Как пользоваться осциллографом, принцип работы, единицы измерения и типы

Что такое осциллограф

Осциллограф (O-Scope, Oscilloscope) регистрирует изменения (амплитуды, колебания) напряжения сигналов электрической цепи с выводом в виде синусоид, пилообразной и других линий на координатной сетке на мониторе. Блок используется для изучения динамики системы во время работы. Типичный пример: проверка импульса, генераторных установок (блоков питания). Осциллограф покажет форму напряжения, электрических сигналов во времени, уровень колебаний, изменения при определенных условиях и факторах (пробой, температура, магнитные поля, помехи, экранирование).

Назначение

O-Scope измеряет такие величины и решает следующие задачи:

• мишени для испытаний электрических цепей, агрегатов, изделий при выпуске, ремонте, в научно-исследовательских учреждениях;
• всегда используется при проверке единиц измерения;
• электро-, теле- и радиосфера: свойства сигналов, уровень шума, искажения;
• для узкоспециализированных аппаратных средств, для анализа автоматизированных систем управления, исполнительных устройств;
• измерения частот и амплитуд при устранении неисправностей;
• визуальный контроль сигналов, фазовый сдвиг;
• анализ работы датчиков автомобиля.

Кратко отображая свои функции, прибор позволяет наблюдать за изменением напряжения:

• во времени: частота, интервалы, скважность, циклы, скачки, спады, всплески;
• в физике: флуктуации, амплитуды, max/min среднеквадратичные значения.

Осциллограф — это «глаза», позволяющие заглянуть в схему во время ее работы. Помимо простого измерения электрического сигнала современные изделия могут выполнять математические преобразования в режиме реального времени (Фурье и др.).

Где применяется

Приложения:

• всегда в научных, технических лабораториях, исследовательских отделах заводов, производящих электроприборы, например, производитель должен знать, как его продукция реагирует на помехи;
• при углубленном разборе узлов, при наладке, ремонте электротехнических устройств: от радио и мобильной связи до схем двигателей машин. Для радиолюбителей прибор незаменим.

Прибор предоставляет визуальную информацию о характеристиках сложных сигналов, показывает временные и амплитудные данные изменений, что важно для расчетов и для определения того, как будет вести себя исследуемый объект во времени в конкретных условиях.

Что может измерить осциллограф

Осциллограф может измерять:

• покажет с сигналами:
  • форма;
  • частота;
  • период;
  • амплитуда;
  • угол фазового сдвига;
  • сравнение сигналов;
• АЧХ (ампл.-частота х-ку);
• по закону Ома по показаниям прибора рассчитывается ток (при этом резисторами он преобразуется в напряжение).

O-Scope на самом деле является вольтметром, но показывает изменения напряжения в режиме онлайн, может указывать форму тока, подключая резистор последовательно с управляемой сетью (Rt, «t» — ток, он же шунт). Число Ом выбирается намного меньше числа цепи, чтобы не было влияния на цепь. Кроме того, они рассчитываются по формуле, и, зная значение Rt, можно найти ток.

Принцип действия осциллографа

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

• вертикальный – показывает исследуемое напряжение;
• горизонтальный — показывает прошедшее время.

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

Горизонтальные пластины также подвергаются воздействию электрического тока, который отклоняет индикатор напряжения луча. Положительный заряд вверх, отрицательный заряд вниз. Затем на экран прибора выводится линейный двумерный график, который называется осциллограммой.

Расстояние, на которое луч перемещается от левого края экрана к правому, называется разверткой. Горизонтальная линия отвечает за время измерения. В дополнение к стандартной двухмерной линейной диаграмме существуют также круговые и спиральные развертки. Однако их использование не так практично, как классические осциллограммы.

Читайте также: Дроссели

Осциллограф и импульсные блоки питания

Виды

Цифровые модели имеют функцию записи и архивирования, что расширяет возможности. Для сравнения результатов онлайн используются многоканальные устройства. Есть экземпляры, подключаемые к ПК и комбинации с другими измерительными приборами.

Выбор аналоговых моделей (кроме простых и обучающих) предполагает наличие знаний в ряде настроек, усложняется настройка. С другой стороны, такие устройства обеспечивают основательную физическую нагрузку.

Цифровые модели являются рекомендуемым выбором, и вы можете быстро изучить основы на таком устройстве. Это компьютерные системы, с которыми сбор данных, их интерпретация проще и намного быстрее. Есть и аналого-цифровые модели.

Устройство и основные технические параметры

Каждое устройство имеет ряд следующих технических характеристик:

1. Коэффициент возможной погрешности при измерении напряжения (для большинства приборов это значение не превышает 3%).
2. Значение единицы базовой линии — чем больше это свойство, тем больше период времени наблюдения.
3. Характеристики синхронизации, к которым относятся: частотный диапазон, максимальные уровни и нестабильность системы.
4. Параметры вертикального отклонения сигнала от входной емкости оборудования.
5. Значения отклика на шаг, показывающие время нарастания и выброс.

Кроме основных значений, перечисленных выше, осциллографы имеют дополнительные параметры, в виде амплитудно-частотной характеристики, демонстрирующей зависимость амплитуды от частоты сигнала.

Цифровые осциллографы также имеют много встроенной памяти. Этот параметр отвечает за объем информации, которую может записать устройство.

Режим входа

При анализе сигналов с большой постоянной составляющей ее удобно не учитывать при отображении значений на экране: итоговая амплитуда может просто выйти за пределы шкалы. Для перехвата используется режим с закрытым входом. Если нужно учитывать низкие частоты и постоянную, работа ведется в режиме открытого ввода.

Устройство

Основным узлом осциллографа является трубка, как в старых телевизорах, электронно-лучевая, визуализирующая значения, принимаемые входным делителем, от которых зависят пределы допустимых измерений. Есть усиление, синхронизация с генератором развертки. Далее исследуемая величина поступает на конечный усилительный узел, на ЭЛТ, где без задержки отображается в режиме онлайн.

Алгоритм работы цифрового осциллографа несколько иной: он сначала пропускает сигнал через преобразователь (аналогово-цифровой), и измеряет его несколько раз в секунду. Затем идет реконструкция и отображение на экране. При этом данные записываются в буферную память, есть возможность дальнейшей обработки.

С цифровым осциллографом работать удобнее, преимущества — полный функционал с дополнительными опциями в маленьком корпусе, простые настройки. Выбор осциллографа в современных условиях обычно осуществляется среди указанных типов. Отдельные аналоги старых добротных советских копий (в 4-5 раз дешевле) неплохие, но габаритные, требуют больше навыков настройки.

Назначение, устройство и описание осциллографа

Если вы спросите профессионального наладчика электроники или радиоинженера: «Какое оборудование является самым важным на вашем рабочем месте?» Ответ будет однозначным: «Конечно, осциллограф!». И это действительно так.

Конечно, без мультиметра не обойтись. Измерить напряжение в контрольных точках схемы, измерить сопротивление и ток, «прозвонить» диод или проверить транзистор, все это важно и нужно.

Но когда дело доходит до регулировки и настройки любого электронного устройства от простого телевизора до многоканального передатчика орбитальной станции, без осциллографа не обойтись.

Осциллограф предназначен для визуального наблюдения и контроля периодических сигналов любой формы: синусоидальной, прямоугольной и треугольной. Благодаря широкой области развертки он позволяет распределять импульс таким образом, что можно контролировать даже наносекундные интервалы. Например, для измерения времени нарастания импульса, а в цифровой технике это очень важный параметр.

Осциллограф — это тип телевизора, который отображает электрические сигналы.

Как работает осциллограф?

Чтобы понять, как работает осциллограф, рассмотрим блок-схему среднего прибора. Почти все осциллографы устроены таким образом.

На схеме показаны не только два источника питания: источник высокого напряжения, который используется для формирования высокого напряжения, подаваемого на ЭЛТ (электронно-лучевую трубку), и источник низкого напряжения, обеспечивающий работу всех компонентов устройства. И нет встроенного калибратора, который служит для настройки осциллографа и подготовки его к работе.

Исследуемый сигнал поступает на вход «Y» канала вертикального отклонения и поступает на аттенюатор, представляющий собой многопозиционный переключатель, регулирующий чувствительность. Шкала градуирована в В/см или В/дел. Это относится к части координатной сетки, напечатанной на экране ЭЛТ. Там же отмечены и сами значения: 0,1 В, 10 В, 100 В. Если амплитуда исследуемого сигнала неизвестна, устанавливаем минимальную чувствительность, например, 100 вольт на деление. Тогда даже сигнал амплитудой в 300 вольт не выведет из строя устройство.

В комплект любого осциллографа входят делители 1:10 и 1:100; они представляют собой цилиндрические или прямоугольные насадки с муфтами с обеих сторон. Они выполняют те же функции, что и демпфер. Кроме того, при работе с короткими импульсами они компенсируют емкость коаксиального кабеля. Вот так выглядит внешняя перегородка от осциллографа С1-94. Как видите, коэффициент разделения составляет 1:10.

Благодаря внешнему делителю можно расширить функции прибора, так как при его использовании становится возможным изучение электрических сигналов с амплитудой в сотни вольт.

С выхода входного делителя сигнал поступает на предварительный усилитель. Здесь он разветвляется и входит в линию задержки и переключатель синхронизации. Линия задержки предназначена для компенсации времени отклика генератора развертки с приходом исследуемого сигнала на усилитель вертикального отклонения. Оконечный усилитель формирует напряжение, подаваемое на Y-образные пластины, и обеспечивает отклонение луча по вертикали.

Генератор развертки генерирует пилообразное напряжение, которое подается на усилитель горизонтального отклонения и пластины «X» ЭЛТ и вызывает горизонтальное отклонение луча. Он имеет переключатель, градуированный по времени на деление («Время / деление»), и шкалу времени развертки в секундах (с), миллисекундах (мс) и микросекундах (мкс).

Блок синхронизации обеспечивает запуск генератора развертки одновременно с поступлением сигнала в начальную точку на экране. В результате на экране осциллографа мы видим развернутое во времени изображение импульса. Таймер имеет следующие положения:

Синхронизация по исследуемому сигналу.

Синхронизация из сети.

Синхронизация с внешнего источника.

Первый вариант самый практичный и используется чаще всего.

Осциллограф С1-94.

Помимо сложных и дорогих моделей осциллографов, используемых при разработке электронной техники, наша промышленность наладила выпуск малогабаритного осциллографа С1-94 специально для радиолюбителей. Несмотря на невысокую стоимость, он отлично зарекомендовал себя в эксплуатации и обладает всеми функциями дорогого и серьезного устройства.

В отличие от своих более «навороченных» собратьев, осциллограф С1-94 имеет достаточно небольшие габариты, а также удобен в использовании. Рассмотрим элементы управления. Вот передняя панель осциллографа С1-94.

В правой части экрана сверху вниз.

С помощью этих ручек можно настроить фокус луча на экране, а также яркость. Для продления срока службы ЭЛТ желательно выставить яркость на минимум, но так, чтобы показания были хорошо видны.

Кнопка сети. Кнопка включения устройства.

Кнопка установки времени развертки. Грубое переключение коэффициентов развертки. Вы можете установить миллисекунды (мс) и микросекунды (мкс). Помните, что 1 мс = 1000 мкс. Узнайте больше о сокращенной записи числовых значений.

Кнопка режима «Ожидание-Авто».

Это кнопка для выбора режима ожидания и автоматического прокрутки. При работе в режиме ожидания развертка запускается и синхронизируется тестируемым сигналом. В автоматическом режиме развертка начинается без сигнала. Для изучения сигнала чаще используется дежурный режим для запуска развертки.

Эта кнопка выбирает полярность триггерного импульса. Вы можете выбрать запуск по импульсу положительной или отрицательной полярности.

Кнопка настройки синхронизации «Внутренняя-Внешняя».

Обычно используются внутренние часы, поскольку для использования внешнего тактового сигнала требуется отдельный источник этого внешнего сигнала. Понятно, что в условиях домашней мастерской это в подавляющем случае не нужно. Внешний тактовый вход на передней панели осциллографа выглядит так.

Кнопка для выбора входов «Открыть» и «Закрыть.

Здесь все готово. Если предполагается исследовать сигнал с постоянной составляющей, выберите «Переменная и постоянная». Этот режим называется «Открытый», так как в канал вертикального отклонения подается сигнал, содержащий постоянную составляющую или низкие частоты в спектре.

При этом следует учитывать, что при отображении сигнала на экране он будет идти вверх, так как к амплитуде переменной будет добавляться уровень постоянной составляющей. В большинстве случаев лучше выбрать «закрытый» вход При этом постоянная составляющая электрического сигнала будет обрезаться и не отображаться на экране.

Клемма «Case» используется для заземления корпуса прибора. Это сделано из соображений безопасности. В домашней мастерской иногда нет возможности заземлить корпус прибора. Поэтому необходимо работать без заземления. Важно помнить, что во включенном состоянии на корпусе осциллографа может быть потенциал напряжения. При прикосновении к корпусу он может «тянуть».

Особенно опасно прикасаться одной рукой к корпусу осциллографа, а другой рукой к радиаторам или другим работающим электрическим устройствам. В этом случае опасный потенциал от корпуса пройдет через ваше тело («рука» — «рука») и вы получите удар током! Поэтому при использовании осциллографа без заземления желательно не прикасаться к металлическим частям корпуса. Это правило распространяется и на другие электроприборы с металлическим корпусом.

В центре передней панели находится переключатель «развертки» — Время/дел. Именно этот переключатель управляет работой генератора развертки.

Чуть ниже находится переключатель входного делителя (аттенюатора) — V/div. Как уже было сказано, при исследовании сигнала с неизвестной амплитудой необходимо установить максимально возможное значение В/дел. Так для осциллографа С1-94 нужно установить переключатель в положение 5 (5В/дел.). При этом ячейка на сетке экрана будет равна 5 вольтам. Если к входу «Y» осциллографа подключить делитель с коэффициентом деления 1 к 10 (1:10), то одна ячейка будет равна 50 вольтам (5В/дел * 10 = 50В/дел.).

Также на панели осциллографа находятся:

Кнопка перемещения горизонтального луча».

Он служит для корректировки положения луча в горизонтальном направлении. При повороте этой ручки сканируемое изображение будет перемещаться вправо или влево.

Также есть кнопка «Переместить луч вертикально».

С его помощью можно настроить положение развертки на экране по вертикали.

Кнопки «Перемещение луча по горизонтали» и «Перемещение луча по вертикали» служат исключительно для настройки удобного отображения формы сигнала на экране. На работу самого осциллографа они никак не влияют.

А вот кнопка «Sync Level» нужна для «остановки» осциллограммы сигнала на экране.

Поворачивая эту ручку, вы добиваетесь того, чтобы изображение сигнала «застыло» и не «убежало». Иногда, чтобы сделать снимок с помощью кнопки уровня, необходимо изменить время развертки с помощью переключателя время/деление.

Входной разъем «Y», к которому подключается измерительный щуп или внешняя деталь, выглядит так.

Внизу указаны входные параметры, а именно входное сопротивление (1 МОм) и входная емкость (40пФ). Чем выше входное сопротивление измерителя, тем лучше. При измерении прибор не шунтирует элементы проверяемой цепи и не вносит искажений в измеряемый сигнал. Входная емкость в первую очередь влияет на возможность исследования высокочастотных сигналов.

В настоящее время с развитием цифровой техники широко внедряются цифровые осциллографы. По сути, это гибрид аналоговой и цифровой техники. Отношение к ним неоднозначное, как к мясорубке с процессором или к кофемолке с дисплеем.

Аналоговая техника всегда была надежной и простой в использовании. Кроме того, его было легко ремонтировать. Цифровой осциллограф намного дороже и его очень сложно ремонтировать. Конечно, есть много преимуществ. Если аналоговый сигнал преобразовать в цифровую форму с помощью АЦП (аналогово-цифрового преобразователя), с ним можно делать что угодно. Его можно сохранить в памяти и отобразить в любой момент для сравнения с другим сигналом, сложенным в фазе и в противофазе с другими сигналами. Конечно, аналоговая техника — это хорошо, но будущее за цифровой электроникой.

Как функционирует осциллограф

Если вы смотрите на быстро движущиеся объекты, вы увидите размытую линию. А вот если периодически открывать «окно», будут выдираться статичные кадры. Это принцип стробоскопа, тот же, но в электронном виде работает осциллограф.

Действие «окна» синхронизировано (главное условие) со скоростью движения объектов (сигнал), и поэтому их пространство устойчиво при его открытии. В противном случае произойдет рассинхронизация.

Прибор визуализирует периодические изменения в режиме реального времени на табло в виде синусоиды или линии различной формы (пила, меандр и т.п.). Каждый будущий отрезок подобен предыдущему, он «останавливается» и появляется (на 1 момент — 1 период).

На что обратить внимание в Oscilloscope, ориентиры для выбора

Рассмотрим основные характеристики O-Scope, которые также послужат ориентиром при выборе осциллографа, его надежной модели.

Способы проверки осциллографом:

• встроенный генератор (Калибровка), он есть у всех цифровых моделей. Включите режим и посмотрите, есть ли синусоида. Если магазин специализированный, должен быть внешний генератор для тестирования;
• старые осциллографы со временем начинают шататься, есть простой способ их проверить: взять эталонный источник, например, ту же батарейку на 1,5 В;
• экран должен иметь достаточную яркость, луч без артефактов;
• прикоснуться к щупу: фаза покажет синусоиду (хоть и с большим шумом), земля покажет прямую;
• через ПК, специальное программное обеспечение.

Полоса пропускания

Это минимальная и максимальная частоты, амплитуда, то есть диапазон, который может измерить прибор. Достаточно обратить внимание на верхнюю линию; дно рисуется всеми юнитами.

Частота дискретизации (Sampling rate)

Для цифровых моделей. Этот параметр связан с предыдущим. Чем выше, тем лучше (например, Siglent SDS имеет 1×109). Это количество показаний в единицу времени определяет максимальные частоты без потерь на экране. Для блоков с несколькими каналами она может быть уменьшена, когда все они используются (это необходимо учитывать при покупке).

По теореме Котельникова частый дискр должен в 2 раза превышать верхний кадр передачи, но на практике потребуется верхний предел в 4–5 раз. На этом основывается выбор. Пример для изделия с полосой пропускания до 200-800 МГц (важно учитывать параметр при использовании 2-х и более каналов).

Число каналов

Многие модели способны одновременно обрабатывать несколько сигналов и при этом отображать их на экране по отдельности. Обычно от 2 до 4. Иногда включение других каналов влияет на производительность. Выбор осциллографа рекомендуется производить среди изделий с двумя каналами, которые позволяют сравнивать изучаемые величины, вычислять фазовые сдвиги. Три и более входа — это хорошо, но для обычных задач иногда избыточно, цена устройства вырастет в разы.

Эквивалентная частота дискретизации

При недостаточной различимости реального изображения, конечное изображение восстанавливается из нескольких последовательных измерений. Пример: сигнал 200 МГц анализируется на модели с частотным дискретом. 1 миллиард выборок/сек. (1 Гвыб/с) — принимает только 5 измерений. Согласно теории. Для Котельникова этого достаточно, но можно доработать (алгоритмически) и активировать опцию: будет не 1 Гвыб/с, а уже 2 ГВыб/с.

Глубина памяти

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

Обновление экрана

Чем чаще монитор обновляется, тем короче «мертвое время», необходимое для обработки захваченной информации, и тем быстрее обновляются осциллограммы. Устройство, скорее всего, покажет заметный артефакт. Однако это средство только для любителей электроники.

Максимальное входное напряжение (питание)

У любого устройства есть предел мощности, при превышении которого без дополнительных мер он просто сгорит и выйдет из строя. Необходимо учитывать параметры эксплуатируемых цепей. Пример: max например в режиме пробника 1:1 — 40 В, в режиме 1:10 — 400 В, т.е лезть в цепь с 400 В и более без мер безопасности уже не безопасно.

Основы управления

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

Начало работы

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

В излучающей трубке осциллографа пучки электронов, идущие на табло, провоцируют свет от люминофора (светлая точка посередине). Отклоняющие пластины (2 пары) позволяют управлять им. Чем выше напряжение на клеммах, тем больше оно перемещает приложенное напряжение к пласту. X (по вертикали) запускает пилообразную развертку, луч движется циклически (это линия развертки или ноль). На слое Y соедините исследуемые величины.

Синхронизация

Перед работой с осциллографом необходимо изучить основы (управление, подключение, какие щупы и т.д.). Основной момент взаимодействия — синхронизация. Если начало пилы (левое положение луча) и сигнал совпадают, 1 проход развертки покажет 1 или более периодов и изображение застынет. При изменении скорости развертки делается так, что на табло будет только 1 сегмент: по 1 полосе пилы будет проходить 1 полоса анализируемого сигнала.

Методы синхронизации:

1. Пила и сигнал синхронизируются путем регулировки селектора скорости до тех пор, пока синусоида не прекратится
2. Уровень установлен, указано входное напряжение для активации генератора. Пила отображается только при установленном значении, синхронизация автоматическая. Нужно учитывать помехи: они могут активировать генератор по ошибке (слишком низкий уровень), если он будет очень высоким, сигнал не запустит систему.

Вам необходимо знать следующее:

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

Подключение

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

Два терминала:

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

В зарубежных приборах провод «крокодилом» заземляется, фаза — иголкой, вставленной в контакты проверяемых цепей, в ножки микропроцессоров и так далее. В отечественных изделиях провода часто одинаковые. Узнать их назначение можно, потрогав их рукой: минус (земля) — ровная линия на экране, фаза — искаженная синусоида.

Никакой провод к щупу использовать нельзя — в осциллографе это только коаксиальные специзделия, любой другой кабель покажет ерунду.

Упрощенный алгоритм применения, как подключить анализируемую схему и провести исследование:

1. Осциллограф размещается в удобном месте, ручки выводятся в нормальное или нейтральное положение.
2. Если есть калибратор, то надо калибровать по инструкции.
3. Земля сажается на «-» или общую жилу в исследуемой схеме. Если их невозможно определить, их связывают с какими-то контактами, между которыми проводят исследование. Сигнал подключается по схеме.

Прибор показывает напряжение на щупе относительно нормального провода. На некоторых из этих проводов (прямо на них) есть делители 1:0, 1:100 с выключателями, которые позволяют подключать концы напрямую к 220 В, не рискуя спалить устройство.

Режим входа

Ручка с прямой линией и волнистой линией под ней — это режим ввода. Верхнее положение — допускается любое натяжение. Средний — позволяет установить развертку. Нижнее положение только для переменного значения, при этом подключение идет через встроенный конденсатор.

Пример: необходимо проанализировать помехи на блоке питания с 12 В, их интенсивность возможна до 0,3 В. На фоне 12 В незаметно. Можно увеличить коэффициент по Y, но график будет выходить за пределы экрана и смещения будет недостаточно для наблюдения пика. Затем включаем в цепь конденсатор и там оседает 12 В, а в O-Scope будет поступать переменное значение — помеха 0,3 В, улучшается визуализация и просматривается полная шкала.

Быстрый старт

Экран размечен линиями с делениями Y (вертикальная) и X (горизонтальная) — это декартова система координат, их селекторы (большие и заметные) — основные элементы управления:

• Gain (V/div, volts/div) — масштабирует по оси Y, чтобы увидеть весь сигнал, а также указывает, сколько В на деление будет отображаться в конце. Пример: если на деление 2 В, а сигнал занимает две ячейки по высоте, то амплитуда 4 В; когда вы выбираете 1 В и питаете синусоидальный усилитель на 0,2 В, он займет 4 ячейки.;
• Duration (Sweep) — регулировка частоты. Вот деления в мс и мс. Чем меньше зазор и выше частота, тем более высокочастотный сигнал можно увидеть и по ширине можно вычислить, сколько там ячеек, а умножив на шкалу по линии X, получим продолжительность в секундах. Можно рассчитать период, затем — значение частоты — f=1/ч. Эта кнопка предназначена для установки скорости луча на табло слева/справа. В цифровых устройствах — сплошная линия. Сигнал, поступающий на вход, отклоняет луч вверх/вниз: появляется волнообразная синусоида, пила или линия другой формы, свидетельствующая о шуме, помехах.

Клавиша смахивания и клавиши со стрелками позволяют перемещать график по экрану, чтобы его было легче воспринимать и подгонять нужную область к линиям сетки. А изменяя скорость, частоту бега луча (значение частоты развертки), добиваются синхронизации, затухания изображения.

Как подключить импортный осциллограф

Необходимо внимательно прочитать руководство пользователя, подготовить рабочее место для устройства и правильно его заземлить.

Важно! Заземление обеспечивает отсутствие опасного статического заряда на крышке во время работы, при прикосновении к которому рукой можно получить удар током. Затем нужно определить точки для захвата сигнала, нулевой линии, с помощью щупа их коммутировать с аттенюатором (при неизвестных уровнях сигнала установить максимальную амплитуду)

Включите прибор, дайте ему прогреться, установите нужные режимы и проведите измерения. Снимите показания, повторите измерения несколько раз

Далее необходимо определить точки сбора сигнала, нулевую линию, с помощью щупа заменить их аттенюатором (при неизвестных уровнях сигнала установить максимальную амплитуду). Включите прибор, дайте ему прогреться, установите нужные режимы и проведите измерения. Снимите показания, повторите измерения несколько раз.

Применение

Осциллографы по сути такие же, как вольтметры. Отличие в том, что осциллограф способен не только показывать напряжение, но и исследовать изменение продолжительности действия.

Осциллографы широко используются в электронных механизмах для исследования их работы и изменения их параметров. А также для ремонта элементов и узлов в различных электроприборах.

Прибор помогает диагностировать поломку большого количества датчиков автомобиля, положения распредвала и коленвала. А также дефекты работы катушек и свечей зажигания.

Принцип работы осциллографа довольно сложно понять, не зная основных конструктивных элементов этого прибора и их функций. Эта информация поможет вам узнать, как использовать осциллограф для диагностики проблем с различными приборами. На самом деле без использования осциллографа невозможен ремонт некоторых сложных устройств.

Измеряем напряжение

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

Порядок действий

Напряжение измеряется вертикальным масштабированием. Алгоритм:

1. Перед запуском замыкают сигнал зонда на собственные провода заземления (игла «крокодила») или устанавливают тумблер режима ввода в положение «земля».
2. «Пульс жизни» появится, если нет, то нужно двигать офсет, стабилизацию и уровень — возможно изображение спряталось, не запустилось.
3. Регулируем смещение полосы на ноль с помощью селекторов и устанавливаем развертку по горизонтали сетки с помощью перевернутого ползунка, чтобы можно было правильно рассчитать высоту формы волны. Если осциллограф старый или аналоговый, необходимо дать ему прогреться прибл. 5 минут.
4. Устанавливаем предел измерения напряжения, рекомендуется брать с запасом, потом можно уменьшить.
5. На вход подается сигнал (или переключатель переводится в одно из рабочих положений). На экране появится график.
6. Проиллюстрируем процесс: на аккумуляторе 1,5 В, если прикоснуться проводом заземления щупа к минусу, а сигналом к ​​плюсу, появится скачок графика в 1,5 вольта.

Для нахождения высоты графика осциллограмму перемещают селектором так, чтобы метка, с помощью которой рассчитывается амплитуда, находилась на центральной вертикали с частями. Получаем девиацию чувствительности — 1 В/дел, размер осциллографа. — 2,6 случая, а значит, ампл. = 2,6 В.

Ниже приведена иллюстрация аналогового устройства: 3.4 корпуса. — Макс. Напряжение. На соседнем рисунке — масштабирование по вертикали. Регулятор «плавный» (часть с зеленой риской) находится в правом крайнем положении, приборная панель на кулисном переключателе для чувствительности 0,5 В/дел. Множитель масштаба — × 10. Расчет напряжения:

Порядок проведения измерений

Настройка

У новичков обращение с осциллографом поначалу вызывает определенные трудности, так как этот прибор имеет множество различных органов управления и настроек. Чтобы понять функционал измерительного прибора, необходимо его предварительно перестроить, соблюдая при этом следующие правила:

• После включения устройства следует в первую очередь убедиться, что на экране есть полоса горизонтального свайпа;

Важно! Если полоска плохо видна и сильно размыта, кнопками «Фокус» и «Яркость» придайте ей нужную форму (она должна быть четкой, тонкой и хорошо выделяться на темном фоне).

• Если он отсутствует, сначала увеличьте яркость луча, а затем попробуйте найти трек на экране, вращая кнопки перемещения вправо и влево (вверх или вниз);
• Если это не помогло, следует добиться стабильного изображения вращением кнопок синхронизации («Уровень», «Стабильность;
• После этого нужно перестроить его на масштабной сетке (поставить в центр), а затем коснуться пальцами измерительного наконечника проволоки и убедиться, что на нем появляются небольшие всплески шума.

На этом настройка устройства завершена.

Измерение

Для получения нужного изображения на экране необходимо предварительно определить примерные значения частоты и амплитуды действующего в цепи напряжения (если это возможно). После этого выполняются следующие операции.

Сначала ручки переключателей «Амплитуда» («Усиление») и «Длительность» устанавливаются в положение, соответствующее ожидаемой амплитуде и частоте измеряемого сигнала.

Так что если он имеет ожидаемую амплитуду в пределах единиц одного вольта и частоту порядка одного МГц, то носик ручки Gain устанавливается напротив деления 1 вольт (или чуть больше).

При этом ручка развертки устанавливается на 1 мкс, что соответствует одному мегагерцу (F=1/T = 1/{1/1000000 с} = 1 МГц).

Дополнительная информация. Заданные вручную значения амплитуды и частоты определяют «цену» доступного на экране деления графической разметки (по вертикали и горизонтали соответственно). При амплитуде исследуемого сигнала 3 вольта, например на экране, он займет 3 ячейки по вертикали.

В случае, когда эти значения заранее не известны, при измерении может появиться «сплошной» сигнал, форму которого нельзя сразу определить. Для устранения этой неопределенности следует сделать несколько переключений кнопкой «Развертка», после чего сигнал в определенном положении должен принять удобную для восприятия форму.

Это может быть синусоидальная, импульсная или сложная, но четко определенная кривая.

Измерение параметров сигнала

Как только прибор настроен и откалиброван по сетке, полученное изображение можно рассматривать как обычное графическое представление сигнала. Это означает, что его можно изучить, чтобы увидеть, соответствует ли его форма заданным параметрам (например, синусоидальное искажение), а также измерить приблизительные значения его амплитуды и частоты.

Измерение параметров импульсного сигнала

В качестве примера возьмем уже рассмотренный ранее режим, когда предел измерения по уровню составляет 1 вольт, а по частоте соответствует 1 мкс. В этом случае амплитуда сигнала определяется следующим образом:

• Во-первых, полученное изображение размещается строго по центру графической сетки;
• Затем переместите ручку «Усиление» до упора вправо, в соответствии с точным значением выбранной шкалы (1 Вольт);
• После этого весы измеряют количество ячеек, занимаемых сигнальным изображением, после чего оно умножается на цену одного деления.

Так, если изображение занимает 3 ячейки по вертикали, можно сказать, что амплитуда измеряемого сигнала равна трем вольтам.

Примечание! Те же манипуляции проделывают с частотой измеряемого синусоидального напряжения, но только в этом случае за шкалу отсчета по горизонтали принимают отсчеты развертки (1 МГц).

При измерении частоты изображение приводится в удобный для восприятия вид, так что заданное число полных колебаний умещается в ячейке шкалы (при установке кнопки «Развертка» в правильное положение). Если таких периодов, например, три, то частота сигнала равна трем мегагерцам.

В заключение отметим, что с помощью двухлучевого осциллографа можно определить такой показатель, как фаза измеряемого сигнала по отношению к другому колебательному процессу. Для этого достаточно совместить начальные точки обоих изучаемых процессов и измерить отставание одного из них на шкале горизонтальной разметки.

Изменение фазы

Это интересно: Кабель под землей или над воздухом — что лучше и надежнее

Развертка

Движение луча ЭЛТ по горизонтальной оси при отсутствии исследуемого сигнала на информационных входах называется разверткой; при использовании он будет распределяться по временному интервалу.

Принцип работы регулятора развертки

Развертка создается с помощью генератора, работа которого зависит от выбранного режима внутренней или внешней синхронизации. Внутренние — частота задается вручную или синхронизируется с сетью, внешние — генератор запускается от входного импульса, различают срабатывание по фронту, спаду или от стороннего источника. Прокрутка используется для увеличения/уменьшения периода отображения сигнала.

Блок управления параметрами синхронизации

Позволяет установить значение напряжения исследуемого сигнала и момент (фронт/спад), когда генератор должен быть запущен. Правильное выравнивание позволит получить стабильное изображение, что важно для сбора данных.

Совет. Погрешность измерения зависит от стабильности изображения — оно должно быть качественным.

Измерение частоты

Частота – это временная характеристика, интервалы, периоды сигнала; их измерение является прямым назначением осциллографа. Исследуемая величина всегда обратно пропорциональна периоду, который можно измерить в любой области сигнала. Но удобнее и точнее это делать на пересечениях графика с горизонталью посередине (ось времени).

Перед исследованием мы установили полосу развертки на центральную горизонталь. Пером со стрелкой в ​​обе стороны сдвигаем начало периода ленты в крайнюю левую часть экрана. В нашем случае интервал = 6,8 деления, скорость развертки — 100 мкс/дел. Расчет:

Выше на двух одинаковых рисунках показаны те же сигналы, но с разной скоростью развертки. По первому изображению расчет частоты (точное значение 1,459 кГц) имеет большую погрешность, по второму изображению она меньше, так как большая точность измерения получается, если изображение растянуто.

На втором рисунке период чуть больше 6,8 дел и реальная частота немного ниже (1,459 кГц) принимаемой (1,47 кГц). Отклонение менее 1%, это допустимо и считается высокой точностью, ее обеспечит цифровой O-Scope (линейная развертка). В моделях-аналогах отклонение будет больше. Характерная закономерность: с увеличением периода частота уменьшается (пропорция обратная), и наоборот.

Возможности двухканального прибора

Двухлучевой осциллограф используется, когда необходимо измерить относительный фазовый сдвиг отображаемых сигналов. Это графическое изображение на экране одного цвета, поэтому для наглядности имеет смысл разложить амплитуды.

Особенности прибора

Векторная диаграмма токов и напряжений

Аналоговые приборы требуют большого количества специфических настроек и высокой квалификации операторов — погрешность результатов зависит от качества калибровки, велико влияние человеческого фактора. Современные цифровые устройства лишены этих проблем и позволяют получать и интерпретировать данные в разы быстрее, но их стоимость очень высока.

Основы использования осциллографов, анализаторов спектра и генераторов

Работа с осциллографом.
Все начинается с измерительного щупа!

Провод зонда коаксиальный. Центральная жила щупа – сигнальная, оплетка – земля (минус или общий провод).

Некоторые пробники, особенно современные осциллографы, имеют встроенный делитель напряжения (1:10 или 1:100), что позволяет измерять широкий диапазон напряжений. Перед проведением измерений обратите внимание на положение переключателя на датчике, чтобы избежать ошибок измерения.

Осциллографы имеют внутренний генератор меандра, сигнал которого выводится на переднюю панель, на клемму «калибровка». Калибровочный сигнал предназначен специально для регулировки сглаживающей емкости. Частота этого сигнала обычно составляет 1 кГц с размахом 1 В. Пробник подключается к клемме «калибровка» и настраивается на получение наиболее правильной формы сигнала.

Подключаем щуп к осциллографу.

Вход осциллографа может быть закрытым или открытым. Это позволяет подавать сигнал на Y-усилитель либо напрямую, либо через разделительный конденсатор. Если вход разомкнут, на Y-усилитель будут подаваться компоненты как постоянного, так и переменного тока. Если только приватная переменная.

Пример 1. Нужно посмотреть уровень пульсаций блока питания. Допустим, напряжение блока питания 12 вольт. Величина пульсаций не может быть более 100 милливольт. На фоне 12 вольт пульсации будут совершенно незаметны. В этом случае мы используем закрытый вход. Конденсатор отфильтровывает постоянное напряжение. Усилитель Y принимает только переменный сигнал. Теперь пульсации можно усилить и проанализировать!

Кнопка Gain масштабирует сигнал по оси Y. Он определяет величину одного вертикального деления ячейки в вольтах.

Кнопка Duration масштабирует сигнал по оси X. Он определяет стоимость деления одной ячейки по горизонтали в секундах.

Пример 2. По значениям, которые указывают эти ручки, и количеству ячеек, занимаемых сигналом, можно определить временные параметры сигнала в секундах и его амплитуду в вольтах. На основании этих данных можно рассчитать длительность импульса, паузу, период и частоту сигнала.

Режим развертки определяет поведение осциллографа. Предполагается три режима: автоматический (AUTO), ждущий (Normal) и одиночный (Single).

Автоматический режим позволяет захватывать изображения входного сигнала, даже если условия запуска не выполняются. Осциллограф ожидает условия запуска в течение определенного периода времени, и если требуемый сигнал запуска отсутствует, он автоматически начинает запись.

Спящий режим позволяет осциллографу захватывать сигналы только при соблюдении условий запуска. Если эти условия не выполняются, осциллограф ожидает их отображения, на экране сохраняется предыдущая осциллограмма, если она была записана.

В режиме однократного сбора данных после нажатия кнопки RUN/STOP осциллограф будет ожидать выполнения условий запуска. Когда они будут выполнены, осциллограф выполнит одно измерение и остановится.

Осциллограф поддерживает различные триггеры развертки: триггер по фронту, триггер по фронту и триггер по произвольному фронту.

Уровень запуска — это значение напряжения, при котором осциллограф начинает рисовать форму сигнала.

Работа с анализатором спектра.

Существует общая методика исследования сигналов, которая основана на разложении сигналов в ряд Фурье с использованием алгоритма быстрого вычисления дискретного преобразования Фурье Fast Fourier Transform (FFT).

Эта методика основана на том, что всегда можно выделить ряд сигналов с такими амплитудами, частотами и начальными фазами, алгебраическая сумма которых в любой момент времени равна значению исследуемого сигнала.

Благодаря этому появилась возможность анализировать спектр сигналов в режиме реального времени.

На вход подается исследуемый сигнал. Анализатор выбирает последовательные интервалы («окна») сигнала, в которых вычисляется спектр, и выполняет БПФ в каждом окне для получения амплитудного спектра.

Рассчитанный спектр отображается в виде графика зависимости амплитуды от частоты.

Для достижения более высокого разрешения по частоте необходимо анализировать более длинные части сигнала.

Соединительные шнуры и входы

Работа осциллографа невозможна без специальных соединительных проводов, по которым снимается сигнал с заданной точки контролируемой электронной схемы. Каждый из них требуется для подключения к определенному входному разъему, имеющему определенное функциональное назначение. Современный осциллограф может поставляться с несколькими такими разъемами, предназначенными для работы с разными схемами. С другой стороны они подключаются к специальному коаксиальному разъему, расположенному внизу панели управления.

Дополнительная информация. В различных моделях электронных устройств усилитель и развертка способны обрабатывать сигналы с частотами от одного до сотен мегагерц.

В любом случае для их обработки нужны ВЧ провода (их еще иногда называют «концами»). Исключение составляют лишь низкочастотные устройства (НЧ), предназначенные для обработки сигналов с частотами до 1 МГц, где можно использовать одиночные провода (без экранирующей оплетки).

Понятно, что двухлучевой осциллограф должен иметь в комплекте пару таких проводов, подключенных к двум разным гнездам (они обозначаются как «Вход 1» и «Вход 2»). Иногда для внешней синхронизации развертки может использоваться еще один «конец» на устройстве, подключаемый к входному разъему под обозначением «Синхронизация».

Измеряем сдвиг фаз

Иногда бывает, что фазы напряжения и тока расходятся (при прохождении через конденсаторы, индуктивности). С двухканальным O-scope можно увидеть уровень разницы.

Фазовый сдвиг покажет два процесса в движении, их положение с колебаниями. Измеряется не в единицах времени (по горизонтали), а в долях интервала сигнала (угловая единица). Одному и тому же взаиморасположению сигналов соответствует один и тот же сдвиг, не зависящий от периода и частоты. Поэтому измерения надежнее при максимальной растяжке периодов на мониторе.