Измерения осциллографом

Измерения осциллографом, как пользоваться осциллографом

Осциллограф — это эффективный современный прибор, предназначенный для измерения частотных параметров электрического тока во времени и позволяющий отображать их в графическом виде на мониторе, либо фиксировать их с помощью самопишущих устройств. Он позволяет измерять такие характеристики электрического тока внутри цепи, как его сила, напряжение, частота и угол фазового сдвига.

Зачем нужен осциллограф?

Нет лаборатории, которая смогла бы функционировать долго без измерительных приборов или источников сигналов, токов и напряжения. Если же в планах заняться проектированием или созданием высокочастотных устройств (особенно серьёзной вычислительной техники, скажем, инверторных блоков питания), тогда осциллограф — это отнюдь не роскошь, а необходимость.

Особенно же хорош он тем, что помогает визуально определить форму у сигнала. Чаще всего именно такая форма хорошо показывает, что именно происходит в измеряемой цепи.

Центром всяких осциллографов выступает электронно-лучевая трубка. Можно сказать, что она вроде радиолампы, внутри, соответственно, вакуум.

Катод осуществляет выброс электронов. Установленная фокусирующая система создаёт тоненький луч из излучаемых заряженных частиц. Специальный слой люминофора покрывает весь экран внутри. Под воздействием заряженного пучка электронов возникает свечение. Наблюдая снаружи, можно заметить по центру светящуюся точку. Лучевая трубка укомплектована двумя парами пластин, которые управляют созданным таким образом лучом. Работа электронного луча осуществляется в направлениях, находящихся перпендикулярно. В итоге получаются две управляющие системы, которые создают на экране синусоиду, в которой вертикаль обозначает величину напряжения, а горизонталь — период времени. Таким образом, можно наблюдать параметры поданного на прибор напряжения в определённых временных промежутках. В зависимости от типа подаваемого на осциллограф сигнала с его помощью возможно измерение не только параметров напряжения, но и других величин того или иного тестируемого агрегата.

Какими они бывают

В настоящее время распространены осциллографы двух типов — аналоговый и цифровой (последний отличается большим удобством, расширенными функциями и зачастую более точен). Оба они работают по одинаковому принципу, и указанные ниже способы измерения физических величин могут применяться на любых моделях этого прибора.

Правильное подключение

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

На осциллографах советского производства и некоторых российских моделях оба щупа одинаковы, различить их можно либо по значку «земля» на соответствующем проводе, либо по длине — фазовый провод короче. Подключаются они к входам осциллографа, как правило, стандартным штекером (см. рисунок)

Если маркировка отсутствует, а по внешним признакам выяснить, где какой щуп, не удалось, то проводят простой тест. Одной рукой дотрагиваются до одного щупа, при этом другую руку держат в воздухе, не прикасаясь ни к чему. Если этот щуп идет на фазовый вход, то на мониторе появятся заметные помехи (см. рисунок). Они представляют собой значительно искаженную синусоиду с частотой 50 Герц. Если щуп идет к «земле», то монитор останется без изменений.

При подключении осциллографа на измеряемый участок цепи, не имеющий общего провода, щуп «земля» может быть подключен к каждой из измеряемых точек. Если общий провод имеется (это точка, соединенная с корпусом прибора либо заземленная и условно имеющая «нулевой» потенциал), то «землю» предпочтительнее подключать к ней. Если этого не сделать, то точность измерений сильно упадет (в некоторых случаях такие измерения окажутся очень далеки от истинных значений и доверять им будет нельзя).

Измерение напряжения осциллографом

За основу измерения напряжения берется известное значение вертикального масштаба. Перед началом измерений надлежит закоротить оба щупа прибора либо переключить регулятор входа в положение. Нагляднее см. следующую картинку.

После чего рукояткой вертикальной регулировки надлежит выставить линию развертки на горизонтальную ось экрана, чтобы можно было корректно определять высоту.
После этого прибор подключается на измеряемый участок цепи и на мониторе появляется график. Теперь остается только посчитать высоту графика от горизонтальной линии и умножить на масштаб. Например, если на ниже приведенном графике одну клетку считать за 1 вольт (соответственно, она разбита на штриховые деления в 0,2, 0,4, 0,6, и 0,8 вольт), то получаем общее напряжение в 1,4 вольта. Если бы цена деления была 2 вольта, то напряжение бы равнялось 2,8 вольт и так далее…

Выставление нужного масштаба осуществляется вращением специальных ручек настройки.

Определение силы тока

Для узнавания силы тока в цепи с помощью осциллографа в нее последовательно включают резистор, имеющий значительно меньшее сопротивление, чем сама цепь (такое, чтобы он практически не влиял на ее исправную работу).

После этого производят измерение напряжения по принципу, указанному выше. Зная номинальное сопротивление резистора и общее напряжение в цепи несложно, пользуясь законом Ома, рассчитать силу тока.

Измерение частоты с помощью осциллографа

Прибор позволяет успешно измерять частоту сигнала, исходя из его периода. Частота находится в прямо пропорциональной зависимости от периода и рассчитывается по формуле f=1/T, там f — частота, Т — период.
Перед измерением линию развертки совмещают с центральной горизонтальной осью прибора. При проведении измерений осциллограф подключают в исследуемую сеть и наблюдают на экране график.

Для большего удобства, используя ручки горизонтальной настройки, совмещают точку начала периода с одной из вертикальных линий на экране осциллографа. Успешно посчитав количество делений, которое составляет период, следует умножить его на величину скорости развертки.

Рассмотрим на конкретном примере подробнее. Например, период составляет 2,6 делений, развертка — 100 микросекунд/деление. Умножая их, получаем величину периода равную 260 микросекунд (260*10-6 секунд).
Зная период, рассчитываем частоту по формуле f=1/T, в нашем случае частота примерно равна 3,8 кГц.

Измерение сдвига фаз

Сдвиг фаз — это величина, указывающая взаимное положение двух колебательных процессов  в течение времени.
Измерение его производят не в секундах, а в долях периода (Т) сигнала. Достичь максимальной точности измерений этого показателя возможно в том случае, если период растянут масштабированием на весь экран.
В современном цифровом осциллографе абсолютно каждый из сигналов имеет свой цвет, что очень удобно при измерениях. В старых же аналоговых вариантах их яркость и цвет, к сожалению, одинаковы, поэтому для большего удобства следует сделать их амплитуду различной. Подготовка измерения сдвига фаз требует точных подготовительных операций.
Первое, что нужно сделать — не подключая прибор к измеряемой цепи, установить ручками вертикальной настройки линии развертки обоих каналов на центральную ось экрана. Затем ручками настройки усиления каналов вертикального отклонения (плавно и ступенчато) 1-й сигнал устанавливается с большей амплитудой, а второй — с меньшей. Ручками регулирования скорости развертки ее величина устанавливается такой, чтобы оба сигнала на экране имели примерно одинаковый период. После этого, регулируя уровень синхронизации, совмещают начало графика напряжения с осью времени. Ручкой горизонтальной настройки устанавливают начало графика напряжения в крайней налево вертикальной линии. Затем ручками регулировки скорости развертки добиваются того, чтобы конец период графика напряжения совпадал с крайней направо вертикальной линией сетки монитора.
Все эти подготовительные операции производят по порядку до тех пор, пока график периода напряжения не растянется на экран полностью. При этом он должен начинаться и заканчиваться в линиях развертки (см. рисунок).

После завершения подготовительного этапа следует выяснить, какой из параметров опережает другой — сила тока или напряжение. Величина, начальная точка периода которой начинается раньше во времени, является опережающей, и наоборот. Если опережающим является напряжение, то параметр угла сдвига фаз будет положительным, если сила тока — отрицательным. Углом сдвига фаз (по модулю) является дистанция между началами и концами периодов сигналов в величине сетки делений монитора. Он рассчитывается по такой формуле:

В ней величина N — это количество клеток сетки, которые занимает один период, а α — количество делений между началами периодов.
Если графики периодов силы тока и напряжения имеют общие начальную и конечную точки, то угол сдвига фаз равняется нолю.
При ремонте радиоаппаратуры поиск неисправностей ведут, измеряя осциллографом обозначенные выше параметры на отдельных участках электронной цепи или у конкретных электронных компонентов (например, микросхем). Затем их сравнивают с указанными в технологических каталогах величинах, стандартных для этих компонентов, после чего и делают выводы о безошибочной работе или неисправности того или иного элемента цепи.

Если статья была вам полезна, поделитесь ею, пожалуйста, в соц.сетях, воспользовавшись кнопками внизу страницы!

Заходите на мой канал в YouTube и в группы «Телемастерская» в Одноклассниках и «Самоделкин» ВКонтакте!

Всем успехов!

 

viktorkorolev.ru

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

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

 

1. Вступление
2. Амплитуда, частота, период
3. Как измерить частоту
4. Как измерить, оценить сдвиг фаз

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

Вступление

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

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

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

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

 

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

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

Виды сигналов

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

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

Амплитуда, частота, период

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

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

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

mp16.ru

Измерения в цифровых осциллографах и обработка результатов измерения

Измерения в цифровых осциллографах и обработка результатов измерения

Автор:  Дедюхин А.А.
Дата публикации:  22.11.2006 Измерения в цифровых осциллографах и обработка результатов измерения

А.А. Дедюхин, АО «ПриСТ»

Современные цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО), построенные на базе открытой платформы дают возможность пользователю визуально наблюдать исследуемый сигнал, зачастую достаточно сложной формы. Использование длинной памяти, расширенных режимов синхронизации и сегментированной развертки позволяют инженеру фиксировать различные артефакты во входном сигнале или  же наоборот «отлавливать» полезные сигналы, имеющие определенные параметры. Эти возможности в том или ином виде присутствуют практически в любом современном цифровом осциллографе.

Но исключительная полезность цифрового осциллографа определяется не только его способностью визуально отображать форму входного сигнала, но и производить различного рода измерения, что, в общем, и классифицирует осциллограф как «средство измерения».

Большинство ЦЗО способно производить измерения достаточно большого типа параметров, так например, осциллографы серии WaveRunner производства компании LeCroy способен производить измерения до 40 параметров сигнала, с одновременной индикацией 8 результатов измерений в штатном режиме, а при инсталляции дополнительных опций осциллографы LeCroy старших серий способны приводить измерения до 170 различных параметров. Это широкий набор различных амплитудно-временных измерений вполне достаточных для удовлетворения потребностей широкого круга пользователей. Список измерений доступных для осциллографов LeCroy

приведен в Приложении 1.

В основе всех видов измерений современного осциллографа лежат два вида измерений – это амплитудные и временные. Так же цифровые осциллографы способны осуществлять безразмерные виды измерений, например подсчет числа целых периодов сигнала, числа точек дискретизации, числа пиков гистограммы и пр.    Амплитудные измерения предназначены для измерений параметров амплитуды входного сигнала (или же результатов математической обработки) – это такие как, непосредственно, амплитуда, нижнее значение, верхнее значение, пиков значение, выбросы, среднеквадратическое значение и многие другие.

Временные измерения предназначены для измерений параметров сигнала нормированных по времени – это частота, период, длительность, фазовые сдвиги, время нарастания и спада, параметры джиттера и многие другие. Так же современные ЦЗО имеют некоторые производные виды измерений от  амплитуды и времени, например измерение площади сигнала, что применительно к импульсному сигналу определяет его энергию, измерение числа периодов сигнала на заданном участке или измерение числа точек дискретизации образующих форму сигнала на всем экране или на заданном участке. В ЦЗО так же присутствуют специализированные виды измерений, предназначенные для измерения параметров специфических устройств или режимов, например измерение параметров мощности электрического сигнала, измерение параметров систем последовательной передачи данных, измерение параметров дисковых или оптических приводов, измерения джиттера и многие другие. Но и даже эти  специализированные виды измерений базируются на основных результатах измерения амплитудно-временных параметров сигнала.

Измерения амплитудных параметров

Погрешность измерения амплитудных параметров определяется тем, что в большинстве современных ЦЗО используются 8-и битные АЦП, что дает теоретическую относительную погрешность измерения

,

с учетом нелинейности входных усилителей, нелинейности АЦП, температурного дрейфа, погрешности коэффициента усиления входных усилителей и т.д., погрешность измерения постоянного напряжения составляет порядка 3 % , а погрешность дифференциальных измерений напряжения (читай как амплитуды), составляет порядка 1,5%. Это достаточно большое значение погрешности измерения, учитывая тот факт, что средний вольтметр обеспечивает погрешность измерения постоянного напряжения около 0,025%. Но принимая во внимание, что осциллограф, первично, это визуальный прибор и то, что линейность АЧХ большинства современных осциллографов составляет порядка 0,7 от значения  полосы пропускания, а полоса пропускания современного ЦЗО может достигать 18 ГГц (LeCroy SDA 18000), то очевидно, что даже на частотах около 1000 МГц, ЦЗО составляет конкуренцию вольтметрам переменного тока или измерителями мощности имеющим погрешность порядка 3%. А принимая во внимание тот факт, что осциллограф способен производить измерения среднеквадратического значения напряжения сигнала любой формы, а ВЧ вольтметры переменного тока только сигнала синусоидальной формы, то преимущества осциллографа при измерении амплитудных параметров сигнала становятся очевидными.

Так на рисунке 1 приведена осциллограмма синусоидального сигнала частотой 350 МГц и уровнем 1 Вольт полученная с экрана осциллографа LeCroy WaveRunner WR-6051A с полосой пропускания 500 МГц. Измерения СКО (окно измерения Р1) индицирует значение 970 мВ. Погрешность измерения амплитуды в данном случае  составляет 3%.

Рисунок 1 (здесь и далее щелчок по изображению — увеличение)

Для того, что бы пользователь не воспринимал осциллограф,  в режиме измерения как вещь саму в себе или же наоборот четко представлял какие параметры и какой алгоритм измерения используется в данный момент, компания LeCroy в своих осциллографах при включении измерений сопровождает осциллограмму, на которой производятся измерения, автоматическими маркерами помощи. Так на рисунке 1 при измерении циклического СКЗ, виды маркеры, выделяющие полный цикл (полное число периодов) измеряемого сигнала. Но сигнал представленный на рисунке 1 достаточно простой. На рисунке 2 приведена осциллограмма одиночного радиоимпульса в режиме измерения циклического СКЗ, видны области измерения СКЗ и результат измерения  – 355 мВ.

Рисунок 2

Если же для данного сигнал применить алгоритм полного измерения СКЗ, то результат измерения будет абсолютно другой. Так на рисунке 3 изображена осциллограмма измерения полного СКЗ,  результат измерения составляет 182 мВ.  

Рисунок 3

Напомним,  что среднеквадратическое значение сигнала переменного тока эквивалентно значению постоянного напряжения, способного выделять такое же значение тепла на нагрузке, как и исходный сигнал переменного тока. Очевидно, что для режима измерения циклического СКЗ, расчет значения напряжения производится только на полезной части сигнал, обладающей энергией и  способной производить работу (в том числе выделять тепло). Для полного СКЗ в расчет принимаются и участки сигнала, имеющие нулевое значение амплитуды, и не способные совершать работу, что уменьшает значение СКЗ с 355 мВ до 182 мВ. Это становится наиболее очевидным и наглядным именно при использовании осциллографов способных дать инженеру подсказку в виде маркеров, которые кроме всего прочего индицируют в виде горизонтальной зоны значение СКЗ, именно  в виде эквивалентного постоянного напряжения.

Ранее уже отмечалось, что любой средний вольтметр способен производить измерения амплитуды гораздо более точно, чем цифровой осциллограф. Но это справедливо только для измерения постоянного напряжения или НЧ напряжения переменного тока синусоидальной формы. При измерении СКЗ сигналов сложной формы погрешность измерения вольтметра увеличивается исходя их коэффициента формы сигнала. Для стандартных сигналов, коэффициент формы можно учесть при определении дополнительной погрешности измерения напряжения и погрешность может возрастать в десятки раз, так, например, для вольтметра Agilent Technologies 34401 при измерении импульсных сигналов погрешность измерения напряжения может составлять 46%.  Для сигналов непредсказуемой формы коэффициент формы учесть невозможно, поэтому и погрешность измерения напряжения становится неопределенной. Цифровой осциллограф производит математическое вычисление среднеквадратического значения формы сигнала из массива данных, полученных в процессе сбора информации, по формуле:

,

где X1 ;X2 ; X3 ….. Xn  отсчеты амплитуды полученные в результате дискретизации входного сигнала, а n –  число отсчетов,  и такой алгоритм измерения СКЗ не требует никаких дополнительных поправочных коэффициентов. Для однократных и редких сигналов цифровой осциллограф остается единственным средством измерения СКЗ, да и других амплитудных параметров сигнала тоже. А принимая во внимание тот факт, что осциллограф при измерении СКЗ производит «полное» измерение сигнала, имея ввиду одновременное измерение как постоянной составляющей DC, так и переменной составляющей AC, а большинство вольтметров производит измерения отдельно DC  и AC, и лишь за редким исключением некоторые типы вольтметров способны производить измерения  DC +AC, то становится очевидным, что возможности амплитудных измерений ЦЗО дают пользователю значительные преимущества по отношению к универсальным вольтметрам.

Как ни странно, но даже среди опытных инженеров существует мнение, что цифровой осциллограф производит измерение напряжения по одному периоду периодического сигнала, но как видно из выкладок выше, это не соответствует действительности. Для определения различных амплитудных параметров сигнала, измерения производятся по всему массиву данных составляющих форму сигнала, но в силу особенности измерения амплитудных параметров, осциллограф действительно может выдать только один результат измерения за один проход развертки, поскольку именно это и является циклом измерения. Так на рисунке 4 приведен пример измерения пикового значения напряжения. Пиковое значение — это разность межу минимальным и максимальным значениями формы сигнала на одной развертке. Очевидно, что вычисления этого параметра прежде всего необходимо определить как минимальное так и максимальное значение на всей форме сигнала, а для этого опять же необходим анализ всего массива данных точек образующих форму сигнала.

Рисунок 4

Очевидно, что для обеспечения достоверных и быстрых измерения при большом массиве данных, осциллограф должен обладать достаточным быстродействием для обеспечения необходимых вычислений. И в этой ситуации не все осциллографы ведут себя одинаково. Так, например, осциллограф LeCroy, осциллограммы которого приведены выше, при длине памяти 10 М при отсутствии измерений обеспечивает время сбора осциллограмм 210 мс, при включении одного измерения время сбора осциллограммы увеличивается до 340 мс, а при включении четырех одновременных измерений увеличивается до 430 мс. То есть при включении четырех измерений время сбора осциллограмм увеличивается в 2,04 раза. Если же аналогичные режимы измерений произвести используя осциллограф Tektronix DPO-4034, то результата получаются следующие – при отсутствии измерений время сбора осциллограмм составляет 170 мс, при включении одного измерения время сбора осциллограммы увеличивается до 16 секунд, а при включении одновременно четырех измерений — увеличивается до 40 секунд. То есть при включении четырех измерений время сбора осциллограмм у осциллографа Tektronix DPO-4034  увеличивается в 235  раз…         
Современные профессиональные осциллографы, например LeCroy, в штатной комплектации (т.е. без дополнительных опций) могут обеспечить возможность измерения 11 амплитудных параметров, подробный перечень параметров приведен в [2].

Важной особенность обеспечения измерений является возможность проведения измерения в выделенной области. В этом случае измерения параметров производятся не по всему массиву данных осциллограммы, а только в пределах указанной области. Большинство же пользователей привыкло, что измерения с использованием ЦЗО нужно производить для простого периодического сигнала по всей осциллограмме, что присутствует на экране ЦЗО и только в этом случае результат измерения будет достоверным. На рисунке 5 проведен наглядный пример сложного сигнала, представляющего собой прямоугольный сигнал с модулированными базой и верхом. На первый взгляд автоматические измерения амплитудных параметров такого сигнала должно вызвать сложности у пользователя, но только не у пользователей осциллографов LeCroy.

Рисунок 5

Для измерения некоторых  амплитудных параметров модулирующего сигнал задействуем измерения Р1, Р2 и Р3.  Для измерения СКЗ модулирующего сигнала базы (измерения Р1) выделяется только часть модулирующего  сигнал базы. Результат составляет 147 мВ. Для измерения СКЗ модулирующего сигнала верха (измерения Р2) выделяется только часть модулирующего  сигнал верха. Результат составляет 1,01 В. Для измерения пикового значения модулирующего сигнала верха (измерения Р3) выделяется только часть модулирующего  сигнал верха. Результат составляет 482 мВ. Измерения Р4 и Р5 обеспечивают измерения амплитудных параметров основного прямоугольного сигнала  — уровня верха и уровня базы и эти измерения производятся без выделения области.

Таким образом, обеспечивая возможность одновременного измерения до 8 параметров сигнала, осциллографы LeCroy так же обеспечивают возможность измерения в 8 различных областях этого сигнала. Справедливости ради отметим, что и другие осциллографы, например Tektronix DPO-7000 или DPO-4000, так же дают возможность измерения параметров в выделенной области, но для всех измерения (DPO-7000 это 8 измерения, а для DPO-4000 это 4 измерения) существует всего одна выделенная область, что существенного ограничивает возможности измерения сложных сигналов.

Измерения временных параметров

Измерения временных параметров – это набор наиболее расширенных и точных видов измерений цифрового осциллографа. Так уже сложилось, что при анализе сигнала по временной оси существует наибольший набор параметров, в штатной комплектации осциллографы  LeCroy способны обеспечить до 69 видов измерения, а при инсталляции дополнительных опций общее число всех видов измерений может достигать 180. Основными отличиями цифровых осциллографов по отношению к традиционным аналоговым осциллографам при измерении временных интервалов являются:

1. Цифровой осциллограф обеспечивает автоматическое измерение временных параметров (не стоит забывать и про автоматическое измерение амплитудных параметров), аналоговый осциллограф обеспечивает измерения временных интервалов, используя деления временной шкалы на экране.
2. Цифровой осциллограф обеспечивает погрешность измерения временных до 0,0001%, а лучшие экземпляры аналоговых осциллографов имеют погрешность измерения всего 1,5%.

Погрешность измерения временных параметров (ΔT) цифрового осциллографа определяется погрешностью опорного генератора, частотой дискретизации и собственным джиттером, что может быть выражено формулой:

 (1) , где

T_оп – погрешность установки частоты опорного генератора;
F_д – частота дискретизации;
T_дж – собственный джиттер осциллографа.

Современные технологии электронных элементов дают возможность применения в осциллографах опорных генераторов с погрешностью установки до 10-6 в год (или 1 ppm), частота дискретизации для наиболее массовых моделей ЦЗО составляет 5 ГГц  или 10 ГГц, собственный джиттер современного осциллографа удается снизить до значений 3 пс (хотя есть «уникальные» модели ЦЗО, например DPO-4000 серии, имеющие джиттер 400 пс). Из этих выкладок следует, что наиболее существенным при определении погрешности измерения временных интервалов как раз и является погрешность установки частоты опорного генератора.

Но на этом и заканчивается идентичность подходов при измерения  временных интервалов различных производителей цифровых осциллографов. Разные производители при измерении временных интервалов накладывают дополнительные требования для достижения декларируемой погрешности измерения. Так, например, компания  Tektronix для своих осциллографов серии TDS-5000B для обеспечения погрешности указанной в формуле (1), дополнительно требует:

1. Обеспечить амплитуду сигнала не менее 5 делений;
2. Должен быть установлен режим сбора информации «усреднение», с числом усреднений не менее 100;
3. Результат измерения определяется как среднее из массива данных при накоплении 1000 результатов измерения частоты. Это требование в общем, тоже понятно, поскольку классический частотомер, при измерении частоты имеет такой параметр как «время счета», за это время происходит определение среднего значения частоты за весь период измерения, и чем больше время счета, тем более точный результат можно получить. Поскольку осциллограф не имеет времени счета при измерении частоты, то эквивалентом этого параметра является накопление статистики измерения частоты.

Но и это еще не все, различные производители ЦЗО использую различные алгоритмы измерения временных интервалов. Большинство производителей, например Tektronix или Agilent Technologies, используют алгоритм измерения частоты по одному периоду сигнала, находящегося сразу после точки запуска развертки или по первому целому периоду сигнала в левой части экрана. При таком алгоритме измерения, первое, что приносится в жертву время измерения – оно бесспорно увеличивается. Так, практические измерения показывают, что для упомянутого выше осциллографа Tektronix серии TDS-5000B (при длине памяти 2000 точек для минимизации временных затрат на вычислительный процесс), измерение частоты 10 МГц, полученной от рубидиевого стандарта частоты с погрешностью воспроизведения 10-10, время измерения, при выполнении всех требований производителя, составляет 1 минута 23 секунды. Компания LeCroy в своих осциллографах использует алгоритм измерения временного интервала не по одному периоду, а по всем периодам сигнала присутствующим в массиве данных.

Кроме того, компания LeCroy для обеспечения погрешности указанной в формуле (1), дополнительно требует выполнения двух условий:

1. Обеспечить амплитуду сигнала не менее 5 делений;
2. Результат измерения определяется как среднее из массива данных при накоплении 1000 результатов измерения частоты.

 Очевидно, что такой алгоритм измерения обеспечивает следующие преимущества:

1. Значительно повышается скорость измерений;
2. Обеспечивается возможность создания и обработки статистических данных полученных на основе массивов результатов измерений;
3. Возможность получения результатов измерения для динамических сигналов.

Практическое измерение, показывает, что для накопления статистики и получения достоверного результата при измерении частоты 10 МГц, при частоте дискретизации 5 ГГц, необходимо время 100 мс, что в 930 раз меньше, чем требовалось осциллографу Tektronix. Тем более, что за время измерения 1,23 минуты осциллограф Tektronix обеспечил погрешность измерения 27,64 ppm (при допустимой погрешности измерения 15 ppm) смотри рисунок 6 

Рисунок 6

А осциллограф LeCroy WR-6051А, за время измерения 100 мс обеспечил погрешность измерения 1 ppm (при допустимой погрешности измерения 10 ppm) смотри рисунок 7.

Рисунок 7

Практическая ценность измерения временных интервалов по всему числу периодов существующих во входном сигнале, обусловлена не только увеличением скорости измерений, но и увеличением достоверности измерения – очевидно, что если сигнал имеет вандер (медленная флуктуация во времени), то при достаточно большом времени измерения и тем более при использовании функции усреднения, достоверность измерения будет уменьшаться.

Так же совместно совмещение особенности измерения временных интервалов по всей осциллограмме и  режима измерения в выделенной области, дает новые возможности в измерениях сигналов. Так например, на рисунке 8 праведен пример частотно-модулированного сигнала (осциллограмма С1) и модулирующего сигнала (осциллограмма С2). Очевидно, что поскольку модулирующий сигнал имеет вид «ступенька», то и частоты в модулируемом сигнале так же изменяются дискретно.  

Рисунок 8

Включив режим измерения частоты осциллограммы С1 для всех восьми измерений Р1…Р8, с той лишь разницей, что для каждого измерения Р1…Р8 измерения частоты производятся в пределах выделенного окна равного времени одной ступеньки, возможно измерить частоту модулируемого сигнала, соответствующей каждому уровню модулирующего сигнала.

В заключение обзора «простых» режимов измерения хочется особо отметить, что для получения результатов измерения сложных сигналов, иногда не достаточно просто включить тот или иной режим измерения. Комбинирование различных режимов работы цифрового осциллографа, включая математическое операции над сигналом, может оказать существенную пользу при измерении параметров сигнала. Так, например, существует задача измерения временных параметров радиоимпульса – частоты заполнения и периода повторения и длительности импульсов. Если для измерения частоты заполнения, можно использовать методы, описанные выше, то автоматическое измерение периода повторения и длительности радиоимпульсов может вызвать затруднение. Для решения этой задачи необходимо выделить огибающую радиоимпульса и измерить период повторения и длительность. Огибающую радиоимпульса можно выделить используя математическую функцию «прореживание».

Так на рисунке 9 приведен пример радиоимпульса представляющего собой пакет синусоидальных колебаний частотой 1 МГц и периодом повторения 1,543 мс, каждый пакте содержит 428 колебаний частоты 1 МГц.

Рисунок 9

• Осциллограмма С1 – осциллограмма исходного сигнала.
• Осциллограмма Z1 – растяжка одного пакта исходного сигнала.
• Осциллограмма F1 – результат математической обработки функции «прореживание».

Из исходной осциллограммы С1 можно получить следующие результаты:

1. Измерение частоты сигнала заполнения. Измерение производится по всему экрану и результат представлен в окне Р1 – 1,0000062 МГц
2. Числа периодов сигнала в одном пакете  — для этого используется измерение в выделенном окне (кра

prist.ru

Измерения с помощью осциллографа

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

(5.9)

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 Y₁, 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 [9].

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

(5.10)

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 f₀ 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/f₀, 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/f₀.

Если напряжение измеряемой частоты f_X подано на вход Y осциллографа, а напряжение известной частоты f₀ – на вход Х, получим соотношение

(5.11)

из которого может быть определено значение частоты f_X.

Рис. 5.13

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 [5]. Этот метод, целесообразно применять только при относительно небольшой кратности измеряемой и известной частоты, обычно не превышающей 6–8.

Рис. 5.14

В случае большой разницы измеряемой и образцовой частот можно использовать круговую развертку. Она создается напряжением образцовой частоты f₀, 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:

(5.12)

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 U₁ и U₂ подаваемых на вход А и выход В (рис. 5.9). Из рис. Рис. 5 .15а видно, что в этом случае

(5.13)

Если, кроме того, амплитуды U₁ и U₂ равны, то

(5.14)

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 U₁ опережает напряжение U₂ по фазе на  > 0, так как сигнал U₁ достигает своего максимума раньше, чем сигнал U₂ (сигнал U₁ также достигает своего минимума раньше, чем сигнал U₂).

а	б
Рис. 5.15

Сдвиг фаз можно определить и по интервалу Т₁, но если во время проведения измерений один сигнал, например U₂, на экране осциллографа будет несколько смещен по вертикали вниз, как показано на рис. Рис. 5 .15б, то измерение сдвига фаз по временному сдвигу Т₁ оказывается неверным. Это становится очевидным, если учесть, что Т₁ оказывается не равен временному сдвигу между этими же сигналами, отсекаемому горизонтальной прямой, справа от Т₁.

Измерение сдвига фаз может быть осуществлено и на однолучевом осциллографе методом эллипса. Эллипс является частным случаем фигуры Лиссажу при f₁ = f₂. Пусть на горизонтально и вертикально отклоняющие пластины поданы напряжения U_x = U₀sint и U_y = U₀sin(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.

φ = 0о		φ = 45о		φ = 90о		φ = 135		φ = 180о
	φ = 225о		φ = 270о		φ = 315о		φ = 360о
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

(5.15)

Рис. 5.17

При определении  нужно учесть направление наклона эллипса. Погрешность метода резко возрастает при углах, близких 90, когда размеры Y₁ и Y₂ (X₁ и X₂) 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 [13].

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 U₁ как опорным. В этом случае измеряется угловое положение светящейся полуокружности, создаваемой напряжением U₂ при подаче его на вход канала Z ЭЛТ.

studfile.net

Аналоговый осциллограф | Практическая электроника

Что такое осциллограф

Осциллограф – прибор, используемый  для наблюдения формы сигнала напряжения во времени. Выглядеть он может примерно вот так:

Здесь мы видим экран, на котором отображается сигнал. Форма сигнала на осциллографе называется осциллограммой.

Ниже на картинке можно увидеть щуп для осциллографа.

Если у мультиметра щуп состоит из простого провода, то щуп осциллографа состоит кабеля. А в кабеле два провода-щупа, которые в конце разветвляются. Этот кабель способен измерять высокочастотные напряжения без помех. Пипочка посередине – это сигнальный щуп, а экран – это щуп масса или земля. Электронщики по разному его называют, но я привык так. На конце щупа зажим белый крокодильчик – это земля, а сигнальный – с иголочкой.

Подключаем кабель в разъем. На моем осциллографе имеется два разъема. В моем случае осциллограф двухканальный. На некоторых крутых осциллографах можно увидеть даже по 4 и более каналов.

Бывает ситуация, когда надо определить сигнальный провод, для этого берем один из проводов, касаемся пальцем и смотрим на дисплей осциллографа. Если сигнал не исказился – это земля. Если исказился – это сигнальный. На фото ниже  пример  определения сигнального провода.

Как пользоваться осциллографом

Осциллографом мы можем измерять  только форму напряжения, силу тока измерять напрямую не можем! Если только косвенно, используя шунт. Для того, чтобы измерить величину напряжения постоянного тока, нам понадобится источник постоянного напряжения. Это может быть простая батарейка или блок питания. В моем случае – это Блок питания.  Для наглядности выставляем 1 Вольт.

Единица измерения осциллографа – сторона квадратика на дисплее. Для того, чтобы измерять в масштабе 1:1, мы ставим щелкунчик по У на 1.

Цепляемся землей на “минус” блока питания, сигнальным  на “плюс” блока питания. Видим  такую картину:

Линия сдвинулась вверх на 1 квадратик. Это значит, что во  времени сигнал с блока питания все время 1 Вольт.

А как же измерить сигналы, которые скажем 100 Вольт? Для этого и придуман щелкунчик  по У :-). Оставляем на блоке питания 1 Вольт и  щелкаем на риску “2”.

Что это значит? Это значит, что полученный сигнал на дисплее надо умножить на 2. 

А вот и сигнал

На осциллограмме мы видим значение по У=0,5. Умножаем это значение на то, которое на риске осциллографа и получаем искомое значение. То есть 2х0,5=1 Вольт.

А вот такой будет сигнал, если мы поставим щелкунчик на 5.

 5х0,2=1 Вольт.

Если же прикладываем щупы наоборот, то ничего страшного не происходит.  Например, выставляем 2 Вольта на блоке питания. Земля осциллографа к “плюсу” блока, а сигнальный к “минусу” блока  – то есть все подцеплено наоборот. Линия у нас просто ушла  вниз, но от этого ничего не меняется. 2 Вольта как есть , так и осталось.

А вот для практики, как я уже говорил, требуется знать форму сигнала. В электронике используются на 90 % периодические сигналы. Это значит, что они повторяются через какой-то промежуток времени. Очень часто нужно узнать период и частоту переменного сигнала. Для этого и используется наш электронно-лучевой приборчик.

Для того, чтобы не спалить осциллограф, я взял трансформатор. Благодаря понижающему трансформатору, на выходе у меня амплитуда напряжения (это значит от нуля и до самого верхнего или нижнего пика) в пределах 1,5 Вольта, а заходит на первичную обмотку напряжение  220 Вольт.

Цепляемся ко вторичной обмотке трансформатора  щупами осциллографа и выводим показания на дисплей.

В идеале нам должна доставляться в розетки чистая синусоида. Россия, что же еще сказать))). Ну и ладно. Думаю в  ваших  дом в розетку идет  синусоида  почище моей :-).

Период и частота сигнала

В периодическом сигнале нам важны такие параметры, как частота сигнала и его форма. Поэтому, чтобы определить частоту, мы должны знать период. T – период, V – частота. Они взаимосвязаны между собой формулами:

Определим период сигнала. Период –  это время, через которое сигнал опять повторяется.

Считаем стороны квадратиков  по Х. Я насчитал 4 стороны квадратика.

Далее смотрим на крутилку, по Х, которая у нас отвечает за временную развертку. Риска стоит на 5. Сверху написана цена этого деления  – msec/div . То есть получается 5 миллисекунд на одну сторону квадратика.

Милли – это тысяча. Следовательно 0,005 сек. Это значение умножаем на наши сосчитанные стороны квадратов. 0,005х4=0,02. То есть один период у нас длится 0,02 сек или 20 миллисекунд. Зная период, находим по формуле выше частоту сигнала. V= 1/0,02=50 Гц. Частота напряжения в нашей розетке 50 Гц, что и требовалось доказать.

В настоящее время я себе купил уже цифровой осциллограф

Подробнее про цифровой осциллограф вы можете прочитать по этой ссылке.

www.ruselectronic.com

что это, какие бывают, что измеряют, как пользоваться

Чтобы отремонтировать современную электронную технику одного мультиметра порой недостаточно. Им можно определить целостность радиодеталей. Но определить работает или нет микросхема мультиметром не получится. Для этого нужен осциллограф. Что это за прибор, что он делает? Об этом и будет статья.

Содержание статьи

Что такое осциллограф

Осциллограф — это прибор для визуального отображения и измерений параметров сигналов различной формы (процесс называется «осциллографирование»). Сигналы подаются на вход и отображаются на экране. Экран разбит на квадраты, по центру проходят две оси координат.  По горизонтали измеряется время. По вертикали — амплитуда и/или напряжение. Цена деления задается при помощи ручек калибровки. Режим отображения подстраивается под каждый сигнал. Выбирается такой режим, который наиболее удобен в данном случае (в пределах возможностей прибора).

Осциллограф — это не обязательно большая, громоздкая вещь. Есть портативные цифровые модели, есть приставки. Есть даже программы, которые можно с адаптером установить на стационарный компьютер или ноутбук.

Так выглядит цифровой осциллограф Tektronix DPO 3054. На дисплее отображает сигнал, регуляторами выбираются параметры

По количеству одновременно отслеживаемых сигналов осциллографы есть однолучевые (одноканальные/моноканальные) и многолучевые (многоканальные). Однолучевые могут одновременно принимать только один сигнал, многолучевые — два, три, четыре и больше — до 16. Зависит от прибора.

Какой тип лучше? Многолучевой. Вы одновременно можете отслеживать сигнал в нескольких точках схемы. Изменяя параметры будете видеть реакцию устройства не только на выходе, но и в разных точках схемы.

Для чего он нужен

Для чего нужен осциллограф? Это просто необходимая вещь при ремонте электронной аппаратуры, при самостоятельной сборке или усовершенствовании каких-либо устройств. Многим хватает тестера или мультиметра. Да. Но для ремонта простых устройств без микросхем и микропроцессоров. Мультиметром вы можете проверить наличие обрыва, короткого замыкания, измерить напряжение и ток. Ни форму сигнала, ни конкретные параметры синусоиды или импульсов не измерить и не увидеть.

Осциллограф нужен для измерения напряжения и визуального отображения сигналов. На фото цифровой двухканальный осциллограф Hantek DSO5102B в рабочем режиме

А ведь бывает так, что все детали, вроде исправны, но устройство не работает. А все потому что некоторые детали требовательны не только к физическим параметрам питания (напряжение, сила тока), но и к форме сигнала. Этим «страдают» некоторые полупроводниковые детали, практически все микросхемы и процессоры. А без них сейчас обходятся только самые элементарные приборы типа кипятильника. Вот и получается, что найти сгоревший резистор, пробитый транзистор можно и мультиметром. Но для чуть более сложную поломку уже не устранить. Вот для этих случаев и нужен осциллограф. Он позволяет видеть форму сигнала, определять есть ли отклонения и находить источник проблемы.

Виды осциллографов

По принципу преобразования сигнала осциллографы бывают аналоговыми и цифровыми. Есть еще смешанный тип — аналогово-цифровой. Принципиальная разница между ними — в методах обработки сигналов и в возможности запоминания. Аналоговые модели транслируют «живой» сигнал в режиме реального времени. Записывать его на таком приборе нет возможности.

Аналогово-цифровые и цифровые уже имеют возможность записи. На них можно «открутить» время назад и просмотреть информацию, увидеть динамику изменения амплитуды или времени.

Еще одно отличие цифровых осциллографов от аналоговых — размеры. Цифровые приборы имеют значительно меньшие габариты

Цифровые осциллографы сначала оцифровывают синусоиду, записывают эту информацию в запоминающее устройство (ЗУ), а затем передают на экран монитора. Но не все цифровые модели имеют долговременную память — в таком случае запись ведется циклически. Это когда вновь пришедший сигнал записывается поверх предыдущего. В памяти хранится то, что появлялось на экране, но промежуток времени не такой большой. Если вам необходима запись длиной пять-десять минут, нужен запоминающий осциллограф.

Что измеряет осциллограф

На экране осциллографа отображается двухмерная картинка сигнала, который подали на измерительный вход. На экране есть две оси координат. Горизонтальная — ось времени, вертикальная — напряжение. Эти параметры и измеряют. А уже из них высчитывают остальные.

На экране осциллографа отображаются сигналы, которые подаются на его входы. Это например, двухлучевой аналоговый осциллограф, который показывает форму сигнала на входе (синусоида) и выходе (прямоугольный) импульсного преобразователя напряжения

Вот что можно измерить и отследить при помощи осциллографа:

• Напряжение (амплитуду).
• Временные параметры, по которым можно рассчитать частоту.
• Отслеживать сдвиг фаз.
• Видеть искажения, которые вносит элемент или участок цепи.
• Определить постоянную и временную составляющие сигнала.
• Увидеть наличие шума.
• Рассчитать соотношение сигнал/шум.
• Видеть/определить параметры импульсов.

Сигнал, который показывает осциллограф, довольно информативен. Видны искажения, которые вносит та или иная деталь, можно отследить, как меняется форма/амплитуда/частота в каждой точке схемы, после каждой детали.

Кроме наблюдения за формой сигнала, осциллограф можно использовать для определения целостности сопротивлений, конденсаторов, катушек индуктивности (см. видео ниже).

Устройство и принцип работы

Рассмотрим блок-схему и алгоритм работы аналогового осциллографа. Как уже говорили, изменять изображения можно по горизонтали и по вертикали. Приборы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) для этого имеют две пары пластин. Одна пара для изменения масштаба по вертикали (амплитуда или напряжение). Вторая — для растягивания или сжатия по горизонтали (временные параметры).

Устройство аналогового осциллографа: блок-схема

Отслеживаемый сигнал подается на входной усилитель, где усиливается или уменьшается до заданных значений. Значение задается переключателями. Коэффициент усиления обычно от 100 до 1000. Усиленный сигнал идет на пластины вертикальной развертки электронно-лучевой трубки.

Горизонтальная развертка формируется на основе пилообразного сигнала, который генерируется в соответствующем блоке (генератор развертки). Его параметры также задаются соответствующим переключателем. Отображение на экране ЭЛТ идет в режиме реального времени, с некоторой задержкой. Величина задержки прописывается в технических характеристиках прибора.

Основные блоки аналогового осциллографа

Для работы осциллографа важен блок синхронизации. Он обеспечивает появление картинки в момент поступления потенциала на вход. За счет этого на экране мы видим сигнал за некоторый промежуток времени. Есть разные типы синхронизации. Они выбираются переключателем. Чаще всего выбирают синхронизацию от самого исследуемого сигнала. Есть еще от сети и внешнего источника.

Режимы работы осциллографа

Осциллографом исследуют различные типы сигналов. Они могут быть постоянными (напряжение в сети), периодическими (шумы, помехи, звуки и т.д.). Периодические могут возникать случайно или с определенным интервалом. В зависимости от того, как часто или редко возникает сигнал, выбирают тот или иной режим работы.  Чаще всего в осциллографе есть два режима: автоматический (автоколебательный) и ждущий. Еще может быть однократный.

Выбор режима работы осциллографа

Если мы не знаем, как часто возникают импульсы, выбирают обычно автоматический режим. В нем даже при отсутствии потенциала на входе или при его недостаточном уровне экран светится. Отображается «нулевой» сигнал — прямая линия, которая должна идти по горизонтальной оси на экране (выставляется по линии регуляторами со стрелочками). При появлении потенциала на входе, он отображается на экране. Картинка при этом периодически обновляется и мы видим развертку сигнала по времени.

Так выглядит экран осциллографа в автоколебательном (авторежиме) при отсутствии сигнала

Ждущий режим хорош для редко появляющихся сигналах. Пока на входе ничего нет, экран не светится. При появлении каких-либо изменений он загорается, запускается генератор развертки и сигнал отображается на экране. Запуск можно настроить как по восходящему фронту импульса/синусоиды, так и по нисходящему. Можно настроить запуск не на исследуемый сигнал, а на то событие, которое ему предшествует (если такое есть).

Одиночный режим настраивает осциллограф на принятие одного сигнала. Когда на вход приходит потенциал нужного уровня, сигнал отображается на экране. После этого прибор переходит в неактивное состояние. И, даже если на входе будет следующий потенциал (или пять, или сто пять) он его не зарегистрирует. Для приема другого импульса нужно заново «взвести» прибор.

Делитель (аттенюатор)

Исследуемый сигнал может иметь напряжение от десятых долей до сотен вольт. Есть осциллографы со встроенным регулятором чувствительности — аттенюатором. Выглядит он как переключатель с градуировкой. Она задает «вес» одного деления на экране и определяет, во сколько раз понижается входной сигнал. Если ожидается малый уровень, мы просто выставляем на 1 или на 0,1. В таком случае одно деление на экране по вертикали будет 1 В и 0,1 В соответственно. И «понижать» сигнал будут в 1 раз (то есть, передадут как есть) или усилят в 10 раз перед подачей на вход (это если стоит 0,1).

Не все осциллографы имеют встроенный делитель (аттенюатор). В комплекте с таким прибором  идут внешние делители на 1:10 или 1:100. Это прямоугольные или цилиндрические насадки с разъемами с обоих сторон. Они устанавливаются во входной разъем и через них подается напряжение на вход, но уже пониженное в соответствующее количество раз.

Примерно так выглядит делитель. Он устанавливается во входное гнездо, а к нему уже подключается измерительный шнур

Ставить делитель необязательно. Необходимость определяется по ожидаемому уровню сигнала. В характеристиках указывается максимальное входное напряжение, которое может подаваться на прибор без делителя и с делителем. По уровню ожидаемого сигнала и ставим насадку.

Если уровень неизвестен, сначала выставляют самый большой делитель (или самое большое деление на аттенюаторе). Это предохранит прибор от перегорания если потенциал будет высоким. По результатам первого замера выбирается оптимальный режим.

Особенности цифровых моделей

Цифровой осциллограф работает иначе — аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму. В таком виде он записывается в ЗУ и передается на монитор, где из цифрового формата переводится снова в аналоговую форму. Отображение на экране начинается только в тот момент, когда уровень на входе превысит определенное значение (задается настройками).

Периодичность смены картинки зависит от выбранного режима работы: автоматический, одиночный и обычный. Обычный — это аналог ждущего.

Упрощенная блок-схема цифрового осциллографа

Чем лучше цифровые модели? Во-первых, такое преобразование делает изображение более стабильным. Во-вторых, проще увеличивать и уменьшать масштаб. В-третьих, есть возможность записи. Ну, и габариты. Самый небольшой аналоговый осциллограф — С1-94 — имеет размеры 100*190*300 мм и вес 3,5 кг. А цифровые при размерах 100*50-60*13-20 мм имеют вес порядка 150-300 граммов. И это вместе с аккумуляторами.

Как работать с осциллографом

Первоначально выставляются режим работы осциллографа (автоколебательный, ждущий или одиночный). Затем выбирается режим аттенюатора или устанавливается соответствующий делитель напряжения.
Это касается аналоговых приборов. Цифровые на входе анализируют сигнал и понижает/повышает его до необходимого уровня. В них на входе стоит аналитический блок, который сам понижает или повышает входной сигнал до требуемого уровня.

Подключение осциллографа

В комплекте с осциллографом идет измерительный шнур или шнуры. Их количество зависит от числа входных каналов конкретной модели. Если канал один, то и шнур один. Может быть два, три и до шестнадцати. Подключать надо столько, сколько собираетесь использовать.

Шнуры для осциллографа трудно спутать с другими. Один конец — со щупом и ответвлением. Это «измерительная» сторона. С другой находится характерный круглый разъем. Эта часть подключается к измерительному входу.

Провод, который идет в сторону от щупа — для подключения к «земле». Он часто бывает снабжен прищепкой или «крокодилом». Его подключать обязательно, вольтаж может быть разный и заземление необходимо.

Измерительные шнуры для осциллографа

Некоторые шнуры для осциллографа имеют на рукоятке переключатель, который работает как небольшой усилитель (на фото справа).

После подключения измерительных шнуров включаем прибор в сеть. Затем, перед работой, переводим в рабочее положение тумблер/кнопку включения прибора. Можно считать что осциллограф готов к работе.

Проверка осциллографа перед работой

Перед началом работы надо проверить осциллограф. Включаем его в сеть, устанавливаем измерительный шнур. К щупу прикасаемся пальцем, на экране появляется синусоида частотой 50 Гц — наводки от бытовой электросети.

Если пальцем прикоснуться к измерительному щупу, на экране появится синусоидальной формы сигнал. Синусоида неидеальна, но если она есть и ее частота 50 Гц, это значит, что осциллограф исправен

Затем берем земляной щуп и прикасаемся им к измерительному (палец продолжаем держать на острие щупа). Сигнал пропадает (отображается прямая). Это значит, что прибор исправен.

Как измерить осциллографом напряжение: переменное, меандра, постоянное

Как уже говорили, напряжение на экране осциллографа отображается по вертикали. Весь экран разбит на квадраты. Цена деления по вертикали выставляется переключателем, который подписан «V/дел». Что и обозначает, Вольт на одно деление. Перед подачей сигнала выставляем луч точно по горизонтальной оси — это важно.

Подаем сигнал и считаем, на сколько клеточек от нулевого уровня поднимается или опускается сигнал. Затем умножаем количество клеток на «цену деления», взятую с регулятора. В результате получаем напряжение сигнала. В случае с синусоидой или меандром (положительные и отрицательные прямоугольные импульсы) считается напряжение полуволны — верхней или нижней.

Измерение напряжения осциллографом

Чтобы было понятнее, разберем пример. На фото есть сигнал, полуволна которого понимается и опускается на три клеточки. Цена деления на регуляторе — 5 В. Имеем: 3 дел * 5 V/дел  = 15 V. Получается, данный сигнал имеет напряжение 15 вольт.

Если надо измерить постоянное напряжение, снова выставляем луч по горизонтали. Подаем напряжение и смотрим, на сколько клеток «подпрыгнул» или опустился луч. Дальше все точно так же: умножаем на цену деления и получаем значение постоянного напряжения.

Как осциллографом определить частоту

Частота определяется как 1/T, где Т — период сигнала. А период — это время, за которое сигнал проходит полный цикл. Для сигнала на экране это 5,7 клетки. Считаем от места пересечения с горизонтальной осью и до второй аналогичной точки.

Как определить частоту сигнала по осциллографу

Далее определяем частоту деления по переключателю развертки. Положение переключателя стоит на 50 миллисекунд. Берем количество делений и умножаем на количество клеток. Получаем 50 мс * 5,7 = 285 мс. Переводим в секунды. Для этого надо разделить на 1000. Получаем 0,285 сек. Считаем частоту: 1/0,285 = 3,5 Гц

Полоса пропускания осциллографа: что это и на что влияет

При выборе осциллографа смотрят на следующие параметры:

• Полоса пропускания.
• Максимальное входное напряжение.
• Режимы развертки.
• Источники синхронизации.

Обо всех параметрах, кроме полосы пропускания, уже рассказали. Полоса пропускания — это чуть ли не важнейший показатель. Она определяет максимальную частоту сигнала, который будет отображаться без искажений. Например, при полосе пропускания 20 Гц — 20 МГц, все что имеет более высокую частоту будет подавляться.

Там, где полоса пропускания заканчивается, частоты жестко подавляются

Как же выбирать частоту пропускания? Зависит от того, какие сигналы вы собираетесь изучать и насколько «глубоко» вам надо их исследовать. Для аналоговых сигналов все просто — верхний предел должен быть больше чем максимальная частота. С меандрами все сложнее. На самом деле они состоят их суммы нечетных гармоник сигнала. Чем больше гармоник, тем больше форма похожа на квадрат, а не на сглаженное что-то. Но гармоники высокого порядка имеют очень высокую частоту. Если надо исследовать фронты, их отклонение, то верхний предел полосы пропускания — это десятки гигагерц. А такие приборы очень дорогие. Для обычной синусоиды достаточно 10-20 МГц, что значительно дешевле.

elektroznatok.ru

Цифровой осциллограф | Практическая электроника

Цифровой осциллограф

Цифровой осциллограф – это осциллограф, построенный на основе цифровой схемотехники. Его главное отличие в том, что внутри него идет цифровая обработка сигналов, в отличие от аналогового осциллографа. Цифровой осциллограф может записывать, останавливать, автоматически подгонять и измерять сигнал. В этом заключается его главное отличие от простого аналогового осциллографа.

Раньше у меня был аналоговый осциллограф, который мне служил верой и правдой. Но с бурным развитием электроники, я понял, что мне надо что-то получше. Листая журналы “Радио”, натыкался на рекламу очень крутых приборов – цифровых осциллографов. По тем временам они стоили как подержанный автомобиль иностранного производства.

Но прогресс не стоит на месте. Благодаря китайцам я все-таки осуществил мечту детства и на распродаже приобрел цифровой осциллограф OWON

Подготовка цифрового осциллографа к работе

Включаем осциллограф и цепляем щуп на любой из каналов. Я соединил щуп с первым каналом (Ch2)

На щупе есть делитель. Ставим его ползунок на 10Х.  В осциллографе по умолчанию также должен стоять делитель на 10Х. Если это не так, ищем в его настройках и ставим в характеристиках канала “10Х”.

Каждый нормальный цифровой осциллограф имеет в своем наличии встроенный генератор прямоугольных импульсов с частотой 1000 Герц (1кГц) и амплитудой напряжения в 5 Вольт. В основном этот генератор находится в нижнем правом углу. В нашем случае он называется Probe Comp. Цепляемся за него щупом.

Все должно выглядеть  приблизительно вот так:

На дисплее в это время происходит какой-то “кипеш”.

В этом осциллографе есть волшебная кнопка, от которой я без ума. Это кнопка автоматического позиционирования сигнала Autoscale. Нажал на эту кнопку

Согласился с условиями автоматического позиционирования сигнала

и вуаля!

Но что такое? У нас должен быть ровный прямоугольный периодический сигнал! Вся проблема в том, что щуп осциллографа вносит искажения в сам сигнал, поэтому, его  желательно корректировать каждый раз перед работой.

В современных щупах есть маленький винтик, заточенный под тонкую отвертку.  С помощью этого винтика мы и будем корректировать щуп.

Крутим и смотрим, что у нас получается на дисплее.

Ого, слишком сильно крутанул винт.

Крутим чуточку в обратную сторону и выравниваем горизонтально верхушки сигнала

Вот! Совсем другое дело! На дисплее у нас ровные прямоугольные сигналы ;-). На этом этапе осциллограф готов к работе.

Как измерить напряжение

После того, как мы откалибровали щуп осциллографа, можно приступать к измерениям. В  нашей статье пошагово рассмотрим, как измерять постоянное и переменное напряжение.

Переменный ток обозначается как “АС” – Alternating Current – с англ. переменный ток, а постоянный  – “DC” – Direct Current – с англ. постоянный ток. Думаю, тут ничего сложного нет. Имейте также ввиду,  что в  великом могучем русском языке постоянный ток и постоянное напряжение – это синонимы, переменный ток и переменное напряжение – аналогично. Просто так повелось.

Итак, первым делом выбираем, какой  ток будем измерять. Это делается с помощью кнопочки Coupling (нажимаем клавишу Н1)

Измерение постоянного тока

 Справа экрана сплывают окошки и мы выбираем DC (нажимаем клавишу F1)

На блоке питания для пробы выставляем напряжение в 5 Вольт.

Соединяем щупы блока питания и осциллографа. Сигнальный щуп осциллографа желательно соединить с красным плюсовым крокодилом щупа блока питания, а черный щуп (земля) соединить с минусовым черным крокодилом.

Смотрим на дисплей осциллографа

Итак, что мы тут видим? А видим мы тут осциллограмму  постоянного напряжения.  Постоянное напряжение – это такое напряжение, которое не изменяется со временем.  А если вы в курсе, осциллограф показывает значение напряжение во времени.

Давайте подробнее разберем эту картинку. Смотрим, на что в основном надо обратить внимание (указано белой стрелкой).

Так как  мы измеряем постоянное напряжение на первом  разъеме осциллографа, то и следовательно, осциллограмма будет помечена цифрой “1” в красном кружочке в красной рамке. Как мы с вами видим, весь экран осциллографа поделен  на кубики штриховой линией. В красной рамке  по оси Y обозначают напряжение одной стороны кубика. В данном случае 2 Вольта. Если посчитать от центра пересечения утолщенных штриховых линий, то осциллограмма находится на высоте 2,5  стороны кубика.  Значит напряжение будет 2,5х2=5 Вольт.

В зеленой рамке с помощью нехитрой кнопки  я вывел  точное значение напряжения, нажав  кнопку “Measure”, что с англ.  – измерять. Точное значение равно 5,085 Вольт.

Измерение переменного тока

Настало время измерить переменный ток (переменное напряжение). Для  опытов я взял ЛАТР (Лабораторный автотрансформатор). Как вы помните, ЛАТР понижает  или повышает переменное сетевое напряжение.

Ставим напряжение в 100 Вольт.

Ставим  на осциллографе измерение переменного напряжения AC

Цепляемся к щупам осциллографа крокодилами, идущими от ЛАТРа и смотрим картинку

Ну как? Похожа на синусоиду? С помощью кнопки “Measure” я вывел некоторые интересующие нас параметры. Vk – среднеквадратичное значение напряжения. В данном случае он  нам показывает напряжение, которое мы подавали с ЛАТРа – это 100 Вольт. F – частота  и T – период. Как мы с вами видим частота напряжения в сети 50 Герц. Все верно, в России частота в сетях электрического тока принята 50 Герц, в США  – 60 Герц. Период – 20 миллисекунд. Если единицу разделить  на 20 миллисекунд, то мы как раз получим частоту сигнала.

Автоматическое измерение параметров сигнала

Итак, будем рассматривать все наши измеряемые параметры на конкретном примере. Для этого мы будем использовать генератор частоты  с заранее выставленной частотой в 1 Мегагерц (ну или 1000 Килогерц)  с прямоугольной формой сигнала:

Вот так выглядит этот сигнал на осциллографе:

А где же правильный прямоугольный сигнал? Вот тебе и раз… Ничего с этим не поделаешь… Это есть, было и будет у всех прямоугольных сигналов. Это возникает вследствие несовершенства цепей и радиоэлементов. Особенно хорошо такая осциллограмма прорисовывается на высоких частотах.

Итак, что есть что? Смотрим на картинку ниже

Думаю, тут все понятно.

Ладно, давайте выведем все параметры сигнала, которые может вывести наш осциллограф. Для этого нажимаем кнопочку “Measure” , что с англ. означает “измерять”

Далее нажимаем кнопочку “Add” ( с англ. – добавлять), с помощью вспомогательной клавиши h2

И потом нажимаем кнопку “Show All” (с англ. – показать всё) с помощью вспомогательной клавиши F3

В результате всех этих операций у нас выскочит табличка с измеряемыми параметрами сигнала:

Ну что, думаю настало время поговорить, о том, какие бывают параметры сигналов. Как вы знаете, осциллограф нам показывает изменение напряжения сигнала во времени. Поэтому и параметры сигналов в основном делятся на два типа:

– Амплитудные параметры сигнала

– Временные параметры сигнала

Давайте для удобства  распишем все сигналы, как в нашей табличке. Начнем слева-направо.

Period – с англ. период. Период сигнала – это время, за которое сигнал повторяется. В нашем случае период обозначается буквой “Т”. На осциллограмме его можно показать вот так:

Чтобы самостоятельно посчитать период, нам надо знать значение одной клетки по горизонтали. Снизу осциллограммы можно найти подсказку ;-). Я ее пометил в желтый прямоугольник

Следовательно, одна клеточка равна 500 наносекунд. А так как у нас период длится ровно две клеточки, значит 500 х 2 = 1000 наносекунда или 1 микросекунда.

Сходятся ли наши расчетные показания с показаниями автоматических измерений? Смотрим…

Стопроцентное попадание! Кстати, чтобы не было дальнейших вопросов:

“Пико” – буквой “p”

“Нано” – буквой “n”

“Микро” обозначается буквой “u”, как и в маркировке современных конденсаторов.

“Милли”  – буквой “m”.

Вот небольшая табличка, если кто забыл:

Freq. Полное название frequency – с англ. частота. Обозначается буквой “F”. Частоту очень легко можно вычислить по формуле, зная период Т.

F=1/T

В нашем случае получаем 1/1х10^-6=10⁶=1 Мегагерц (MHz).  Смотрим на наши автоматические измерения:

Ну разве не чудо? 😉

Следующий показатель Mean. В нашем случае обозначается просто буковкой “V”. Он означает среднюю величину сигнала и используется для измерения постоянного напряжения. В данный момент этот параметр не представляет интереса, потому как измеряется переменный ток и в значении этого сигнала показывается какая-то вата. Постоянный ток меряет нормально, можно вывести этот параметр на дисплей, что мы и делали в прошлой статье:

Еще один интересный параметр: PK-PK. Называется он Peak-to-Peak и показывает напряжение от пика до пика. Обозначается как Vp. Что это за напряжение от пика до пика, показано на осциллограмме ниже:

Так как мы видим, что значение нашего квадратика  равно 1 Вольту (внизу слева)

То можно высчитать и напряжение от пика до пика. Оно будет где-то эдак 5 Вольт. Сверяемся с автоматическим измерением

Почти в тютельку!

Плюсы и минусы цифрового осциллографа

Начнем с плюсов

• Запись, остановка, автоматические измерения и другие фишки – это еще не весь список, что умеет делать цифровой осциллограф
• Габариты цифрового осциллографа намного меньше, чем аналогового
• Потребление энергии меньше, чем у аналогового осциллографа
• Жидкокристаллический дисплей, в отличие от кинескопного дисплея аналогового осциллографа

Минусы

• Дороговизна
• Дискретная прорисовка сигнала. Хотя дорогие модели ничуть не уступают аналоговым по прорисовке сигнала.

Про основные принципы измерений и использования цифровых осциллографов можно прочитать, скачав учебное пособие по цифровым осциллографам.

Где купить цифровой осциллограф

Естественно, на Алиэкспрессе, так как в наших интернет-магазинах их цена бывает завышена в два, а то и в три раза. Также очень хорошие отзывы об осциллографе Hantek, характеристики которого даже лучше, чем у моего OWON:

Посмотреть его можете на Алиэкпрессе по этой ссылке.

www.ruselectronic.com

No related posts.