Wykonywanie pomiaru oscyloskopowego

Oscyloskop cyfrowy jest oczywiście znacznie doskonalszy niż konwencjonalny elektroniczny, pozwala zapamiętać przebiegi, może podłączyć się do komputera osobistego, ma matematyczne przetwarzanie wyników, znaczniki ekranu i wiele więcej. Ale przy wszystkich zaletach urządzenia nowej generacji mają jedną istotną wadę - jest to wysoka cena.

To ona sprawia, że ​​oscyloskop cyfrowy jest niedostępny dla celów amatorskich, chociaż istnieją „kieszonkowe” oscyloskopy o wartości zaledwie kilku tysięcy rubli, które są sprzedawane na Aliexpress, ale nie jest szczególnie wygodne z nich korzystać. Cóż, tylko interesująca zabawka. Dlatego, podczas gdy będziemy rozmawiać o pomiarach za pomocą oscyloskopu elektronicznego.

Na temat wyboru oscyloskopu do zastosowania w domowym laboratorium w Internecie można znaleźć wystarczającą liczbę forów. Nie zaprzeczając zaletom oscyloskopów cyfrowych, na wielu forach zaleca się proste, małe i niezawodne domowe oscyloskopy C1-73 i C1-101 i tym podobne, które wcześniej poznaliśmy w ten artykuł.

Za dość przystępną cenę urządzenia te pozwalają wykonywać większość zadań amatorskich. W międzyczasie zapoznajmy się z ogólnymi zasadami pomiaru za pomocą oscyloskopu.

Ryc. 1. Oscyloskop S1-73

Co mierzy oscyloskop

Zmierzony sygnał jest doprowadzany do wejścia kanału odchylania pionowego Y, który ma dużą rezystancję wejściową, zwykle 1 MΩ, i małą pojemność wejściową, nie większą niż 40 pF, co pozwala wprowadzić minimalne zniekształcenie do mierzonego sygnału. Parametry te są często wskazywane obok wejścia kanału odchylania pionowego.

Ryc. 2. Oscyloskop C1-101

Wysoka impedancja wejściowa jest typowa dla woltomierzy, więc można śmiało powiedzieć, że oscyloskop mierzy napięcie. Zastosowanie zewnętrznych dzielników wejściowych pozwala zmniejszyć pojemność wejściową i zwiększyć impedancję wejściową. Zmniejsza to również wpływ oscyloskopu na badany sygnał.

Należy pamiętać, że istnieją specjalne oscyloskopy o wysokiej częstotliwości, których impedancja wejściowa wynosi tylko 50 omów. W amatorskiej praktyce radiowej takie urządzenia nie znajdują zastosowania. Dlatego dalej będziemy się koncentrować konwencjonalne oscyloskopy uniwersalne.

Przepustowość kanału Y.

Oscyloskop mierzy napięcia w bardzo szerokim zakresie: od napięcia stałego do napięcia o wystarczająco wysokiej częstotliwości. Zmiana napięcia może być dość zróżnicowana, od dziesiątek miliwoltów do dziesiątek woltów, a przy zastosowaniu zewnętrznych dzielników do kilkuset woltów.

Należy pamiętać, że szerokość pasma kanału odchylenia pionowego Y db nie mniej niż 5 razy wyższa niż częstotliwość mierzonego sygnału. Oznacza to, że wzmacniacz odchylenia pionowego musi przekroczyć co najmniej piątą harmoniczną badanego sygnału. Jest to szczególnie wymagane podczas badania prostokątnych impulsów, które zawierają wiele harmonicznych, jak pokazano na ryc. 3. Tylko w tym przypadku obraz o minimalnym zniekształceniu jest uzyskiwany na ekranie.

Ryc. 3. Synteza sygnału prostokątnego ze składowych harmonicznych

Oprócz częstotliwości podstawowej ryc. 3 pokazuje trzecią i siódmą harmoniczną. Wraz ze wzrostem liczby harmonicznych rośnie jej częstotliwość: częstotliwość trzeciej harmonicznej jest trzykrotnie wyższa niż podstawowa, piątej harmonicznej jest pięć razy, siódmej jest siedem itd. W związku z tym zmniejsza się amplituda wyższych harmonicznych: im wyższa liczba harmonicznych, tym mniejsza amplituda. Tylko jeśli wzmacniacz kanału pionowego bez dużego tłumienia może przeoczyć wyższe harmoniczne, obraz impulsu będzie prostokątny.

Rycina 4 pokazuje przebieg meandra z niewystarczającą przepustowością kanału Y.

Rycina 4

Meander o częstotliwości 500 KHz wygląda mniej więcej tak na ekranie oscyloskopu OMSh-3M o szerokości pasma 0 ... 25 KHz. Jakby prostokątne impulsy zostały przepuszczone przez integrujący obwód RC. Taki oscyloskop został wyprodukowany przez przemysł radziecki do pracy laboratoryjnej na lekcjach fizyki w szkołach. Nawet napięcie zasilania tego urządzenia ze względów bezpieczeństwa nie wynosiło 220, ale tylko 42 V. Jest absolutnie oczywiste, że oscyloskop o takiej szerokości pasma umożliwi obserwację sygnału o częstotliwościach nie większych niż 5 kHz bez prawie żadnych zniekształceń.

W konwencjonalnym oscyloskopie uniwersalnym szerokość pasma wynosi najczęściej 5 MHz. Nawet przy takim paśmie można zobaczyć sygnał o częstotliwości do 10 MHz i wyższej, ale obraz odebrany na ekranie pozwala ocenić tylko obecność lub brak tego sygnału. Trudno będzie powiedzieć coś o jego kształcie, ale w niektórych sytuacjach kształt nie jest tak ważny: na przykład istnieje generator sinusoidy i wystarczy upewnić się, że jest on sinusoidą, czy nie. Właśnie taką sytuację pokazano na rycinie 4.

Nowoczesne systemy komputerowe i linie komunikacyjne działają na bardzo wysokich częstotliwościach, rzędu setek megaherców. Aby zobaczyć takie sygnały o wysokiej częstotliwości, szerokość pasma oscyloskopu musi wynosić co najmniej 500 MHz. Tak szeroki zakres naprawdę „rozszerza” cenę oscyloskopu.

Przykładem jest oscyloskop cyfrowy U1610A, pokazany nie na rysunku 5. Jego szerokość pasma wynosi 100 MHz, a cena to prawie 200 000 rubli. Zgadzam się, nie wszyscy mogą sobie pozwolić na zakup tak drogiego urządzenia.

Rycina 5

Niech czytelnik nie uzna tego obrazu za reklamę, ponieważ wszystkie współrzędne sprzedawcy nie są zamalowane: w miejscu tego obrazu może pojawić się podobny zrzut ekranu.

Rodzaje badanych sygnałów i ich parametry

Najczęstszym rodzajem oscylacji w przyrodzie i technologii jest sinusoida. Jest to ta sama długo cierpiąca funkcja Y = sinX, która odbyła się w szkole na lekcjach trygonometrii. Sporo procesów elektrycznych i mechanicznych ma kształt sinusoidalny, choć dość często w technologii elektronicznej stosowane są inne formy sygnałów. Niektóre z nich pokazano na rycinie 6.

Rysunek 6. Formy wibracji elektrycznych

Sygnały okresowe. Charakterystyka sygnału

Uniwersalny elektroniczny oscyloskop pozwala dokładnie badać sygnały okresowe. Jeśli na wejściu Y wyślesz prawdziwy sygnał dźwiękowy, na przykład fonogram muzyczny, wówczas na ekranie będą widoczne przypadkowo migające impulsy. Oczywiście niemożliwe jest szczegółowe zbadanie takiego sygnału. W takim przypadku pomoże zastosowanie cyfrowego oscyloskopu pamięciowego, który pozwala zapisać przebieg.

Oscylacje pokazane na ryc. 6 są okresowe, powtarzane po pewnym czasie T. Można to rozpatrzyć bardziej szczegółowo na ryc. 7.

Ryc. 7. Okresowe fluktuacje

Oscylacje są przedstawione w dwuwymiarowym układzie współrzędnych: naprężenie jest mierzone wzdłuż osi rzędnych, a czas jest mierzony wzdłuż osi odciętych. Napięcie mierzone jest w woltach, czas w sekundach. W przypadku wibracji elektrycznych czas jest często mierzony w milisekundach lub mikrosekundach.

Oprócz składników X i Y, kształt fali zawiera również składnik Z - intensywność lub po prostu jasność (rysunek 8). To ona włącza wiązkę na czas skoku do przodu i gaśnie na czas skoku powrotnego. Niektóre oscyloskopy mają wejście do kontrolowania jasności, które nazywa się wejściem Z. Jeśli przyłożysz napięcie impulsu z przykładowego generatora do tego wejścia, zobaczysz na ekranie etykiety częstotliwości. Umożliwia to dokładniejszy pomiar czasu trwania sygnału wzdłuż osi X.

Ryc. 8. Trzy składniki badanego sygnału

Nowoczesne oscyloskopy mają z reguły skalibrowane w czasie przemiatania, które umożliwiają dokładny pomiar czasu. Dlatego użycie zewnętrznego generatora do tworzenia tagów praktycznie nie jest konieczne.

Na górze Ryc. 7 znajduje się fala sinusoidalna. Łatwo zauważyć, że zaczyna się na początku układu współrzędnych. W czasie T (kropka) wykonywana jest jedna pełna oscylacja. Potem wszystko się powtarza, następny okres. Takie sygnały nazywane są okresowymi.

Sygnały prostokątne pokazano poniżej fali sinusoidalnej: meander i prostokątny puls. Są one również okresowe z okresem T. Czas trwania impulsu jest oznaczany jako τ (tau). W przypadku meandra czas trwania impulsu τ jest równy czasowi przerwy między impulsami, tylko o połowę okresu T. Dlatego meander jest szczególnym przypadkiem sygnału prostokątnego.

Stawka celna i stawka celna

Aby scharakteryzować impulsy prostokątne, stosuje się parametr zwany cyklem roboczym. Jest to stosunek okresu powtarzania impulsu T do czasu trwania impulsu τ. Dla meandra cykl pracy wynosi dwa, - wartość jest bezwymiarowa: S = T / τ.

W terminologii angielskiej jest odwrotnie. Tam impulsy charakteryzują się cyklem roboczym, stosunkiem czasu trwania impulsu do cyklu roboczego: D = τ / T. Współczynnik wypełnienia jest wyrażony w %%. Zatem dla meandra D = 50%. Okazuje się, że D = 1 / S, cykl roboczy i cykl roboczy są wzajemnie odwrotne, chociaż charakteryzują ten sam parametr impulsu. Przebieg meandra pokazano na rycinie 9.

Rysunek 9. Przebieg meandra D = 50%

Tutaj wejście oscyloskopu jest podłączone do wyjścia generatora funkcjonalnego, który jest pokazany natychmiast w dolnym rogu rysunku. I tutaj uważny czytelnik może zadać pytanie: „Amplituda sygnału wyjściowego z generatora 1V, czułość wejścia oscyloskopu wynosi 1V / dz., A na ekranie wyświetlane są prostokątne impulsy o wielkości 2V. Dlaczego

Faktem jest, że generator funkcyjny generuje bipolarne prostokątne impulsy względem poziomu 0 V, w przybliżeniu takie same jak sinusoidy, o amplitudach dodatnich i ujemnych. Dlatego na ekranie oscyloskopu obserwuje się impulsy o rozpiętości ± 1 V. Na poniższym rysunku zmieniamy na przykład cykl pracy na 10%.

Rysunek 10. Pęd prostokątny D = 10%

Łatwo zauważyć, że okres powtarzania impulsu wynosi 10 komórek, podczas gdy czas trwania impulsu to tylko jedna komórka. Dlatego D = 1/10 = 0,1 lub 10%, jak widać z ustawień generatora. Jeśli użyjesz wzoru do obliczenia cyklu pracy, otrzymasz S = T / τ = 10/1 = 1 - wartość jest bezwymiarowa. Tutaj możemy stwierdzić, że cykl pracy charakteryzuje impuls znacznie wyraźniej niż cykl pracy.

W rzeczywistości sam sygnał pozostał taki sam jak na rycinie 9: prostokątny puls o amplitudzie 1 V i częstotliwości 100 Hz. Zmienia się tylko współczynnik wypełnienia lub cykl pracy, to tak, jakby ktoś był bardziej znajomy i wygodny. Jednak dla wygody obserwacji na ryc. 10 czas skanowania jest o połowę krótszy niż na ryc. 9 i wynosi 1 ms / dz. Dlatego okres sygnału zajmuje 10 komórek na ekranie, co sprawia, że ​​dość łatwo jest sprawdzić, czy cykl pracy wynosi 10%. Podczas korzystania z prawdziwego oscyloskopu czas przeszukiwania jest wybierany mniej więcej tak samo.

Pomiar napięcia prostokątnego impulsu

Jak wspomniano na początku artykułu, oscyloskop mierzy napięcie, tj. różnica potencjałów między dwoma punktami. Zazwyczaj pomiary są wykonywane względem wspólnego przewodu, uziemienia (zero woltów), chociaż nie jest to konieczne. Zasadniczo możliwe jest mierzenie od minimalnych do maksymalnych wartości sygnału (wartość szczytowa, wartość szczytowa). W każdym razie etapy pomiaru są dość proste.

Impulsy prostokątne są najczęściej jednobiegunowe, co jest typowe dla technologii cyfrowej. Sposób pomiaru napięcia impulsu prostokątnego pokazano na rycinie 11.

Rysunek 11. Pomiar amplitudy impulsu prostokątnego

Jeśli czułość kanału odchylenia pionowego wynosi 1 V / dz, wówczas okazuje się, że na rysunku pokazano puls o napięciu 5,5 V. O czułości 0,1 V / dz. Napięcie będzie wynosić tylko 0,5 V, chociaż na ekranie oba impulsy wyglądają dokładnie tak samo.

Co jeszcze można zobaczyć w prostokątnym impulsie

Prostokątne impulsy pokazane na rysunkach 9, 10 są po prostu idealne, ponieważ są syntetyzowane przez Electronics WorkBench. Częstotliwość impulsu wynosi tylko 100 Hz, dlatego nie mogą wystąpić problemy z „kwadratowością” obrazu. W rzeczywistym urządzeniu, przy wysokiej częstotliwości powtarzania, impulsy są nieco zniekształcone, przede wszystkim pojawiają się różne udary i impulsy z powodu indukcyjności instalacji, jak pokazano na rycinie 12.

Ryc. 12. Rzeczywisty impuls prostokątny

Jeśli nie zwrócisz uwagi na takie „drobiazgi”, impuls prostokątny wygląda tak, jak pokazano na rycinie 13.

Rysunek 13. Parametry impulsu prostokątnego

Rysunek pokazuje, że krawędzie początkowe i końcowe impulsu nie pojawiają się natychmiast, ale mają pewne czasy narastania i opadania i są nieco nachylone względem linii pionowej. To nachylenie wynika z właściwości częstotliwości mikroukładów i tranzystorów: im wyższy tranzystor częstotliwości, tym mniej „frontów” impulsów. Dlatego czas trwania impulsu zależy od poziomu 50% pełnego zakresu.

Z tego samego powodu amplituda impulsu zależy od poziomu 10 ... 90%. Czas trwania impulsu, a także napięcie, określa się, mnożąc liczbę podziałek skali poziomej przez wartość podziału, jak pokazano na rycinie 14.

Rycina 14.

Na rysunku pokazano jeden okres prostokątnego impulsu, nieco inny niż meander: czas trwania impulsu dodatniego wynosi 3,5 działki skali poziomej, a czas pauzy wynosi 3,8 działki. Okres powtarzania impulsu wynosi 7,3 części. Taki obraz może należeć do kilku różnych pulsów o różnych częstotliwościach. Wszystko będzie zależeć od czasu trwania zamiatania.

Załóżmy, że czas skanowania wynosi 1 ms / dz. Następnie okres powtarzania impulsu wynosi 7,3 * 1 = 7,3 ms, co odpowiada częstotliwości F = 1 / T = 1 / 7,3 = 0,1428 kHz lub 143 Hz. Jeśli czas skanowania wynosi 1 µs / dz, wówczas częstotliwość okaże się tysiąc razy wyższa, a mianowicie 143 kHz.

Korzystając z danych z rysunku 14, nie jest trudno obliczyć cykl pracy impulsu: S = T / τ = 7,3 / 3,5 = 2,0857, okazuje się, że jest prawie jak meander. Cykl roboczy D = τ / T = 3,5 / 7,3 = 0,479 lub 47,9%. Należy zauważyć, że parametry te nie są w żaden sposób zależne od częstotliwości: cykl pracy i cykl pracy zostały obliczone po prostu przez podziały na fali.

Dzięki prostokątnym impulsom wszystko wydaje się jasne i proste. Ale zupełnie zapomnieliśmy o fali sinusoidalnej. W rzeczywistości istnieje to samo: możesz mierzyć napięcia i parametry czasu. Okres jednej fali sinusoidalnej pokazano na rycinie 15.

Rysunek 15. Parametry fali sinusoidalnej

Oczywiście dla sinusoidy pokazanej na rysunku czułość kanału odchylania pionowego wynosi 0,5 V / dz. Pozostałe parametry można łatwo określić, mnożąc liczbę podziałów przez 0,5 V / div.

Fala sinusoidalna może być również inną, którą trzeba będzie zmierzyć z czułością, na przykład 5 V / dz. Następnie zamiast 1 V dostajesz 10 V. Jednak na ekranie obraz obu sinusoid wygląda dokładnie tak samo.

Czas pokazanego sinusoidy jest nieznany. Jeśli założymy, że czas skanowania wynosi 5 ms / dz, okres wyniesie 20 ms, co odpowiada częstotliwości 50 Hz. Liczby w stopniach na osi czasu wskazują fazę sinusoidy, chociaż nie jest to szczególnie ważne dla pojedynczego sinusoidy. Częściej konieczne jest określenie przesunięcia fazowego (bezpośrednio w milisekundach lub mikrosekundach) co najmniej między dwoma sygnałami. Najlepiej zrobić to za pomocą oscyloskopu dwuwiązkowego. Jak to zostanie zrobione zostanie pokazane poniżej.

Jak mierzyć prąd za pomocą oscyloskopu

W niektórych przypadkach wymagany jest pomiar wielkości i kształtu prądu. Na przykład prąd przemienny przepływający przez kondensator wyprzedza napięcie o 1/4 okresu. Następnie w obwodzie otwartym znajduje się rezystor o małej rezystancji (dziesiąte części Ohma). Taki opór nie wpływa na działanie obwodu. Spadek napięcia na tym rezystorze pokaże kształt i wielkość prądu przepływającego przez kondensator.

Amperomierz o podobnej wielkości jest umieszczony w przybliżeniu w ten sam sposób, co zostanie uwzględnione w rozłączaniu obwodu elektrycznego. W takim przypadku rezystor pomiarowy znajduje się wewnątrz samego amperomierza.

Obwód pomiaru prądu przez kondensator pokazano na rysunku 16.

Rysunek 16. Pomiar prądu przez kondensator

Sinusoidalne napięcie 50 Hz o amplitudzie 220 V z generatora XFG1 (czerwona wiązka na ekranie oscyloskopu) jest doprowadzane do obwodu szeregowego z kondensatora C1 i rezystora pomiarowego R1. Spadek napięcia na tym rezystorze pokaże kształt, fazę i wielkość prądu przepływającego przez kondensator (niebieska wiązka). Jak to będzie wyglądać na ekranie oscyloskopu pokazano na rycinie 17.

Rysunek 17. Prąd przepływający przez kondensator wyprzedza napięcie o ¼ okresu

Przy częstotliwości fali sinusoidalnej 50 Hz i czasie skanowania 5 ms / Div, jeden okres fali sinusoidalnej zajmuje 4 podziały wzdłuż osi X, co jest bardzo wygodne do obserwacji. Łatwo zauważyć, że niebieski promień wyprzedza czerwony o dokładnie 1 podział wzdłuż osi X, co odpowiada okresowi ¼. Innymi słowy, prąd przepływający przez kondensator wyprzedza napięcie fazowe, co jest w pełni zgodne z teorią.

Aby obliczyć prąd przez kondensator, wystarczy użyć prawa Ohma: I = U / R. Gdy rezystancja rezystora pomiarowego wynosi 0,1 oma, spadek napięcia na nim wynosi 7 mV. To jest wartość amplitudy. Wtedy maksymalny prąd przez kondensator wyniesie 7 / 0,1 = 70mA.

Mierzenie kształtu prądu przez kondensator nie jest bardzo pilnym zadaniem, wszystko jest jasne i bez pomiarów. Zamiast kondensatora może występować dowolne obciążenie: induktor, uzwojenie silnika, stopień wzmacniacza tranzystorowego i wiele więcej. Ważne jest, aby tę metodę można było wykorzystać do badania prądu, który w niektórych przypadkach różni się znacznie pod względem formy od napięcia.

Boris Aladyshkin