Bmw

С помощью осциллографа напрямую можно измерить. Подключение осциллографа. После этого производят измерение напряжения по принципу, указанному выше. Зная номинальное сопротивление резистора и общее напряжение в цепи несложно, пользуясь законом Ома, рассчит

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:

Земляной провод длиннее;

Земляной провод имеет коричневый (стандарт) или черный цвет;

На корпусе штекера земляного провода нанесены условные обозначения «корпус»

или «земля»

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

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.

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.

Осциллограф – многоцелевой прибор, который используется при исследовании формы и измерении параметров сигналов, при исследовании характеристик различных электронных устройств.

Измерение напряжения . Измерение напряжения с помощью осциллографа может проводиться как методом прямого преобразования, так и методом сравнения.

Метод прямого преобразования (метод калиброванного отклонения ) предусматривает предварительную калибровку канала Y с помощью калибратора амплитуды. При этом устанавливается требуемое значение коэффициента отклонения К d . Измеряемое напряжение подается на вход канала Y, и определяется размер изображения на экране ЭЛТ по вертикали l B (в делениях или в единицах длины). Зная коэффициент отклонения К d или чувствительность S u , при симметричном (или постоянном) напряжении можно найти его амплитуду

При измерении амплитуд несимметричного напряжения необходимо зафиксировать с помощью масштабной сетки при отсутствии измеряемого напряжения начальное положение горизонтальной линии (или светового пятна) на экране осциллографа. Затем, подав измеряемое напряжение на вход Y и установив неподвижное изображение, измерить амплитуды каждой полуволны в отдельности.

Метод сравнения можно реализовать с помощью двухлучевого (двухканального) осциллографа. Для этого на один вход, например Y 1 , подается исследуемый сигнал, а на вход Y 2 – образцовое напряжение, которое может быть как постоянным, так и переменным. Затем, изменяя значение образцового напряжения, нужно добиться совмещения калибровочной линии, создаваемой образцовым напряжением, с границами измеряемого участка осциллограммы. Значение искомого напряжения определяют по значению образцового напряжения .

Измерение интервалов времени может быть проведено методом прямого преобразования (методом калиброванного коэффициента развертки ) аналогично случаю измерения напряжения. Перед измерением с помощью калибратора времени устанавливается требуемое значение коэффициента развертки, являющееся ценой деления шкалы по горизонтали. В этом случае

где l x – размеры исследуемого участка осциллограммы.

Измерение частоты переменного сигнала может быть произведено путем измерения периода. Частота находится как величина, обратная периоду.

При использовании двухлучевого (двухканального) осциллографа измерение частоты может быть произведено путем сравнения исследуемых колебаний с колебаниями известной частоты. При этом осуществляется одновременная фиксация на экране осциллографа двух колебаний. Недостаток этого метода – невысокая точность.

Более точными являются модификации метода сравнения: метод фигур Лиссажу (метод интерфенционных фигур ) и метод круговой развертки . При реализации этих методов осциллограф выполняет функции индикатора равенства или кратности измеряемой f X и образцовой частот f 0 и погрешности в результат измерения f X практически не вносит.

Для получения фигур Лиссажу сигнал неизвестной частоты подается на вход Y осциллографа. Внутренняя развертка осциллографа отключается и на горизонтально отклоняющие пластины подается синусоидальное напряжение от измерительного генератора высокой точности. При этом луч на экране ЭЛТ совершает сложное движение. Частота измерительного генератора подбирается так, чтобы на экране осциллографа получилось неподвижное изображение (фигура Лиссажу ). Это происходит при целочисленном отношении между частотами двух входных сигналов, и вид фигуры Лиссажу зависит от кратности f X /f 0 , соотношения амплитуд напряжений и фазового сдвига между ними. Отношение частот находится как отношение числа точек пересечения фигуры на экране с горизонтальной n X и вертикальной m Y опорными линиями (отношение числа касаний фигуры с наложенными на экран горизонтальной и вертикальной осями).

На рис. показаны примеры фигур Лиссажу для различных значений соотношения частот f X /f 0 .

Если напряжение измеряемой частоты f X подано на вход Y осциллографа, а напряжение известной частоты f 0 – на вход Х, получим соотношение

из которого может быть определено значение частоты f X .

Обычно стремятся подобрать частоту образцового генератора равной измеряемой частоте, так как при этом фигура имеет простейший вид – прямую линию, круг, эллипс.

Метод, характеризующийся высокой точностью, прост, удобен и экономичен. Его недостатком является сложность расшифровки фигур при соотношении частот более 10 и, следовательно, возрастает погрешность измерения за счет установления истинного отношения частот . Этот метод, целесообразно применять только при относительно небольшой кратности измеряемой и известной частоты, обычно не превышающей 6–8.

В случае большой разницы измеряемой и образцовой частот можно использовать круговую развертку. Она создается напряжением образцовой частоты f 0 , которое через фазосдвигающую цепь подается на входы Х и Y, как показано на рис. . Напряжение более высокой частоты (неизвестной) f Х подводится к модулирующему яркость электроду ЭЛТ (канал Z). Изображение окружности на экране при этом получается пунктирным. По числу n светящихся штрихов по окружности судят о соотношении сравниваемых частот:

Измерение фазовых сдвигов

Для гармонического сигнала U(t) = Uo sin(t +  0) фазой называют выражение (t +  0) – аргумент синуса, где  0 – начальная фаза колебаний. Значение фазы зависит от выбранного начала отсчета времени, поэтому физический смысл имеет сдвиг фаз  или разность фаз  1 –  2 двух сигналов с одинаковыми частотами (рис. Рис. 5 .15а). Измеряется фаза в угловых единицах – радианах или градусах. Методом измерения сдвига фаз с помощью двухканального осциллографа является метод наложения , который заключается в получении на экране осциллографа и совмещении осциллограмм напряжений U 1 и U 2 подаваемых на вход А и выход В (рис. 5.9). Из рис. Рис. 5 .15а видно, что в этом случае

Разность фаз двух сигналов можно определить по временному сдвигу. На экране получают неподвижную картину двух осциллограмм (рис. Рис. 5 .15б). Поскольку весь период Т соответствует углу 360, разность фаз определяется из соотношения  = 360Т/Т. При этом важным является вопрос, какой из сигналов опережает "по фазе" другой сигнал. На Рис. 5 .15б напряжение U 1 опережает напряжение U 2 по фазе на  > 0, так как сигнал U 1 достигает своего максимума раньше, чем сигнал U 2 (сигнал U 1 также достигает своего минимума раньше, чем сигнал U 2).

Сдвиг фаз можно определить и по интервалу Т 1 , но если во время проведения измерений один сигнал, например U 2 , на экране осциллографа будет несколько смещен по вертикали вниз, как показано на рис. Рис. 5 .15б, то измерение сдвига фаз по временному сдвигу Т 1 оказывается неверным. Это становится очевидным, если учесть, что Т 1 оказывается не равен временному сдвигу между этими же сигналами, отсекаемому горизонтальной прямой, справа от Т 1 .

Измерение сдвига фаз может быть осуществлено и на однолучевом осциллографе методом эллипса . Эллипс является частным случаем фигуры Лиссажу при f 1 = f 2 . Пусть на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины поданы напряжения U x = U 0 sint и U y = U 0 sin(t + φ). При равных амплитудах и частотах сигналов на входах Y и Х осциллографа изменение фазового сдвига приводит к изменению формы фигуры Лиссажу от прямой линии (φ = 0) через эллипс к окружности (φ = 90 о), как показано на рис. Рис. 5 .16.

В общем случае фазовый сдвиг можно определить по эллипсу следующим образом. Коэффициенты усиления вертикального и горизонтального отклонения подбираются так, чтобы эллипс вписался в квадрат (рис.). Значение фазового сдвига находится как отношение параметров эллипса по формуле

При определении  нужно учесть направление наклона эллипса. Погрешность метода резко возрастает при углах, близких 90, когда размеры Y 1 и Y 2 (X 1 и X 2) сближаются. Поэтому методом эллипса целесообразно измерять сдвиги фаз до 40–50. При этом погрешность измерений, как правило, не превышает 2–3 %. Систематическую ошибку, возникающую из-за неодинаковости фазовых сдвигов в каналах Х и Y осциллографа, можно легко учесть. Для этого на оба канала одновременно подают один и тот же сигнал. Если на экране наблюдается не прямая линия, а эллипс, значит, в осциллографе имеется постоянный фазовый сдвиг, величину которого можно определить по параметрам получившегося эллипса. Этот сдвиг представляет систематическую ошибку, которую нужно вычитать из полученного результата .

Недостатком данного метода является его неоднозначность. Результаты измерения φ однозначны лишь в пределах 0–180 о, далее (в пределах 180–360 о), фигуры будут повторяться, но изменится направление движения луча.

Для измерения разности фаз может быть использована и круговая развертка, создаваемая напряжением U 1 как опорным. В этом случае измеряется угловое положение светящейся полуокружности, создаваемой напряжением U 2 при подаче его на вход канала Z ЭЛТ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 10 КЛАСС.

Знакомство с интерфейсом цифрового осциллографа.

Измерение силы тока с помощью осциллографа

1. Вспомните, что перед изъятием устройства «флэш»-памяти из USB-порта, Вы всегда отключаете напряжение на этом порту, используя опцию «Безопасное извлечение».

Будьте внимательны с USB-портом компьютера, короткое замыкание его контактов может привести к выходу из строя не только порта, но и всего компьютера!!!

Источником постоянного тока в работах по электродинамике будет служить один из USB-портов компьютера. Подсоедините блок коммутации USB-порта с электрической цепью (в дальнейшем источник тока ) к одному из USB-портов. Ко второму USB-порту подсоедините кабелем датчик напряжения осциллографический (в дальнейшем осциллограф ).Подключите щупы осциллографа к выходным клеммам источникапостоянного тока.

Если возникают проблемы с настройкой осциллографа или иного датчика, возможно, вы запустили программу раньше установления драйвера датчика, опросите еще раз датчик

(кнопка ) или перезагрузите программу.

2. Запустите программу «Цифровая лаборатория». В открывшемся окне со списком работ выберите сценарий работы 3.1 «Знакомство с интерфейсом осциллографа». Окно со списком работ можно вызвать и нажав кнопку в верхнем меню программы.

3. Осциллограф – устройство позволяющее измерять напряжение постоянного и

меняющегося во времени электрического сигнала. Используя кнопку , откройте окно настроек параметров компьютера (рис.1)

Рис.1 Ознакомьтесь с содержанием вложенных списков параметров настройки в каждом из

окошек настройки параметров. Осциллограф может измерять одновременно напряжение на двух участках цепи по двум каналам. Установите «галочку» в окошке выбора «красного» канала (Канал №1). Режим работы «авто» и развертку «5 мс/дел», чувствительность Канала №1 «1 В/дел», положение нулевой линии «0», вид сигнала «Постоянный» * , установите «галочку» в окошках «Отображение сигнала» и

* Опция «Переменный» в окне «Вид сигнала» при настройке параметров регистрации осциллографического датчика позволяет отсечь постоянную или медленно меняющуюся (с характерным временем около 0,1 с) составляющую напряжения и показывать только быстро меняющийся сигнал (с характерным временем 0,05с и менее). В наборе работ «Цифровая лаборатория. Базовый уровень» такая опция нигде не используется.

«Отображение нулевой линии». Параметры в остальных окнах можно пока не менять. Зафиксируйте выбранные параметры (кнопка )

4. Запустите измерения в программе «Цифровая лаборатория (кнопка ) и после прописывания нулевой линии красной линией подключите выводы осциллографа в «красной» оплетке к клеммам источника тока. Обратите внимание, в какую сторону смещается сигнал при подключении кабеля с синим наконечником к клемме источника

«+», а с красным наконечником – к клемме «минус». Остановите измерения (кнопка )

и левой кнопкой мыши установите желтый вертикальный маркер на рабочем поле на первом делении по горизонтали. Обратите внимание на числовые значения напряжения

и времени в левом верхнем углу (или в нижней части окна) окна регистрации. Время

отсчитывается от зеленого вертикального маркера, стоящего на левой границе рабочего поля. Вы можете сместить зеленый маркер правой кнопкой мыши. Клик правой кнопкой за левой границей окна регистрации возвращает зеленый маркер на левый край поля.

5. Вернитесь в окно установки параметров осциллографа, измените чувствительность по напряжению Канала №1 и временную развертку. Включите регистрацию по Каналу №2, установив в окне вида сигнала (рис.1) – «Постоянный». Приняв параметры, проверьте, как изменились показания осциллографа на рабочем поле. Заменив щупы Канала №1 (красного) на щупы Канала №2, проверьте, как работает Канал №2, затем снимите сигнал с источника обоими каналами, присоединив клеммы каналов так, чтобы сигнал от них был разной полярности.

6. Соберите электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора с сопротивлением 200 Ом, переменного сопротивления (его сопротивление меняется от 0 до 100 Ом), светодиода, ключа и источника тока. К выходным клеммам источника тока подключите клеммы Канала №1 осциллографа, а к концам резистора 200 Ом – клеммы Канала №2 (рис.2). Замкнув ключ и вращая ручку переменного сопротивления, убедитесь, что показания на клеммах источника тока не меняется, а напряжение на резисторе 200 Ом меняется синхронно с изменением яркости светодиода (светодиод будет гореть, только если соблюдена верная полярность подведенного напряжения). Остановите регистрацию при максимальной яркости светодиода и замерьте напряжение на резисторе в 200 Ом.

сопротивлением Rш=10 Ом (рис.3), оставив щупы осциллографа на резисторе 200 Ом. Замкните цепь, запустите регистрацию, и, остановив регистрацию, убедитесь, что напряжение на резисторе в 200 Ом и яркость светодиода не изменились. Резистор в 10 Ом с сопротивлением малым по сравнению с общим сопротивлением цепи будем называть шунтом . Шунт в данной цепи уменьшает силу тока примерно на 5%, то есть

не влияет и на напряжение на элементах в цепи и яркость светодиода. Включая его в участок цепи, через который нужно измерить силу тока, измеряя напряжение на нем, измеряют силу тока, поскольку для резистора выполняется закон Ома I=U/R.

8. Исключите из цепи (рис.3) светодиод. Переключите щупы Канала №1 осциллографа с

источника тока, на шунт. Откройте вкладку «Исходные данные» (кнопка ) и внесите в

таблицу значение сопротивления шунта Rш = 10 Ом (рис.4).

Рис.4 Выберите полярность подключения осциллографического датчика таким образом, чтобы

по каждому из каналов регистрировался положительный сигнал. Запустите регистрацию и, получив сигнал с обоих каналов осциллографа, остановите регистрацию. Установив желтый маркер на экран. Перейдите на вкладку «Таблица окна «Обработка» и выберите ячейку в столбце «U, В» (рис. 5).

(синяя оплетка кабеля осциллографа и синий цвет сигнала на экране) осциллографа в выбранную ячейку Таблицы. Для заполнения столбца с напряжением на шунте выберите ячейку в столбце «Uш, В» (рис.5) и нажмите кнопку красного цвета - значение напряжения измеренного на Канале №1 (красная оплетка и красный цвет сигнала на экране) отправится в соответствующую ячейку Таблицы. Рассчитайте значение силу тока через шунт Iш и внесите ее в ячейку в нижней части таблицы (рис.5). После внесения «Исходных данных» эта «серая» ячейка становится «желтой», при внесении правильного значения Iш – «зеленой», при внесении ошибочного значения – «красной». При «зеленой» ячейке дальнейшие расчеты значения Iш и заполнение соответствующих ячеек в Таблице осуществляется автоматически (рис.6).

9. Запустите регистрацию и, меняя положение ручки резистора с переменным напряжением, добейтесь смены напряжения на резисторе 200 Ом и силы тока (и соответственно напряжения на шунте) в цепи. Останавливая запись, зарегистрируйте несколько значений напряжений на резисторе и шунте. Без заполнения нескольких строк в Таблице построения Графика (см.п.10) не будет осуществляться.

ВНИМАНИЕ! Напоминаем, что увеличение числа строк в Таблице осуществляется кнопкой на клавиатуре при заполнении хотя бы одной ячейки в предыдущей строке.

10. Перейдите на вкладку «График U(Iш) зависимости напряжения на резисторе 200 Ом от силы тока через резистор (она равна силе тока через шунт) и проанализируйте полученный график. Выбрав в окошке подбора функций для описания экспериментального графика функцию Y=AX (подбор наилучшей прямой осуществляется по нажатию на кнопку рядом с окном выбора вида функции, рис.7), убедитесь, что закон Ома U=RI выполняется, а коэффициент пропорциональности А соответствует

значению сопротивлению резистора R 200 Ом.

11. Занесите в Отчет (кнопка ) один из экранов с сигналом осциллографа, содержание вкладок « Исходные данные» и «Таблица», полученный график U(I), а также фото последней электрической цепи, на которой проводились измерении, сделанное с помощью ВЕБ - камеры, и скриншот окна настроек осциллографа (сочетание клавиш Alt-PrtScr), при которых проводились измерения.

ВНИМАНИЕ! Копирование в Отчет содержимого любой вкладки окна «Обработка» и кадр видео с установкой, регистрируемый ВЕБ – камерой, осуществляется в место, указываемое не курсором клавиатуры, а КУРСОРОМ МЫШИ. Содержимое вкладки НЕ ВСТАВЛЯЕТСЯ В ОТЧЕТ, ЕСЛИ ВЫ НЕ ОТКРЫВАЛИ эту вкладку.

«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.