непосредственно к измерениям. Практически в любой электрической цепи существует единый провод, и для проверки параметров рекомендуется измерять характеристики сигнала на нем. Но такая ситуация может быть не всегда. Тогда следует выбрать точки, где требуется произвести замеры, и осуществить их (чаще всего в качестве таких точек выбирают места наиболее вероятной неисправности).

Обратите внимание! Основной задачей осциллографа является наблюдение за напряжением в динамике. Но, подключив сопротивление, можно исследовать и форму электрического сигнала тока. Величина сопротивления при этом должна быть существенно ниже общего сопротивления исследуемой цепи. Только при соблюдении данного условия измерения будут корректными, поскольку прибор не окажет влияния на функционирование цепи.

Особенности подключения отечественных устройств

Стандарты организации электрических цепей в РФ отличаются от зарубежных, поэтому и измерительную аппаратуру приходится подключать по-другому. В частности, применяются штекеры с диаметром щупа в 4 миллиметра. Поскольку они одинаковые, то, чтобы правильно подключить прибор, необходимо обращать внимание на следующие признаки:

• Вывод, который присоединяется к источнику тока, как правило, обладает большей длиной;
• Провод для заземления (крепления к корпусу) обычно черный или коричневый;
• На штекере для заземления часто присутствует соответствующая надпись или указание, что он должен быть подсоединен к общему проводу.

Важно! Однако такие обозначения встречаются не всегда. Приборы могут быть после ремонта, штекеры заменены, поэтому, чтобы определить, на каком проводе фаза, а на каком – ноль, рекомендуется воспользоваться проверенным способом. Для этого необходимо дотронуться рукой сначала до одного штекера, а потом – до другого. Если пользователь коснулся штекера на минусовом проводе, то на экране появится горизонтальная линия. При касании фазового провода на экране будет отображена синусоида с большим количеством шумов (помех). Данный способ является безошибочным, а помехи появляется из-за влияния других электроприборов, находящихся в помещении.

Возможности двухканального аппарата

Особенностью данного прибора является возможность одновременной выдачи на экран сигнала от двух различных источников. У такого типа измерительного аппарата имеется два канала, обозначенных соответствующим образом. При этом клеммы нулевого провода обоих каналов заведены на корпус, поэтому, измеряя импульсы таким прибором, следует не допускать их подключения к разным местам в одной электрической цепи, поскольку в таком случае может произойти короткое замыкание, и сведения о напряжении окажутся неверными.

Единственным недостатком двухканального осциллографа является невозможность наблюдать одновременно два различных напряжения. Однако такая проблема не является критической, поскольку в большинстве случаев нулевой провод соединен с корпусом и является общим для двух фаз, а, значит, измерение напряжения осуществляется с применением данного проводника.

Преимуществом такого прибора является наличие возможности контроля двух параметров электрической цепи: силы тока и напряжения. Для измерения тока в схему требуется обязательно включить дополнительное сопротивление с определенными параметрами (оно не должно превышать общего сопротивления цепи, чтобы не создавать погрешностей при измерении). Использование такого осциллографа является довольно сложным занятием, поэтому рекомендуется всегда иметь справочники и схемы корректного его подключения.

Дополнительная информация. Следует учитывать и особенность конструкции двухканального осциллографа. В нем имеется некоторая несимметричность: синхронизация первого канала обладает более высоким качеством и стабильностью по сравнению со вторым. Поэтому для получения корректной осциллограммы рекомендуется использовать первый канал для наблюдения за напряжением, а второй – за током.

Порядок измерения напряжения

Для мониторинга данной характеристики сигнала с помощью осциллографа следует ориентироваться на значения вертикальной шкалы экрана. Чтобы получить значения, необходимо соединить клеммы прибора между собой, а затем включить режим измерений. После этого требуется отрегулировать прибор так, чтобы линия развертки оказалась совмещенной с центральной горизонтальной чертой на экране.

Только после завершения описанных подготовительных действий можно переводить устройство в режим для осуществления измерений. Для этого входную клемму следует поместить на источник сигнала, который требуется исследовать.

Важно! Производить измерения с помощью портативного осциллографа несколько сложнее, поскольку у него существенно большее количество настроек и регулировок, поэтому применять его рекомендуется либо при наличии соответствующего опыта, либо, сверяя каждое действие с инструкцией.

После подачи сигнала на вход прибора на экране появится график. Для измерения высоты синусоиды (уровня напряжения) необходимо также произвести регулировку: установить пластины так, чтобы точка на экране находилась на вертикальной линии. Так производить измерение будет существенно проще, поскольку на нее нанесена шкала со значениями.

Порядок изменения частоты

Осциллограф позволяет измерять и периоды сигнала. Для вычисления частоты в последующем можно воспользоваться простой формулой, поскольку частота находится в обратно пропорциональной зависимости от периода сигнала (увеличение периода ведет к сокращению частоты и наоборот).

Измерять период проще всего в местах, где осциллограмма пересекает горизонтальную ось. Следовательно, для получения корректных значений рекомендуется перед началом исследования настроить линию развертки так же, как при мониторинге напряжения.

После этого необходимо установить начало движения точки на крайней левой линии на экране. Далее требуется только зафиксировать значение, при котором точка пересечет горизонтальную линию. Вычислив значение периода, можно с помощью специальной формулы определить частоту. Для увеличения точности измерений следует максимально растягивать график в горизонтальной плоскости. Оптимальной точностью считается погрешность на уровне менее одного процента, но такие параметры можно получить только на цифровых устройствах с линейной разверткой.

Определение угла сдвига фаз

Данное явление демонстрирует расположение относительно друг друга графиков двух электрических сигналов на протяжении определенного периода времени. Измерение величины сдвига осуществляется в частях периода (градусах), а не в единицах времени. Это объясняется особенностью графика, который по своей форме представляет синусоиду, а значит, различие в графиках зависит от разницы в величине углов.

Максимальную точность можно получить также при растяжении графика в длину. В связи с тем, что каждый сигнал отображается с одинаковой яркостью и цветом, рекомендуется установить для них разную амплитуду. Для этого следует подавать на первый канал максимально возможное напряжение, что позволит улучшить синхронизацию изображения на экране.

Таким образом, использование осциллографа требует определенных навыков и теоретических знаний, но измерения параметров электрического сигнала, которые позволяет сделать данный прибор, позволяют обнаружить различные неисправности, а также проектировать качественные новые изделия.

Видео

Цифровой осциллограф, конечно, намного совершеннее обычного электронного, позволяет запоминать осциллограммы, может подключаться к персональному компьютеру, имеет математическую обработку результатов, экранные маркеры и многое другое. Но при всех достоинствах эти приборы нового поколения обладают одним существенным недостатком, - это высокая цена.

Именно она делает цифровой осциллограф недоступным для любительских целей, хотя существуют «карманные» осциллографы стоимостью всего в несколько тысяч рублей, которые продаются на Алиэкспресс, но пользоваться ими не особенно удобно. Ну, просто интересная игрушка. Поэтому пока речь пойдет об измерениях с помощью электронного осциллографа.

На тему выбора осциллографа для использования в домашней лаборатории в интернете можно найти достаточное количество форумов. Не отрицая достоинств цифровых осциллографов, на многих форумах советуют остановить выбор на простых малогабаритных и надежных осциллографах отечественной разработки С1-73 и С1-101 и подобных, с которыми мы ранее познакомились в .

При достаточно демократичной цене эти приборы позволят выполнить большинство радиолюбительских задач. А пока познакомимся с общими принципами измерений с помощью осциллографа.

Рисунок 1. Осциллограф С1-73

Что измеряет осциллограф

Измеряемый сигнал подается на вход канала вертикального отклонения Y, который имеет большое входное сопротивление, как правило, 1MΩ, и малую входную емкость, не более 40pF, что позволяет вносить минимальные искажения в измеряемый сигнал. Эти параметры часто указываются рядом с входом канала вертикального отклонения.

Рисунок 2. Осциллограф С1-101

Высокое входное сопротивление свойственно вольтметрам, поэтому можно с уверенностью сказать, что осциллограф измеряет напряжение. Применение внешних входных делителей позволяет снизить входную емкость и увеличить входное сопротивление. Это также снижает влияние осциллографа на исследуемый сигнал.

Полоса пропускания канала Y

Осциллограф измеряет напряжения в очень широких пределах: от напряжений постоянного тока, до напряжений достаточно высокой частоты. Размах напряжения может быть достаточно разнообразным, - от десятков милливольт до десятков вольт, а при использовании внешних делителей вплоть до нескольких сотен вольт.

При этом следует иметь в виду, что полоса пропускания канала вертикального отклонения Y д.б. не менее, чем в 5 раз выше частоты сигнала, который будет измеряться. То есть усилитель вертикального отклонения должен пропускать не ниже пятой гармоники исследуемого сигнала. Особенно это требуется при исследовании прямоугольных импульсов, которые содержат множество гармоник, как показано на рисунке 3. Только в этом случае на экране получается изображение с минимальными искажениями.

Рисунок 3. Синтез прямоугольного сигнала из гармонических составляющих

Кроме основной частоты на рисунке 3 показаны третья и седьмая гармоники. С увеличением номера гармоники возрастает ее частота: частота третьей гармоники в три раза выше основной, пятой гармоники в пять раз, седьмой в семь и т.д. Соответственно амплитуда высших гармоник падает: чем выше номер гармоники, тем ниже ее амплитуда. Только если усилитель вертикального канала без особого ослабления сможет пропустить высшие гармоники, изображение импульса получится прямоугольным.

На рисунке 4 показана осциллограмма меандра при недостаточной полосе пропускания канала Y.

Рисунок 4.

Примерно так выглядит меандр частотой 500 КГц на экране осциллографа ОМШ-3М с полосой пропускания 0…25 КГц. Как будто прямоугольные импульсы пропущены через интегрирующую RC цепочку. Такой осциллограф выпускался советской промышленностью для лабораторных работ на уроках физики в школах. Даже напряжение питания этого прибора в целях безопасности было не 220, а всего 42В. Совершенно очевидно, что осциллограф с такой полосой пропускания позволит почти без искажений наблюдать сигнал с частотами не более 5КГц.

У обычного универсального осциллографа полоса пропускания чаще всего составляет 5 МГц. Даже при такой полосе можно увидеть сигнал до 10 МГц и выше, но полученное на экране изображение позволяет судить лишь о наличии или отсутствии этого сигнала. О его форме что-либо сказать будет затруднительно, но в некоторых ситуациях форма не столь уж и важна: например есть генератор синусоиды, и достаточно просто убедиться, есть эта синусоида или ее нет. Как раз такая ситуация показана на рисунке 4.

Современные вычислительные системы и линии связи работают на очень высоких частотах, порядка сотен мегагерц. Чтобы увидеть столь высокочастотные сигналы полоса пропускания осциллографа должна быть не менее 500 МГц. Такая широкая полоса очень «расширяет» цену осциллографа.

В качестве примера можно привести цифровой осциллограф U1610A показанный не рисунке 5. Его полоса пропускания 100МГц, при этом цена составляет почти 200 000 рублей. Согласитесь, не каждый может позволить себе купить столь дорогой прибор.

Рисунок 5.

Пусть читатель не сочтет этот рисунок за рекламу, поскольку все координаты продавца не закрашены: на месте этого рисунка мог оказаться любой подобный скриншот.

Виды исследуемых сигналов и их параметры

Наиболее распространенным видом колебаний в природе и технике является синусоида. Это та самая многострадальная функция Y=sinX, которую проходили в школе на уроках тригонометрии. Достаточно много электрических и механических процессов имеют синусоидальную форму, хотя достаточно часто в электронной технике применяются и другие формы сигналов. Некоторые из них показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Формы электрических колебаний

Периодические сигналы. Характеристики сигналов

Универсальный электронный осциллограф позволяет достаточно точно исследовать периодические сигналы. Если же на вход Y подать реальный звуковой сигнал, например, музыкальную фонограмму, то на экране будут видны хаотично мелькающие всплески. Естественно, что детально исследовать такой сигнал невозможно. В этом случае поможет применение цифрового запоминающего осциллографа, который позволяет сохранить осциллограмму.

Колебания, показанные на рисунке 6, являются периодическими, повторяются, через определенный период времени T. Подробнее это можно рассмотреть на рисунке 7.

Рисунок 7. Периодические колебания

Колебания изображены в двухмерной системе координат: по оси ординат отсчитывается напряжение, а по оси абсцисс время. Напряжение измеряется в вольтах, время в секундах. Для электрических колебаний время чаще измеряется в миллисекундах или микросекундах.

Кроме компонентов X и Y осциллограмма содержит еще компонент Z - интенсивность, или попросту (рисунок 8). Именно она включает луч на время прямого хода луча и гасит на время обратного хода. Некоторые осциллографы имеют вход для управления яркостью, который так и называется вход Z. Если на этот вход подать импульсное напряжение от образцового генератора, то на экране можно увидеть частотные метки. Это позволяет точнее отсчитывать длительность сигнала по оси X.

Рисунок 8. Три компонента исследуемого сигнала

Современные осциллографы имеют, как правило, калиброванные по времени развертки, позволяющие точно отсчитывать время. Поэтому пользоваться внешним генератором для создания меток практически не приходится.

В верхней части рисунка 7 располагается синусоида. Нетрудно видеть, что начинается она в начале координатной системы. За время T (период) выполняется одно полное колебание. Далее все повторяется, идет следующий период. Такие сигналы называются периодическими.

Ниже синусоиды показаны прямоугольные сигналы: меандр и прямоугольный импульс. Они также периодические с периодом T. Длительность импульса обозначена как τ (тау). В случае меандра длительность импульса τ равна длительности паузы между импульсами, как раз половина периода T. Поэтому меандр является частным случаем прямоугольного сигнала.

Скважность и коэффициент заполнения

Для характеристики прямоугольных импульсов используется параметр, называемый скважностью. Это есть отношение периода следования импульсов T к длительности импульса τ. Для меандра скважность равна двум, - величина безразмерная: S= T/τ.

В англоязычной терминологии как раз все наоборот. Там импульсы характеризуются коэффициентом заполнения, соотношением длительности импульса к периоду следования Duty cycle: D=τ/T. Коэффициент заполнения выражается в %%. Таким образом, для меандра D=50%. Получается, что D=1/S, коэффициент заполнения и скважность величины взаимно обратные, хотя характеризуют собой один и тот же параметр импульса. Осциллограмма меандра показана на рисунке 9.

Рисунок 9. Осциллограмма меандра D=50%

Здесь вход осциллографа подключен к выходу функционального генератора, показанного тут же в нижнем углу рисунка. И вот тут внимательный читатель может задать вопрос: «Амплитуда выходного сигнала с генератора 1В, чувствительность входа осциллографа 1В/дел., а на экране прямоугольные импульсы с размахом 2В. Почему?»

Дело в том, что функциональный генератор выдает двухполярные прямоугольные импульсы относительно уровня 0В, примерно так же, как синусоида, с положительной и отрицательной амплитудой. Поэтому на экране осциллографа наблюдаются импульсы с размахом ±1В. На следующем рисунке изменим коэффициент заполнения Duty cycle, например, до 10%.

Рисунок 10. Прямоугольный импульс D=10%

Нетрудно видеть, что период следования импульсов составляет 10 клеток, в то время, как длительность импульса всего одна клетка. Поэтому D=1/10=0,1 или 10 %, что видно по настройкам генератора. Если воспользоваться формулой для подсчета скважности, то получится S = T / τ = 10 / 1 = 1 - величина безразмерная. Вот здесь можно сделать вывод, что Duty cycle намного наглядней характеризует импульс, чем скважность.

Собственно сам сигнал остался такой же, как на рисунке 9: прямоугольный импульс амплитудой 1В и частотой 100Гц. Изменяется только коэффициент заполнения или скважность, уж это как кому привычней и удобней. Но для удобства наблюдения на рисунке 10 длительность развертки снижена в два раза по сравнению с рисунком 9 и составляет 1мс/дел. Поэтому период сигнала занимает на экране 10 клеток, что позволяет достаточно легко убедиться, что Duty cycle составляет 10%. При пользовании реальным осциллографом длительность развертки выбирается примерно также.

Измерение напряжения прямоугольного импульса

Как было сказано в начале статьи, осциллограф измеряет напряжение, т.е. разность потенциалов между двумя точками. Обычно измерения проводятся относительно общего провода, земли (ноль вольт), хотя это необязательно. В принципе возможно измерение от минимального до максимального значения сигнала (пиковое значение, размах). В любом случае действия по измерению достаточно просты.

Прямоугольные импульсы чаще всего бывают однополярными, что характерно для цифровой техники. Как измерить напряжение прямоугольного импульса, показано на рисунке 11.

Рисунок 11. Измерение амплитуды прямоугольного импульса

Если чувствительность канала вертикального отклонения выбрана 1В/дел, то получается, что на рисунке показан импульс с напряжением 5,5В. При чувствительности 0,1В/дел. Напряжение будет всего 0,5В, хотя на экране оба импульса выглядят совершенно одинаково.

Что еще можно увидеть в прямоугольном импульсе

Прямоугольные импульсы, показанные на рисунках 9, 10 просто идеальные, поскольку синтезированы программой Electronics WorkBench. Да и частота импульсов всего 100Гц, поэтому проблем с «прямоугольностью» изображения возникнуть не может. В реальном устройстве при высокой частоте следования импульсы несколько искажаются, прежде всего, появляются различные выбросы и всплески, обусловленные индуктивностью монтажа, как показано на рисунке 12.

Рисунок 12. Реальный прямоугольный импульс

Если не обращать внимания на подобные «мелочи», то прямоугольный импульс выглядит так, как показано на рисунке 13.

Рисунок 13. Параметры прямоугольного импульса

На рисунке показано, что передний и задний фронты импульса возникают не сразу, а имеют какое-то время нарастания и спада, несколько наклонены относительно вертикальной линии. Этот наклон обусловлен частотными свойствами микросхем и транзисторов: чем более высокочастотный транзистор, тем менее «завалены» фронты импульсов. Поэтому длительность импульса определяется по уровню 50% от полного размаха.

По этой же причине амплитуда импульса определяется по уровню 10…90%. Длительность импульса, так же, как и напряжение, определяется умножением числа делений горизонтальной шкалы на значение деления, как показано на рисунке 14.

Рисунок 14.

На рисунке показан один период прямоугольного импульса, несколько отличного от меандра: длительность положительного импульса составляет 3,5 деления горизонтальной шкалы, а длительность паузы 3,8 деления. Период следования импульса составляет 7,3 деления. Такая картинка может принадлежать нескольким разным импульсам с различной частотой. Все будет зависеть от длительности развертки.

Предположим, что длительность развертки 1мс/дел. Тогда период следования импульса 7,3*1=7,3мс, что соответствует частоте F=1/T=1/7.3= 0,1428КГц или 143ГЦ. Если длительность развертки будет 1мкс/дел, то частота получится в тысячу раз выше, а именно 143КГЦ.

Пользуясь данными рисунка 14 нетрудно подсчитать скважность импульса: S=T/τ=7,3/3,5=2,0857, получается почти, как у меандра. Коэффициент заполнения Duty cycle D=τ/T=3,5/7,3=0,479 или 47.9%. При этом следует обратить внимание, что эти параметры ни в коем случае не зависят от частоты: скважность и коэффициент заполнения были подсчитаны просто по делениям на осциллограмме.

С прямоугольными импульсами все вроде бы понятно и просто. Но мы совсем забыли о синусоиде. В сущности, там то - же самое: можно измерить напряжения и временные параметры. Один период синусоиды показан на рисунке 15.

Рисунок 15. Параметры синусоиды

Очевидно, что для показанной на рисунке синусоиды чувствительность канала вертикального отклонения составляет 0,5В/дел. Остальные параметры нетрудно определить умножив число делений на 0,5В/дел.

Синусоида может быть и другой, которую придется измерять при чувствительности, например, 5В/дел. Тогда вместо 1В получится 10В. Однако, на экране изображение обеих синусоид выглядит абсолютно одинаково.

Временные параметры показанной синусоиды неизвестны. Если предположить, что длительность развертки 5мс/дел., период составит 20мс, что соответствует частоте 50ГЦ. Цифры в градусах на оси времени показывают фазу синусоиды, хотя для одиночной синусоиды это не особо важно. Чаще приходится определять сдвиг по фазе (непосредственно в миллисекундах или микросекундах) хотя бы между двумя сигналами. Лучше всего это делать с помощью двухлучевого осциллографа. Как это делается, будет показано чуть ниже.

Как осциллографом измерить ток

В некоторых случаях требуется измерение величины и формы тока. Например, переменный ток, протекающий через конденсатор, опережает напряжение на ¼ периода. Тогда в разрыв цепи включают резистор с небольшим сопротивлением (десятые доли Ома). На работу схемы такое сопротивление не влияет. Падение напряжения на этом резисторе покажет форму и величину тока, протекающего через конденсатор.

Примерно так же устроен обычный стрелочный амперметр, который включатся в разрыв электрической цепи. При этом измерительный резистор находится внутри самого амперметра.

Схема для измерения тока через конденсатор показана на рисунке 16.

Рисунок 16. Измерение тока через конденсатор

Синусоидальное напряжение частотой 50 Гц амплитудой 220 В с генератора XFG1 (красный луч на экране осциллографа) подается на последовательную цепь из конденсатора C1 и измерительного резистора R1. Падение напряжения на этом резисторе покажет форму, фазу и величину тока через конденсатор (синий луч). Как это будет выглядеть на экране осциллографа, показано на рисунке 17.

Рисунок 17. Ток через конденсатор опережает напряжение на ¼ периода

При частоте синусоиды 50 Гц и развертке 5 ms/Div один период синусоиды занимает 4 деления по оси X, что очень удобно для наблюдения. Нетрудно видеть, что синий луч опережает красный ровно на 1 деление по оси X, что соответствует ¼ периода. Другими словами ток через конденсатор опережает по фазе напряжение, что полностью соответствует теории.

Чтобы рассчитать ток через конденсатор достаточно воспользоваться законом Ома: I = U/R. При сопротивлении измерительного резистора 0,1Ом падение напряжения на нем 7мВ. Это амплитудное значение. Тогда максимальный ток через конденсатор составит 7/0,1=70мА.

Измерение формы тока через конденсатор не является какой-то очень актуальной задачей, тут все ясно и без измерений. Вместо конденсатора может быть любая нагрузка: , обмотка электродвигателя, транзисторный усилительный каскад и многое другое. Важно, что именно таким методом можно исследовать ток, который в некоторых случаях значительно отличается по форме от напряжения.

В статье будет подробно рассказано о том, как пользоваться осциллографом, что это такое и для каких целей он необходим. Никакая лаборатория не может просуществовать без измерительной аппаратуры или источников сигналов, напряжений и токов. А если вы планируете заниматься проектированием и созданием различных устройств (особенно если речь идет о высокочастотной технике, например, инверторных блоках питания), то без осциллографа сделать что-либо окажется проблематично.

Что такое осциллограф

Это такой прибор, который позволяет «увидеть» напряжение, а если точнее, то его форму в течение определенного промежутка времени. С его помощью можно измерить немало параметров - напряжение, частоту, силу тока, углы сдвигов фаз. Но чем хорош особенно этот прибор, так это тем, что он позволяет визуально оценить форму сигнала. Ведь в большинстве случаев именно она говорит о том, что конкретно происходит в цепи, в которой проводится измерение.

В некоторых случаях, например, напряжение может содержать не только постоянную, но и переменную составляющую. И форма второй может быть далека от идеальной синусоиды. Такой сигнал вольтметры, например, воспринимают с большими погрешностями. Стрелочные приборы будут выдавать одно значение, цифровые - намного меньшее, а вольтметры постоянного тока в - несколько раз больше. Самое точное измерение получается провести именно при помощи описываемого в статье прибора. И не имеет значения, применяется ли осциллограф Н3013 (как пользоваться, рассмотрено ниже) либо иной модели. Измерения происходят одинаково.

Особенности прибора

Реализовать это довольно просто - необходимо ко входу усилителя подключить конденсатор. В данном случае вход закрыт. Обратите внимание на то, что в этом режиме измерения НЧ-сигналы с частотой менее 5 Гц ослабевают. Следовательно, измерять их можно лишь в режиме открытого входа.

Когда переключатель установлен в среднее положение, то от разъема входа отключается усилитель, и происходит замыкание на корпус. Благодаря этому имеется возможность установить развертку. Так как пользоваться осциллографом С1-49 и аналогами без знания основных органов управления невозможно, стоит о них более подробно поговорить.

Вход канала осциллографа

На передней панели имеется масштаб в вертикальной плоскости - он определяется при помощи регулятора чувствительности того канала, по которому происходит измерение. Существует возможность сменить масштаб не плавно, а ступенчато, при помощи переключателя. Какие задать значения можно с его помощью, смотрите на корпусе рядом с ним. На одной оси с этим переключателем находится регулятор для плавной корректировки (вот как пользоваться осциллографом С1-73 и аналогичными моделями).

На передней панели можно найти ручку с изображением двунаправленной стрелки. Если вращать ее, то график этого канала начнет перемещаться в вертикальной плоскости (вниз-вверх). Обратите внимание на то, что возле этой ручки имеется графическое обозначение, которое показывает, в какую сторону необходимо ее вращать, чтобы изменить значение множителя в меньшую или большую сторону. обоих каналов одинаковые. Кроме того, на передней панели имеются ручки регулировки контрастности, яркости, синхронизации. Стоит отметить, что цифровой карманный осциллограф (как пользоваться девайсом, мы рассматриваем) также имеет ряд настроек отображения графиков.

Как проводятся измерения

Продолжаем описывать, как пользоваться цифровым осциллографом или аналоговым. Важно отметить, что у них у всех есть недостаток. Стоит упомянуть одну особенность - все измерения осуществляются визуально, поэтому имеется риск того, что погрешность окажется высокой. Также следует учитывать тот факт, что напряжения развертки обладают крайне малой линейностью, что приводит к сдвига фаз или частоты примерно на 5%. Чтобы минимизировать эти погрешности, требуется выполнить одно простое условие - график должен занимать примерно 90% площади экрана. Когда проводятся измерения частоты и напряжения (имеется временной интервал), следует регуляторы корректировки усиления сигнала на входе и скорости развертки выставить в крайние правые положения. Стоит заметить одну особенность: так как пользоваться цифровым осциллографом может даже новичок, приборы с электронно-лучевой трубкой потеряли актуальность.

Как измерить напряжение

Чтобы провести измерение напряжения, необходимо использовать значения масштаба в вертикальной плоскости. Для начала нужно выполнить одно из этих действий:

1. Соединить обе входные клеммы осциллографа между собой.
2. Перевести переключатель режимов входа в положение, которое соответствует соединению с общим проводом. Затем регулятором, возле которого изображена двунаправленная стрелка, добиться того, чтобы линия развертки совпала с центральной (горизонтальной) чертой на экране.

Переводите прибор в режим измерений и подаете на вход сигнал, который необходимо исследовать. При этом в какое-либо рабочее положение устанавливается переключатель режимов. А вот как пользоваться портативным цифровым осциллографом? Немного сложнее - у таких приборов намного больше регулировок.

В результате можно видеть на экране некоторый график. Для точного измерения высоты следует использовать ручку с изображением горизонтальной двунаправленной стрелки. Добиваетесь того, чтобы верхняя точка графика попадала на расположенную в центре. На ней имеется градуировка, поэтому будет намного проще произвести расчет действующего напряжения в цепи.

Как измерить частоту

При помощи осциллографа можно провести измерения временных интервалов, в частности, периода сигнала. Вы понимаете, что частота любого сигнала всегда пропорциональна периоду. Измерение периода можно провести в любой области осциллограммы. Но удобнее и точнее провести замер в тех точках, в которых график пересекается с горизонтальной осью. Следовательно, перед началом измерений обязательно установите развертку четко на горизонтальную линию, расположенную по центру. Так как пользоваться портативным цифровым осциллографом намного проще, нежели аналоговым, последние давно канули в лету и редко используются для измерений.

Далее, используя рукоятку, обозначенную горизонтальной двунаправленной стрелкой, необходимо сместить начало периода с крайней левой линией на экране. После вычисления периода сигнала можно, используя простую формулу, рассчитать частоту. Для этого нужно единицу разделить на вычисленный ранее период. Точность измерений бывает различной. Чтобы увеличить ее, необходимо как можно сильнее растягивать график по горизонтали.

Обратите внимание на одну закономерность: при увеличении периода уменьшается частота (пропорция ведь обратная). И наоборот - при уменьшении периода происходит увеличение частоты. Низкое значение погрешности - это когда она составляет менее 1 процента. Но такую высокую точность не каждый осциллограф способен обеспечить. Только на цифровых, в которых линейная развертка, можно получить такие точные измерения.

Как определяется сдвиг фаз

А теперь о том, как пользоваться осциллографом С1-112А для измерения сдвига фаз. Но для начала - определение. Сдвиг фаз - это характеристика, показывающая, как располагаются относительно друг друга два процесса (колебательных) в течение некоторого времени. Причем измерение происходит не в секундах, а в частях периода. Другими словами, единица измерения - это единицы угла. Если сигналы будут одинаково располагаться взаимно, то у них сдвиг фаз будет также одинаков. Причем это не зависит от частоты и периода - реальный масштаб графиков на горизонтальной (временной) оси может быть любым.

Максимальная точность измерения будет в том случае, если растянуть график на всю длину экрана. В аналоговых осциллографах график сигнала для каждого канала будет иметь одну яркость и цвет. Чтобы отличить эти графики друг от друга, необходимо сделать для каждого свою амплитуду. И напряжение, которое подается на первый канал, важно делать максимально большим. При этом получится намного лучше удерживать синхронизацией изображение на экране. Вот как пользоваться осциллографом С1-112А. Другие приборы отличаются в эксплуатации незначительно.