Извършване на измерване на осцилоскоп

Дигиталният осцилоскоп е, разбира се, много по-съвършен от конвенционалния електронен, той ви позволява да запомните форми на вълни, може да се свържете с персонален компютър, има математическа обработка на резултатите, екранни маркери и много други. Но с всички предимства, тези устройства от ново поколение имат един съществен недостатък - това е висока цена.

Именно тя прави цифровия осцилоскоп недостъпен за любителски цели, въпреки че има „джобни“ осцилоскопи на стойност само няколко хиляди рубли, които се продават на Aliexpress, но не е особено удобно да ги използвате. Е, просто интересна играчка. Следователно, докато ще говорим за измервания с помощта на електронен осцилоскоп.

По темата за избора на осцилоскоп за използване в домашна лаборатория в Интернет можете да намерите достатъчен брой форуми. Без да отричаме предимствата на цифровите осцилоскопи, в много форуми се препоръчва да изберат прости малки и надеждни домашни осцилоскопи С1-73 и С1-101 и други подобни, с които преди се срещахме в тази статия.

На доста достъпна цена тези устройства ще ви позволят да изпълнявате повечето любителски радио задачи. Междувременно нека се запознаем с общите принципи на измерванията с помощта на осцилоскоп.

Фигура 1. Осцилоскоп S1-73

Какво измерва осцилоскоп

Измереният сигнал се подава към входа на вертикалния отклоняващ канал Y, който има голям входен импеданс, обикновено 1MΩ, и малък входен капацитет, не повече от 40pF, което позволява въвеждането на минимално изкривяване в измерения сигнал. Тези параметри често са посочени до входа на канала за вертикално отклонение.

Фигура 2. Осцилоскоп С1-101

Високият входен импеданс е типичен за волтметри, така че е безопасно да се каже, че осцилоскопът измерва напрежението. Използването на външни входни разделители ви позволява да намалите входния капацитет и да увеличите входния импеданс. Освен това намалява влиянието на осцилоскопа върху сигнала, който се изследва.

Трябва да се помни, че има специални високочестотни осцилоскопи, чийто входен импеданс е само 50 ома. В любителската радио практика такива устройства не намират приложение. Следователно, по-нататък ще се съсредоточим върху конвенционални универсални осцилоскопи.

Ширина на лентата Y

Осцилоскопът измерва напрежения в много широк диапазон: от постояннотокови напрежения до напрежения с достатъчно висока честота. Въртенето на напрежението може да бъде много разнообразно, от десетки миливолта до десетки волта и при използване на външни разделители до няколкостотин волта.

Трябва да се има предвид, че широчината на лентата на канала с вертикално отклонение Y db не по-малко от 5 пъти по-висока от честотата на измервания сигнал. Тоест усилвателят на вертикалното отклонение трябва да премине най-малко петата хармоника на изследвания сигнал. Това е особено необходимо при изучаване на правоъгълни импулси, които съдържат много хармоници, както е показано на фигура 3. Само в този случай на екрана се получава изображение с минимални изкривявания.

Фигура 3. Синтез на правоъгълен сигнал от хармонични компоненти

В допълнение към основната честота, Фигура 3 показва третата и седмата хармоници. С увеличаването на хармоничното число честотата му се увеличава: честотата на третата хармоника е три пъти по-висока от основната, петата хармоника е пет пъти, седмата е седем и т.н. Съответно амплитудата на по-високите хармоници намалява: колкото по-голямо е хармоничното число, толкова по-ниска е неговата амплитуда. Само ако усилвателят на вертикалния канал без много затихване може да пропусне по-високите хармоници, изображението на импулса ще бъде правоъгълно.

Фигура 4 показва формата на вълната на меандър с недостатъчна честотна лента Y.

Фигура 4

Меандърът с честота 500 KHz изглежда нещо подобно на екрана на осцилоскоп OMSh-3M с честотна лента 0 ... 25 KHz. Сякаш правоъгълни импулси са преминали през интегрираща RC верига. Такъв осцилоскоп е произведен от съветската индустрия за лабораторна работа на уроци по физика в училищата. Дори захранващото напрежение на това устройство от съображения за безопасност не беше 220, а само 42V. Абсолютно очевидно е, че осцилоскоп с такава честотна лента ще позволи да се наблюдава сигнал с честоти не повече от 5 kHz с почти никакво изкривяване.

За конвенционален универсален осцилоскоп честотната лента е най-често 5 MHz. Дори при такава лента можете да видите сигнал до 10 MHz и по-висока, но полученото на екрана изображение ви позволява да прецените само наличието или отсъствието на този сигнал. Ще бъде трудно да се каже нещо за неговата форма, но в някои ситуации формата не е толкова важна: например има генератор на синусоида и е достатъчно само да се уверите, че има тази синусоида или не. Точно такава ситуация е показана на фигура 4.

Съвременните изчислителни системи и комуникационни линии работят на много високи честоти, от порядъка на стотици мегагерци. За да видите такива високочестотни сигнали, честотната лента на осцилоскопа трябва да бъде най-малко 500 MHz. Такава широка лента наистина "разширява" цената на осцилоскопа.

Пример е цифровият осцилоскоп U1610A, показан на фигура 5. Неговата честотна лента е 100 MHz, а цената е почти 200 000 рубли. Съгласете се, не всеки може да си позволи да купи такова скъпо устройство.

Фигура 5

Нека читателят да не разглежда тази картина като реклама, тъй като всички координати на продавача не са боядисани: на подобна снимка може да се появи всякакъв подобен екран.

Видове изследвани сигнали и техните параметри

Най-често срещаният тип трептения в природата и технологиите е синусоид. Това е същата многострадална функция Y = sinX, която се провеждаше в училището в часовете по тригонометрия. Доста много електрически и механични процеси имат синусоидална форма, въпреки че доста често в електронната технология се използват други форми на сигнали. Някои от тях са показани на фигура 6.

Фигура 6. Форми на електрически вибрации

Периодични сигнали. Характеристики на сигнала

Универсален електронен осцилоскоп ви позволява точно да изучавате периодични сигнали. Ако на вход Y изпратите реален звуков сигнал, например музикална фонограма, на екрана ще се виждат произволно мигащи изблици. Естествено е невъзможно да се проучи подробно такъв сигнал. В този случай ще помогне използването на цифров осцилоскоп за съхранение, който ви позволява да запазите формата на вълната.

Колебанията, показани на фигура 6, са периодични, повтарящи се след определен период от време Т. Това може да се разгледа по-подробно на фигура 7.

Фигура 7. Периодични колебания

Колебанията са изобразени в двуизмерна координатна система: напрежението се измерва по оста на ординатата, а времето се измерва по оста на абсцисата. Напрежението се измерва във волта, времето в секунди. За електрическите вибрации времето често се измерва в милисекунди или микросекунди.

В допълнение към компоненти X и Y, формата на вълната съдържа и компонент Z - интензитет, или просто яркост (фигура 8). Именно тя се включва на гредата за времето на предния лъч и се гаси за времето на обратния ход. Някои осцилоскопи имат вход за регулиране на яркостта, който се нарича вход Z. Ако приложите импулсно напрежение от референтен генератор към този вход, можете да видите честотните етикети на екрана. Това ви позволява да измервате по-точно продължителността на сигнала по оста X.

Фигура 8. Три компонента на изследвания сигнал

Съвременните осцилоскопи като правило имат калибрирани времеви премествания, които позволяват точно време. Следователно използването на външен генератор за създаване на маркери практически не е необходимо.

В горната част на фигура 7 е синусоида. Лесно е да се види, че тя започва в началото на координатната система. По време на T (период) се извършва едно пълно колебание. След това всичко се повтаря, следващият период. Такива сигнали се наричат ​​периодични.

Под синусоидата са показани правоъгълни сигнали: меандър и правоъгълен импулс. Те също са периодични с период Т. Продължителността на пулса се обозначава като τ (tau). В случай на меандър продължителността на импулса τ е равна на продължителността на паузата между импулсите, точно половината от периода Т. Следователно меандърът е специален случай на правоъгълен сигнал.

Мито и ставка на митото

За характеризиране на правоъгълни импулси се използва параметър, наречен работен цикъл. Това е съотношението на периода на повторение на импулса T към продължителността на импулса τ. За меандъра работният цикъл е равен на две, - стойността е безразмерна: S = T / τ.

В английската терминология е точно обратното. Там импулсите се характеризират с работния цикъл, съотношението на продължителността на импулса към периода на дежурния цикъл: D = τ / T. Коефициентът на запълване се изразява в %%. Така за меандъра D = 50%. Оказва се, че D = 1 / S, работен цикъл и работен цикъл са взаимно обратни, въпреки че характеризират един и същ параметър на импулса. Формата на вълната на меандъра е показана на фигура 9.

Фигура 9. Форма на вълната на меандъра D = 50%

Тук входът на осцилоскопа е свързан с изхода на функционалния генератор, показан точно тук в долния ъгъл на фигурата. И тук внимателният четец може да зададе въпрос: „Амплитудата на изходния сигнал от 1V генератора, чувствителността на входа на осцилоскопа е 1 V / div., А екранът показва правоъгълни импулси с магнитуд 2V. Защо? "

Факт е, че функционалният генератор генерира биполярни правоъгълни импулси по отношение на нивото 0V, приблизително същото като синусоида, с положителни и отрицателни амплитуди. Следователно на екрана на осцилоскопа се наблюдават импулси с диапазон ± 1V. На следващата фигура променяме работния цикъл, например, на 10%.

Фигура 10. Правоъгълен импулс D = 10%

Лесно е да се види, че периодът на повторение на импулса е 10 клетки, докато продължителността на импулса е само една клетка. Следователно, D = 1/10 = 0,1 или 10%, както се вижда от настройките на генератора. Ако използвате формулата за изчисляване на работния цикъл, получавате S = T / τ = 10/1 = 1 - стойността е безразмерна. Тук можем да заключим, че работният цикъл характеризира импулса много по-ясно от работния цикъл.

Всъщност самият сигнал остана същият като на фигура 9: правоъгълен импулс с амплитуда 1 V и честота 100 Hz. Само коефициентът на запълване или работният цикъл се променя, сякаш някой е по-познат и удобен. Но за удобство на наблюдението на Фигура 10, продължителността на сканирането е наполовина в сравнение с Фигура 9 и е 1ms / div. Следователно периодът на сигнала отнема 10 клетки на екрана, което прави доста лесно да се провери дали работният цикъл е 10%. Когато използвате истински осцилоскоп, продължителността на метене се избира приблизително еднаква.

Правоъгълно измерване на импулсно напрежение

Както бе споменато в началото на статията, осцилоскопът измерва напрежението, т.е. потенциална разлика между две точки. Обикновено измерванията се правят по отношение на обща жица, земя (нула волта), въпреки че това не е необходимо. По принцип е възможно да се измерват от минимални до максимални стойности на сигнала (пикова стойност, пик-пик). Във всеки случай стъпките на измерване са доста прости.

Правоъгълните импулси най-често са еднополярни, което е характерно за цифровите технологии. Как се измерва напрежението на правоъгълен импулс е показано на фигура 11.

Фигура 11. Измерване на амплитудата на правоъгълен импулс

Ако чувствителността на канала за вертикално отклонение е 1V / div, тогава се оказва, че фигурата показва импулс с напрежение 5,5V. С чувствителност 0,1V / div. Напрежението ще бъде само 0,5V, въпреки че на екрана и двата импулса изглеждат абсолютно еднакви.

Какво друго може да се види в правоъгълен импулс

Правоъгълните импулси, показани на фигури 9, 10, са просто идеални, защото са синтезирани от Electronics WorkBench. А честотата на пулса е само 100 Hz, следователно проблеми с "квадратността" на изображението не могат да възникнат. В реално устройство с висока честота на повторение импулсите са някак изкривени, на първо място, се появяват различни скокове и спуквания поради индуктивността на инсталацията, както е показано на фигура 12.

Фигура 12. Истински правоъгълен импулс

Ако не обърнете внимание на такива „дреболии“, тогава правоъгълният импулс изглежда като този, показан на фигура 13.

Фигура 13. Параметри на правоъгълен импулс

Фигурата показва, че водещите и задните ръбове на пулса не се появяват веднага, но имат известно време на възход и падение и са до известна степен наклонени спрямо вертикалната линия. Този наклон се дължи на честотните свойства на микросхемите и транзисторите: колкото по-голям е високочестотният транзистор, толкова по-малко "фронтове" на импулсите. Следователно продължителността на импулса се определя от нивото на 50% от пълния диапазон.

По същата причина амплитудата на пулса се определя от нивото на 10 ... 90%. Продължителността на импулса, както и напрежението се определят чрез умножаване на броя на деленията на хоризонталната скала по стойността на разделянето, както е показано на фигура 14.

Фигура 14.

Фигурата показва един период на правоъгълен импулс, малко по-различен от меандъра: продължителността на положителен импулс е 3,5 деления на хоризонталната скала, а продължителността на паузата е 3,8 деления. Периодът на повторение на пулса е 7,3 деления. Такава картина може да принадлежи на няколко различни импулса с различни честоти. Всичко ще зависи от продължителността на метенето.

Да приемем продължителност на сканиране от 1ms / div. Тогава периодът на повторение на импулса е 7,3 * 1 = 7,3 ms, което съответства на честота F = 1 / T = 1 / 7,3 = 0,1428KHz или 143 Hz. Ако продължителността на сканиране е 1 µs / div, честотата ще се окаже хиляда пъти по-висока, а именно 143KHZ.

Използвайки данните на фигура 14, не е трудно да се изчисли цикъла на импулсното работно време: S = T / τ = 7.3 / 3.5 = 2.0857, оказва се почти като меандър. Работен цикъл на работен цикъл D = τ / T = 3,5 / 7,3 = 0,479 или 47,9%. Трябва да се отбележи, че тези параметри в никакъв случай не зависят от честотата: работен цикъл и работен цикъл са изчислени просто чрез раздели на формата на вълната.

С правоъгълните импулси всичко изглежда ясно и просто. Но напълно забравихме за синусоида. Всъщност същото е и там: можете да измервате напрежения и параметри на времето. Периодът на една синусоида е показан на фигура 15.

Фигура 15. Параметри на синусоида

Очевидно е, че за синусоида, показан на фигурата, чувствителността на вертикалния отклоняващ канал е 0,5 V / div. Останалите параметри могат лесно да бъдат определени чрез умножаване на броя на деленията по 0,5 V / div.

Синусоидата може да е друга, която ще трябва да се измерва с чувствителност, например 5V / div. Тогава вместо 1V получавате 10V. На екрана обаче изображението и на двете синусоиди изглежда абсолютно еднакво.

Времето на показания синусоид не е известно. Ако приемем, че продължителността на сканиране е 5ms / div, периодът ще бъде 20ms, което съответства на честота от 50Hz. Числата в градуси по времевата ос показват фазата на синусоида, въпреки че това не е особено важно за единичен синусоид. По-често е необходимо да се определи фазовото изместване (директно в милисекунди или микросекунди) поне между два сигнала. Това се прави най-добре с двулъчев осцилоскоп. Как става това ще бъде показано по-долу.

Как да се измери ток с осцилоскоп

В някои случаи се изисква измерване на величината и формата на тока. Например променливият ток, преминаващ през кондензатор, изпреварва напрежението за ¼ период. След това в отворената верига се включва резистор с малко съпротивление (десети от Ом). Такова съпротивление не влияе върху работата на веригата. Спадът на напрежението през този резистор ще покаже формата и величината на тока, протичащ през кондензатора.

По подобен начин е подреден подобен габарит, който ще бъде включен в разкъсването на електрическата верига. В този случай измервателният резистор е разположен вътре в самия амперметър.

Схемата за измерване на тока през кондензатора е показана на фигура 16.

Фигура 16. Измерване на ток през кондензатор

Синусоидално напрежение 50 Hz с амплитуда 220 V от генератора XFG1 (червен лъч на екрана на осцилоскопа) се подава към серийната верига от кондензатора С1 и измервателния резистор R1. Спадът на напрежението през този резистор ще покаже формата, фазата и величината на тока през кондензатора (син лъч). Как ще изглежда на екрана на осцилоскопа е показано на фигура 17.

Фигура 17. Токът през кондензатора изпреварва напрежението за ¼ период

При честота на синусоидална вълна 50 Hz и време на сканиране 5 ms / Div, периодът на една синусоида отнема 4 деления по оста X, което е много удобно за наблюдение. Лесно е да се види, че синият лъч изпреварва червения с точно 1 деление по оста X, което съответства на ¼ период. С други думи, токът през кондензатора изпреварва фазовото напрежение, което е напълно в съответствие с теорията.

За да се изчисли токът през кондензатора, е достатъчно да се използва законът на Ом: I = U / R. Когато съпротивлението на измервателния резистор е 0,1 Ohm, спадът на напрежението през него е 7 mV. Това е стойността на амплитудата. Тогава максималният ток през кондензатора ще бъде 7 / 0,1 = 70mA.

Измерването на формата на тока през кондензатора не е някаква много спешна задача, тук всичко е ясно и без измервания. Вместо кондензатор може да има всякакъв товар: индуктор, намотка на двигателя, транзисторен усилвател и много други. Важно е този метод да се използва за изучаване на тока, който в някои случаи се различава значително по форма от напрежението.

Борис Аладишкин