Базовые измерительные приборы. Осциллограф: «рисующий сигнал

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

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

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

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

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

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

где l x – размеры исследуемого участка осциллограммы.

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

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

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

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

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

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

из которого может быть определено значение частоты f X .

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

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

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

Измерение фазовых сдвигов

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

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

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

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

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

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

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

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

▌Старая статья о аналоговом осциллографе
Рано или поздно любой начинающий электронщик, если не бросит свои эксперименты, то дорастет до схем, где нужно отслеживать не просто токи и напряжения, а работу схемы в динамике. Особенно это часто нужно в различных генераторах и импульсных устройствах. Вот тут без осциллографа делать нечего !

Страшный прибор, да? Куча ручек, каких то кнопочек, да еще экран и нифига не понятно что тут да зачем. Ничего, сейчас исправим. Сейчас я тебе расскажу как пользоваться осциллографом.

На самом деле тут все просто — осциллограф, грубо говоря, это всего лишь… вольтметр ! Только хитрый, способный показывать изменение формы замеряемого напряжения.

Как всегда, поясню на отвлеченном примере.
Представь, что ты стоишь перед железной дорогой, а мимо тебя с бешеной скоростью мчится бесконечный поезд состоящий из совершенно одинаковых вагонов. Если просто на них стоять и смотреть, то ничего кроме размытой фигни ты не увидишь.
А теперь ставим перед тобой стенку с окошком. И начинаем открывать окошко только тогда, когда очередной вагон будет в том же положении, что и предыдущий. Так как у нас вагоны все одинаковые, то тебе совершенно необязательно видеть один и тот же вагон. В результате картинки разных, но идентичных вагонов будут выскакивать перед твоими глазами в одном и том же положении, а значит картинка как бы остановится. Главное это синхронизировать открытие окошка со скоростью поезда, чтобы при открытии положение вагона не менялось. Если скорость не совпадет, то вагоны будут «двигаться» либо вперед, либо назад со скоростью, зависящую от степени рассинхронизации.

На этом же принципе построен стробоскоп — девайс, позволяющий разглядывать быстро движущиеся или вращающиеся хреновины. Там тоже шторка быстро-быстро открывается и закрывается.

Так вот, осциллограф это тот же стробоскоп, только электронный . А показывает он не вагоны, а периодические изменения напряжения. У той же синусоиды, например, каждый следующий период похож на предыдущий, так почему бы не «остановить» его, показывая в один момент времени один период.

Конструкция
Делается это посредством лучевой трубки, отклоняющей системы и генератора развертки.
В лучевой трубке пучок электронов попадая на экран заставляет светится люминофор, а пластины отклоняющей системы позволяют гонять этот пучок по всей поверхности экрана. Чем сильней напряжение, приложенное к электродам, тем больше отклоняется пучок. Подавая на пластины Х пилообразное напряжение мы создаем развертку . То есть луч у нас движется слева-направо, а потом резко возвращается обратно и продолжает снова. А на пластины Y мы подаем изучаемое напряжение.

Принцип работы
Дальше все просто, если начало появления периода пилы (луч в крайне левом положении) и начало периода сигнала совпадают, то за один проход развертки нарисуется один или несколько периодов измеряемого сигнала и картинка как бы остановится. Меняя скорость развертки можно добиться того, что на экране вообще останется только один период — то есть за один период пилы пройдет один период измеряемого сигнала.

Синхронизация
Синхронизировать пилу с сигналом можно либо вручную, подстраивая ручкой скорость так, чтобы синусоида остановилась, а можно по уровню . То есть мы указываем при каком уровне напряжения на входе нужно запустить генератор развертки. Как только напряжение на входе превысит уровень, так сразу же запустится генератор развертки и выдаст нам импульс.
В итоге, генератор развертки выдает пилу только тогда, когда надо. В этом случае синхронизация получается полностью автоматической. При выборе уровня следует учитывать такой фактор, как помехи. Так что если взять слишком низкий уровень, то мелкие иголки помех могут запустить генератор когда не нужно, а если взять уровень слишком большой, то сигнал может под ним пройти и ничего не случится. Но тут проще покрутить ручку самому и сразу же все станет понятно.
Также сигнал синхронизации можно подать и с внешнего источника.

В топку теорию, переходим к практике.
Показывать буду на примере своего осциллографа, спертого когда то давно с оборонного предприятия КБ «Ротор»:). Обычный осцил, не шибко навороченный, но надежный и простой как кувалда.

Итак:
Яркость, фокус и освещение шкалы думаю не требуют пояснений. Это настройки интерфейса.

Усилитель У и стрелочки вверх вниз. Эта ручка позволяет гонять изображение сигнала вверх или вниз. Добавляя ему дополнительное смещение. Зачем? Да иногда не хватает размера экрана, чтобы вместить весь сигнал. Приходится его загонять вниз, принимая за ноль не середину, а нижнюю границу.

Ниже идет тумблер переключающий ввод с прямого, на емкостный. Этот тумблер в том или ином виде есть на всех без исключения осциллографах.

Важная вещь! Позволяет подключать сигнал к усилителю либо напрямую, либо через конденсатор. Если подключить напрямую, то пройдет и постоянная составляющая и переменная . А через кондер проходит только переменная .

Например, надо нам посмотреть на уровень помех блока питания компа. Напряжение там 12 вольт, а величина помех может быть не более 0.3 вольт. На фоне 12 вольт эти жалкие 0.3 вольт будут совсем незаметны. Можно, конечно увеличивать коэффициент усиления по Y , но тогда график вылезет за экран, а смещения по Y не хватит, чтобы увидеть вершину. Тогда нам нужно лишь врубить конденсатор и тогда те 12 вольт постоянки осядут на нем, а в осциллограф пройдет только переменный сигнал, те самые 0.3 вольта помехи. Которые можно усилить и разглядеть в полный рост.

Далее идет коаксиальный разъем подключения щупа . Каждый щуп содержит в себе сигнал и землю . Землю обычно сажают на минус или на общий провод схемы, а сигнальным тычут по схеме. Осциллограф показывает напряжение на щупе относительно общего провода. Чтобы понять где сигнальный, а где земля достаточно взять за них рукой по очереди. Если возьмешься за общий, то на экране по прежнему будет пульс трупа. А если взяться за сигнальный, то увидишь кучу срача на экране — наводки на твое тело, служащее в данный момент антенной. На некторых щупах, особенно на современных осциллографах, внутри встроен делитель напряжения 1:10 или 1:100 , который позволяет воткнуть осциллограф хоть в розетку, без риска его спалить. Включается и выключается он тумблером на щупе.

Еще почти на каждом осциллографе есть калибровочный выход . На котором ты всегда можешь найти прямоугольный сигнал частотой 1Кгц и напряжением около полувольта . В зависимости от модели осцила. Используется для проверки работы самого осциллографа, ну иногда и в тестовых целях пригождается:)

Две здоровенные крутилки Усиление и Длительность

Усиление служит для масштабирования сигнала по оси Y . Там же показано сколько вольт на деление в итоге покажет.
Скажем, если у тебя стоит 2 вольта на деление, а сигнал на экране достигает высоты две клеточки размерной сетки, значит амплитуда сигнала равна 4 вольта.

Длительность определяет частоту развертки. Чем короче интервал, чем больше частота, тем более высокочастотный сигнал ты сможешь разглядеть. Тут клеточки проградуированы уже в милли и микросекундах. Так что по ширине сигнала ты можешь посчитать сколько он клеток, а умножив его на масштаб по оси Х получишь длительность сигнала в секундах. Также можно посчитать длительность одного периода, а зная длительность легко найти частоту сигнала f=1/t

Верхняя пипка на крутилках позволяет менять масштаб плавно. Обычно у меня она стоит на щелчке, чтобы я всегда четко знал какой у меня масштаб.

Также там есть вход Х на который можно подать свой сигнал, вместо пилы развертки. Таким образом осциллограф может послужить телевизором или монитором, если собрать схему которая будет формировать изображение.

Крутилка с надписью Развертка и стрелочками влево и вправо позволяет гонять график по экрану влево и вправо. Удобно иногда бывает, чтобы подогнать нужный участок под деления сетки.

Блок синхронизации.

Ручка уровня — задает уровень от которого будет стартовать генератор пилы.
Переключатель со внутренней на внешнюю , позволяет подать на вход синхроимпульсы с внешнего источника.
Переключатель с надписью +/- переключает полярность уровня. Есть не на всех осциллографах.
Ручка стабильность — позволяет вручную попытаться подобрать скорость синхронизации.

Быстрый старт.
Итак, включил ты осцил. Первое что нужно сделать это замкнуть сигнальный щуп на свой же земляной крокодил. При этом на экране должен появится «Пульс трупа». Если не появился, то покрути ручки стабилизации и смещений и уровня — возможно он просто спрятался за экран или не запустился из-за недостаточного уровня.

Как только появилась полоса, то выстави крутилками смещения её на ноль. Если у тебя аналоговый осцил, особенно если древний, то дай ему прогреться. У моего после включения ноль плавает еще минут пятнадцать.

Дальше выстави предел измерений по напряжению . Бери с запасом, если что уменьшишь. Теперь если земляной провод осциллографа приложишь к минусу батарейки, а сигнальный к плюсу, то увидишь как график скакнет на полтора вольта. Кстати, старые осциллографы зачастую начинают подвирать, поэтому по эталонному источнику напряжения полезно посмотреть насколько точно он отображает напряжение.

Выбор осциллографа.
Если ты только начал, то тебе подойдет любой . Крайне желательно если он будет двухканальным . То есть у него будет два щупа и две крутилки Усиления, для первого и второго канала, что позволяет одновременно получить два графика.
Вторым по важности критерием осциллографа является частота. Максимальная частота сигнала которую он может уловить. Мне пока хватало 1МГц на большее не замахивался. Те осциллографы, что продаются в магазинах уже имеют частоту от 10МГц и выше. Самый дешевый осциллограф который я видел стоил 5 тысяч рублей — . Двухканальный стоит уже 10 тысяч, ну а я нацелился взял себе за килобакс. Разные запросы — разные игрушки. Но, повторюсь, для начала хватит и 1МГц, и хватит надолго. Так что найди себе хоть какой нибудь осциллограф. А там поймешь что тебе надо.

Осциллограф - прибор, показывающий форму напряжения во времени. Также он позволяет измерять ряд параметров сигнала, такие как напряжение, ток, частота, угол сдвига фаз. Но главная польза от осциллографа - возможность наблюдения формы сигнала. Во многих случаях именно форма сигнала позволяет определить, что именно происходит в цепи. На рис. 1 показан пример подобной ситуации.

Рис. 1. Осциллограмма сложного сигнала.

В этом случае напряжение содержит как постоянную, так и переменную составляющие, причем форма переменной составляющей далека от синусоидальной. На таком сигнале вольтметры дают большую ошибку: стрелочный вольтметр переменного тока показал напряжение 2,2 вольт, а цифровой - вообще 1,99 вольт. Вольтметр постоянного тока показал 4,8 вольт. Правильное действующее значение напряжения показал осциллограф - 5,58 вольт (цифровые осциллографы измеряют напряжение и позволяют сохранять результаты в компьютерном формате). Кроме того, осциллограмма позволяет увидеть некоторые свойства сигнала:

• сигнал имеет импульсный характер;
• сигнал не принимает отрицательных значений (измерено с открытым входом осциллографа);
• сигнал очень быстро изменяется от нуля до значения 6,4 вольта и обратно до нуля (чувствительность канала вертикального отклонения 2 V/дел);
• длительность импульсов более чем в три раза превышает длительность пауз.

В общем, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать.

В подавляющем большинстве случаев исследуются периодические сигналы, именно про них мы и будем говорить.

1. Принцип действия осциллографа

«Сердцем» прибора является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), рис.2.

Рис. 2. Устройство электронно-лучевой трубки с электростатическим управлением.

ЭЛТ является электронной лампой, и, как и все лампы, она «заполнена» вакуумом. Катод излучает электроны, а система фокусировки формирует из них тонкий луч. Этот электронный луч попадает на экран, покрытый люминофором, который под воздействием электронной бомбардировки светится, и в центре экрана возникает светящаяся точка. Две пары пластин ЭЛТ отклоняют электронный луч в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать как координатные оси. Поэтому для наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч отклонялся по горизонтальной оси пропорционально времени, а по вертикальной оси - пропорционально исследуемому напряжению.

На пластины горизонтального отклонения луча (расположенные вертикально) подается напряжение развертки. Оно имеет пилообразную форму: постепенно линейно нарастает и быстро спадает (рис. 3). Отрицательное напряжение отклоняет луч влево, а положительное - вправо (если смотреть со стороны экрана). В результате луч движется по экрану слева направо с определенной постоянной скоростью, после чего очень быстро возвращается к левой границе экрана и повторяет свое движение. Расстояние, которое проходит луч вдоль горизонтальной оси, пропорционально времени. Этот процесс называется разверткой, а горизонтальная линия, которую луч прочерчивает по экрану, называется линией развертки (иногда при измерениях ее называют нулевой линией). Она играет роль оси времени t графика. Частота повторения пилообразных импульсов называется частотой развертки, но она для измерений не используется. Для измерений нужно знать скорость развертки, про которую будет сказано ниже.

Рис. 3. Форма напряжения развертки.

Если при этом на пластины вертикального отклонения (расположенные горизонтально) подать исследуемое напряжение, то луч начнет отклоняться и по вертикали: при положительном напряжении вверх, а при отрицательном - вниз. Движения по вертикали и по горизонтали происходят одновременно и в результате исследуемый сигнал «разворачивается» во времени. Получившееся изображение называется осциллограммой.

На самом деле кроме линейной существует еще круговая и спиральная развертки, а также фигуры Лиссажу, когда один из сигналов является разверткой для второго. Но это уже совсем другая история…

Важным моментом является соотношение частот развертки и сигнала. Если эти частоты в точности равны, то на экране отображается ровно один период исследуемого сигнала. Если частота сигнала вдвое больше частоты развертки, то мы увидим два периода, если втрое - то три. Если частота сигнала вдвое меньше частоты развертки, то мы увидим только половину периода сигнала. Частоту (скорость) развертки можно регулировать в широких пределах. Но изображение будет стабильным только в том случае, если частоты развертки и сигнала точь-в-точь совпадают. При малейшем несовпадении частот, каждое начало движения луча по экрану будет соответствовать новой точке функции входного сигнала, и ее график каждый раз будет рисоваться в новом положении. При небольшом несовпадении частот (доли герца) это будет выглядеть как график, «плывущий» влево или вправо. При несовпадении частот в несколько герц и более, осциллограмма становится нечитаемой (рис. 4).

Рис. 4. Осциллограмма при отсутствии синхронизации.

А ведь добиться абсолютно точного совпадения частот (особенно в десятки-сотни килогерц) практически невозможно. Поэтому разверткой в осциллографе управляет специальная схема синхронизации. Она задерживает начало движения луча по экрану так, чтобы луч начинал двигаться в тот момент, когда входное напряжение достигло определенного значения. В этом случае луч начинает движение (и рисование осциллограммы) каждый раз с одной и той же точки графика входного сигнала. В результате каждое следующее движение луча рисует картинку в одном и том же положении, даже если частоты сигнала и развертки заметно не совпадают. Изображение получается стабильным и устойчивым. Напряжение сигнала, при котором происходит синхронизация (уровень синхронизации), задается органами управления осциллографа. Визуально изменение этого напряжения вызывает смещение начала изображаемого графика относительно начала периода сигнала, рис. 5.

Рис. 5. Осциллограммы при разных уровнях синхронизации.

Для того чтобы можно было наблюдать несколько сигналов одновременно, выпускают многолучевые и многоканальные осциллографы. Обычно число каналов равно двум (иначе получается очень сложно и дорого). ЭЛТ двухлучевых осциллографов работает одновременно с двумя лучами на общем экране, которые позволяют наблюдать два сигнала абсолютно независимо. Но такие приборы сложны и дороги. Поэтому больше распространены двухканальные осциллографы. Их ЭЛТ самая обычная, но они имеют два отдельных входа и два независимых усилителя вертикального отклонения, которые обслуживают входные сигналы. Кроме того, они имеют встроенный высокоскоростной коммутатор, очень быстро переключающий ЭЛТ (пластины вертикального отклонения) от одного канала к другому. Изображения сигналов при этом не являются непрерывными линиями, а состоят из множества штрихов. Но на экране штрихи сливаются, и в результате получается два графика входных сигналов. Лишь при наблюдении высокочастотных сигналов и неудачной частоте развертки изображение может стать пунктирным.

2. Подключение осциллографа

Поскольку напряжение измеряется между двумя точками, то вход осциллографа имеет две клеммы. Причем они не равнозначны. Одна клемма, называемая «фаза», подключена ко входу усилителя вертикального отклонения луча. Вторая клемма - «земля» или «корпус». Она называется так потому, что электрически соединена с корпусом прибора (это общая точка всех его электронных схем). Осциллограф показывает напряжение фазы по отношению к земле .

Очень важно знать, какой из входных проводников является фазой. В импортных приборах обычно используются специализированные щупы, земля которых имеет зажим типа «крокодил» так как часто подключается к корпусу исследуемого устройства, а фаза оканчивается либо «иголкой», которой можно удобно и надежно «воткнуться» даже в контакт маленького размера, либо зажимом (рис. 6). В этом случае перепутать фазу и корпус в принципе невозможно.

Рис. 6. Щуп импортного осциллографа, слева «игла», справа зажим.

Осциллографы отечественного производства чаще всего комплектуются шнурами, имеющими стандартные для России 4-мм штекеры (к ним иногда применяется название «банан», пришедшее из аудиотехники), рис. 7. В этом случае оба штекера одинаковы, и для того, чтобы их различать используются дополнительные признаки. Этих признаков несколько, и они могут встречаться в любом сочетании:

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

Рис. 7. Штекер отечественного осциллографа.

Для определения какой из проводников является фазой, а какой корпусом, надо при никуда не подключенном осциллографе взяться рукой за контакт одного из входных проводников, при этом другой рукой ни до чего не дотрагиваться. Если этот проводник - корпус, то на экране будет только лишь горизонтальная линия развертки. Если этот проводник - фаза, то на экране возникнут довольно значительные помехи, представляющие собой сильно искаженную синусоиду частотой 50 Гц (рис. 8).

Рис. 8. Помехи на экране осциллографа при касании рукой фазы входного кабеля.

Эти помехи возникают из-за того, что существует емкость между телом человека и проводами сети, проложенной в помещении. И возникает ток, протекающий по такой цепи: фаза осветительной сети переменного тока 220 В 50 Гц - емкость между проводами сети и телом человека - рука человека - вход усилителя (фаза входного кабеля) - электронная схема усилителя - корпус осциллографа - емкость между корпусом и Землей - нейтральный провод сети (он всегда заземлен). Цепь замкнута, ток течет. Величина этого тока составляет 10^-8…10^-6 ампера, но вход осциллографа имеет очень высокое сопротивление (порядка 10^6 Ом), поэтому на нем возникает достаточно большое напряжение. Синусоида выглядит искаженной оттого, что емкостное сопротивление участка сеть - тело человека зависит от частоты: чем частота выше, тем сопротивление меньше. Поэтому высокочастотные составляющие (гармоники сети и проникшие в нее помехи) создают больший ток и большее напряжение на входе осциллографа.

Определив фазу и корпус входного кабеля, можно подключать осциллограф к исследуемой цепи. Если в ней нет четко выраженного общего провода, то корпус подключается к любой из точек, напряжение между которыми требуется исследовать. Если в цепи присутствует общий провод - точка, условно принимаемая за нулевой потенциал, соединенная с корпусом устройства или реально заземленная, то корпус осциллографа лучше подключать к этой точке. Невыполнение этого правила может привести к значительным погрешностям измерений (иногда настолько большим, что измерениям и вовсе нельзя доверять).

По своей сути осциллограф является вольтметром, показывающим график напряжения. Однако с его помощью можно наблюдать и форму тока. Для этого последовательно с исследуемой цепью включают резистор Rт (здесь индекс «т» означает токовый), рис. 9. Сопротивление резистора Rт выбирают намного меньшим, чем сопротивление цепи, тогда резистор не влияет на ее работу и его включение не приводит к изменениям режима работы цепи. На резисторе по закону Ома возникает напряжение:

Это напряжение и измеряется осциллографом. А зная величину Rт можно перевести напряжение, показываемое осциллографом в ток.

Рис. 9. Измерение тока осциллографом.

Двухканальный (и двухлучевой) осциллограф может показывать осциллограммы двух сигналов одновременно. Для этого у него имеется два входа (канала), обычно обозначаемых I и II. Следует помнить, что одна из входных клемм каждого канала соединена с корпусом осциллографа, следовательно, клеммы «корпус» обоих каналов соединены между собой. Поэтому эти клеммы должны подключаться к одной и той же точке цепи, иначе в цепи произойдет замыкание (рис. 10).

Рис. 10. Подключение двухканального осциллографа. «Земли» входов могут создать замыкание в цепи.

На рис. 10а точки цепи В и D оказались замкнутыми между собой через корпус осциллографа (замыкающий проводник показан пунктиром). В результате конфигурация цепи изменилась.

Возможность наблюдать не любые два напряжения, а только имеющие общую точку, является недостатком, но небольшим - в электронике один из полюсов источника питания всегда является общим проводом, и все напряжения измеряются относительно него.

Используя двухканальный осциллограф можно одновременно наблюдать и напряжение, и ток в цепи. И таким образом измерять сдвиг фаз между током и напряжением. Схема подключения осциллографа в этом случае показана на рис. 11.

Рис. 11. Подключение осциллографа для измерения сдвига фаз.

Канал I измеряет напряжение, а канал II измеряет ток. Такое включение наиболее оптимально, т.к. напряжение, падающее на резисторе Rт и подаваемое в канал II, в 30…100 раз меньше, чем в канале I, следовательно, оно больше подвержено помехам и синхронизация от низкого напряжения не такая хорошая. Кроме того, конструкция большинства осциллографов несколько «несимметричная» - синхронизация от сигнала канала I обычно более качественная и стабильная. Таким образом, подключение канала I к напряжению обеспечивает более стабильное изображение осциллограммы.

Ошибка подключения на рис. 11б состоит в том, что клеммы корпуса обоих входов не соединены в одной точке. В результате резистор Rт оказывается замкнут накоротко через корпус осциллографа. Самое неприятное, что при этом напряжение на резисторе Rт не равно нулю - из-за того, что сопротивление проводов входных кабелей (через которые этот резистор замыкается) не нулевое. Поэтому при таком подключении можно не заметить эту ошибку (ведь осциллограф что-то показывает), а результат измерения тока при этом будет неверным.

Включение, показанное на рис. 11в неудачно тем, что канал I осциллографа измеряет не напряжение в исследуемой цепи, а сумму напряжений в цепи и на резисторе Rт (напряжение измеряется не на нагрузке, а на источнике). Напряжение на Rт хоть и небольшое по величине, но все равно вносит погрешность в измерение напряжения.

Подключение осциллографа, показанное на рис. 11а не только обеспечивает наибольшую точность измерений, но и позволяет в ряде случаев использовать резистор Rт с довольно большим сопротивлением. Это важно при измерении малых токов: если и ток в цепи и сопротивление Rт малы, то возникающее на Rт напряжение может быть настолько маленьким, что чувствительности осциллографа не хватит для его отображения.

При измерении сдвига фаз необходимо инвертировать сигнал в канале II, поскольку канал II включен встречно по отношению к каналу I.

Рассмотрим переднюю панель двухканального осциллографа С1-83 (рис. 12).

Рис. 12. Передняя панель осциллографа С1-83.

А - управление каналом I.
Б - управление отображением каналов.
В - управление каналом II.
Г - регулировка яркости луча, фокусировки и подсветки экрана.
Д - управление разверткой.
Е - управление синхронизацией.

Хорошо видно, что экран осциллографа разбит на клетки. Эти клетки называются делениями, и используются при измерениях: к ним привязываются все масштабы по вертикали и горизонтали. Масштаб по вертикали - вольты на деление (В/дел или V/дел), масштаб по горизонтали секунды (милли- и микросекунды) на деление. Обычно осциллограф имеет 6…10 делений по горизонтали и 4…8 делений по вертикали. Центральные вертикальная и горизонтальная линии имеют дополнительные риски, делящие деление на 5 или 10 частей (рис. 13, на рис. 12 тоже видно). Риски служат для более точных измерений, они являются долями деления.

Рис. 13. Деления экрана осциллографа.

Управление обоими каналами одинаковое. Рассмотрим его на примере канала I (рис. 14).

Рис. 14. Органы управления канала I.

1. Переключатель режима входа. В верхнем положении «» на вход поступает и постоянное и переменное напряжение. Это называется «открытый вход» - то есть открытый для постоянного тока. В нижнем положении «~» на вход проходит только переменное напряжение, это позволяет измерять маленькое переменное напряжение на фоне большого постоянного, например в усилителях. Реализуется это очень просто: вход усилителя подключается через конденсатор. Это называется «закрытый вход». Учтите, что при закрытом входе очень низкие частоты (ниже 1...5 Гц) сильно ослабляются, поэтому измерять их можно только при открытом входе. В среднем положении переключателя 1 вход усилителя осциллографа отключается от входного разъема и замыкается на землю. Это позволяет при помощи ручки 7 выставить линию развертки в нужное место.

2. Входной разъем канала.

3, 4, 5, 6. Регулятор чувствительности канала вертикального отклонения (масштаба по вертикали). Переключатель 4 задает масштаб ступенчато. Задаваемые им значения нанесены рядом с ним. На выбранное значение указывает риска 5 на переключателе. На рисунке она указывает на значение 0,2 вольта/деление. Ручка 3, расположенная соосно с переключателем, позволяет плавно уменьшать масштаб в 2…3 раза. В крайнем правом положении (на рис. 14 ручка «плавно» находится именно в нем) эта ручка имеет фиксацию, тогда масштаб по вертикали в точности равен заданному переключателем 4. Значения масштабов, выделенные скобкой 6, указаны в милливольтах на деление - об этом говорит надпись «mV» внутри скобки.

7. Ручка выполняет две функции. При вращении она перемещает график канала по вертикали вверх или вниз . При «вытягивании» задает множитель масштаба по вертикали: вытянутая ручка (рис. 15) задает множитель х1, а утопленная множитель х10. Утопленное и вытянутое положения символически показаны над и под ручкой.

Рис. 15. Ручка множителя масштаба по вертикали вытянута в положение «х1».

Канал II (рис. 16) аналогичен каналу I:

1 - переключатель режима входа;
2 - входной разъем;
3 - масштаб плавно;
4 - масштаб ступенчато;
5 - перемещение луча по вертикали и множитель масштаба.

Рис. 16. Органы управления канала II.

Но второй канал имеет дополнительный переключатель 6, позволяющий инвертировать его входной сигнал. В нажатом положении канал работает как обычно, а в вытянутом - инвертируется, то есть при отрицательном входном сигнале луч движется вверх, а при положительном - вниз. Это необходимо при измерении, например, сдвига фаз.

На рис. 17 показано управление отображением каналов, которое определяется нажатием на одну из кнопок.

Рис. 17. Управление отображением каналов.

1 - Работает только канал I, канал II отключен.

2 - Оба канала отображаются одновременно (луч очень быстро переключается между каналами) и взаимное положение осциллограмм обоих каналов верное. В этом режиме можно измерять сдвиг фаз.

3 - Осциллограф показывает сумму или разность сигналов в каналах (знак второго канала определяется положением ручки 6 на рис. 16).

4 - Отображаются сигналы обоих каналов, но они независимы во времени, поэтому никакое сравнение сигналов относительно времени и сдвига фаз производить нельзя.

5 - Работает только канал II, канал I отключен.

Панель управления разверткой (рис. 18) похожа на панель управления каналом вертикального отклонения луча. Она содержит ручку 4, позволяющую сдвигать изображение влево-вправо и комбинированный регулятор (1 - ступенчато, 3 - плавно) скорости развертки (масштаба по горизонтали). Риска 2 на переключателе показывает установленное значение. Как и в каналах вертикального отклонения, переключатель скорости развертки имеет разные единицы измерения: секунды s , миллисекунды ms , микросекунды µs . Вытянутая/утопленная ручка 4 «» задает множитель скорости развертки х0,2 и х1 соответственно. Обратите внимание: на рис. 18 ручка 3 регулирования скорости развертки «плавно» установлена не в крайнее правое положение. Значит скорость развертки не равна значению, заданному переключателем 1, а меньше него (скорость движения луча меньше, а значение время/деление больше!).

Рис. 18. Органы управления разверткой

На панели управления синхронизацией (рис. 19) задается:

Рис. 19. Органы управления синхронизацией.

1 - Источник внутренней синхронизации: напряжением какого канала синхронизируется движение луча. Эта синхронизация производится входным сигналом, поэтому называется внутренней. Такой режим используется для большинства измерений. Варианты здесь такие: либо синхронизация только сигналом канала I. Либо попытка синхронизации от канала I, а если не получается, то синхронизация производится сигналом канала II. Первый вариант иногда работает немного лучше, поэтому надо стараться, чтобы сигнал первого канала был достаточно большой для стабильной синхронизации. В подавляющем большинстве случаев для нормальной работы следует выбирать именно этот режим синхронизации, включив кнопку «I».

2 - Внешняя синхронизация. Движение луча синхронизируется импульсами, подаваемыми со специального внешнего источника на вход синхронизации осциллографа. Такой режим иногда требуется для исследования специфических сигналов. Если внешнего источника синхронизации нет, то получить устойчивое изображение невозможно. Кнопки «0,5-5» и «5-50» задают диапазон входных напряжений от внешнего источника синхронизации. Кнопка «X-Y» совместно с кнопкой «II X-Y» управления отображением каналов (рис. 17) подает сигнал канала II на пластины горизонтальной развертки. В этом режиме можно наблюдать фигуры Лиссажу.
3 - Ручка «Уровень синхронизации». Задает напряжение синхронизации (рис. 5). В нажатом положении этой ручки (как на рисунке) развертка автоматическая. При этом движение луча будет происходить даже если синхронизации не произойдет. Луч задерживается в начале движения на некоторое время до момента синхронизации, но через некоторое время все равно начинает движение. Это «мягкий» режим, более удобный для работы, так как луч всегда остается видимым. В вытянутом положении ручки включается ждущая развертка. В этом режиме луч не начнет движения до тех пор, пока не произойдет синхронизации. Если синхронизации не происходит, луч не движется. Такой режим хорошо подходит для наблюдения непериодических сигналов. Влияние этой ручки на изображение показано на рис. 4 и 5.

4 - «Полярность» синхронизации. На самом деле знаки «+» и «-» означают несколько другое. В положении «+» синхронизация происходит по фронту, т.е. в тот момент, когда входное напряжение достигает заданного (ручкой «Уровень синхронизации») значения при нарастании входного напряжения (изменении от «-» к «+»), рис. 20. В положении «-» синхронизация происходит по спаду - при убывании входного напряжения (изменении от «+» к «-»). В осциллографе в цепи синхронизации используются две различные схемы: одна определяет равно ли входное напряжение заданному и если равно - запускает движение луча. Это напряжение задается ручкой «Уровень синхронизации». Вторая схема определяет, как при этом изменяется входное напряжение - возрастает или убывает. И соответственно разрешает первой схеме сработать.

5 - Режим входа синхронизации. Относится как к внешней, так и ко внутренней синхронизации. В положении «~» вход закрытый, и синхронизация происходит только от переменного напряжения. В положении «» вход открытый, и на срабатывание схемы синхронизации действует и переменное напряжение, и постоянное. Режим «НЧ» то же самое, но сигнал попадает на цепь синхронизации через фильтр низких частот, обрезающий высокочастотные помехи. Это режим есть не во всех осциллографах.

6 - Вход для подачи сигнала внешней синхронизации.

Рис. 20. «Полярность» синхронизации.

4. Измерения осциллографом

Измерения производятся визуально и их погрешность получается довольно высокой. Кроме того, напряжение развертки имеет невысокую линейность, поэтому погрешность измерения частоты и сдвига фаз может достигать 5%. Для минимизации погрешности, изображение должно иметь размер 80…90% от размеров экрана. При измерении напряжения и частоты (временных интервалов) необходимо ручки плавной регулировки усиления входного сигнала и скорости развертки необходимо установить в крайнее правое положение.

4.1. Измерение напряжения

Для измерения напряжения используется известное значение масштаба по вертикали. Перед началом измерения необходимо замкнуть накоротко входные клеммы осциллографа (или установить переключатель режима входа в положение ) и ручкой установить линию развертки на горизонтальную линию сетки экрана, чтобы была возможность правильно определить высоту осциллограммы, рис. 21а.

После этого на вход подается исследуемый сигнал (или переключатель режима входа устанавливается в одно из рабочих положений). На экране появляется график функции сигнала, рис. 21б.

Рис. 21. Измерение напряжения (скриншот цифрового осциллографа): а - подготовка; б - измерение.

Для того чтобы точнее измерить высоту графика, осциллограмма сдвигается ручкой так, чтобы точка, в которой измеряется амплитуда попала на центральную вертикальную линию, имеющую градуировку в долях деления (рис. 22). Получаем: чувствительность канала вертикального отклонения = 1 В/дел, размер осциллограммы 2,6 деления, следовательно амплитуда сигнала 2,6 вольт.

Рис. 22. Определение амплитуды сигнала.

Продемонстрируем измерение напряжения на самом осциллографе. Максимум напряжения имеет величину 3,4 деления (рис. 23). Определение масштаба по вертикали показано на рис. 24. Ручка «плавно» установлена в крайнее правое положение. Риска на переключателе чувствительности показывает 0,5 вольт/деление. Множитель масштаба установлен в положение х10 (утоплен). Следовательно измеряемое напряжение равно:

Рис. 23. Определение амплитуды на осциллографе С1-83.

Рис. 24. Определение масштаба по вертикали на осциллографе С1-83.

4.2. Измерение частоты

Осциллограф позволяет измерять временные интервалы, в том числе и период сигнала. Частота сигнала обратно пропорциональна его периоду. Период сигнала можно измерять в различных частях осциллограммы, но наиболее удобно и точно измерять его в точках пересечения графиком оси времени. Поэтому перед измерением линию развертки необходимо установить на центральную горизонтальную линию сетки экрана (рис. 21а).

Рис. 25. Измерение периода сигнала.

При помощи ручки начало периода совмещается с вертикальной линией сетки, рис. 25 (лучше всего начало периода совмещать с самой левой вертикальной линией экрана, тогда точность будет максимальна). Период сигнала, показанного на рис. 25 равен 6,8 делений. Скорость развертки - 100 мкс/деление (поскольку греческая буква µ, означающая «микро», не всегда доступна для отображения, ее часто заменяют латинской буквой u , сходной по начертанию). Тогда период сигнала

и его частота:

Обратите внимание, что на рисунках 22 и 25 показан один и тот же сигнал, но при различных значениях скорости развертки. Определение частоты по рис. 22 дает большее значение погрешности (точное значение частоты 1,459 кГц). Поэтому наиболее точные измерения получаются, если максимально растянуть изображение по горизонтали. И еще. На рис. 25 длительность периода сигнала чуть-чуть больше, чем 6,8 делений. Раз период больше, частота сигнала на самом деле чуть-чуть меньше, чем та, которую мы получили: реально 1,459 кГц, а у нас 1,47 кГц. На самом деле погрешность измерения меньше одного процента - это высокая точность. Такую точность обеспечивает цифровой осциллограф, у которого развертка линейна. В аналоговом осциллографе погрешность измерения частоты, скорее всего, была бы выше.

4.3. Измерение сдвига фаз

Сдвиг фаз показывает взаимное расположение двух колебательных процессов во времени. Но его измеряют не в единицах времени (которые откладываются по горизонтальной оси), а в долях периода сигнала (т.е. в единицах угла). В этом случае одинаковому взаимному расположению сигналов будет соответствовать одинаковый фазовый сдвиг, независимо от периода и частоты сигналов (т.е. независимо от реального масштаба графиков по оси времени). Поэтому наибольшая точность измерений получается, если растянуть период сигнала на весь экран.

Поскольку в аналоговом осциллографе графики сигнала обоих каналов имеют одинаковый цвет и одинаковую яркость, то для того, чтобы их различать между собой, рекомендуется сделать их разной амплитуды. При этом напряжение, измеряемое каналом I прибора, лучше делать большим - в этом случае синхронизация будет лучше «держать» изображение. Подготовка к измерениям производится так (см. рис.26, на нем для большей наглядности напряжение и ток показаны разными цветами):

Ручками обоих каналов их линии развертки устанавливаются на среднюю линию сетки экрана (при отсутствии сигналов на входах). Ручками регулировки усиления каналов вертикального отклонения (ступенчато и плавно) сигнал 1-го канала устанавливается большой амплитуды, а 2-го канала - меньшей амплитуды. Ручками регулировки скорости развертки устанавливается такая ее скорость, чтобы на экране отображался примерно один период сигнала. Ручкой «Уровень синхронизации» добиваются того, чтобы график напряжения начинался с оси времени (с линии развертки) - точка А. Ручкой добиваются того, чтобы график напряжения начинался с крайней левой вертикальной линии сетки экрана - точка А. Ручками «Скорость развертки» (ступенчато и плавно) добиваются того, чтобы период графика напряжения заканчивался на крайней правой вертикальной линии сетки экрана. Повторяют пункты 4…6 до тех пор, пока период графика напряжения не будет растянут на весь экран, причем его начало и конец должны совпадать с линией развертки (рис. 26).

Прежде, чем измерять величину сдвига фаз, необходимо определить, какой из сигналов (напряжение или ток) опережает, а какой отстает. От этого зависит знак угла сдвига фаз φ. На рис. 26а ток отстает от напряжения - начало его периода расположено во времени позже, чем начало периода напряжения (начало периода напряжения в точке А, а периода тока - в точке Б). Ток начинается позже, следовательно, он отстает, а напряжение опережает. Этой ситуации соответствуют положительные значения угла сдвига фаз. На рис. 26б ток опережает, а напряжение отстает. Поскольку начало периода тока на экране не отображается, то сравниваются окончания первого полупериода: первым к нулю вернется тот график, который начался раньше (точка Г наступает раньше во времени, чем точка В). Угол сдвига фаз при этом отрицателен.

Рис. 26. Ток отстает от напряжения, φ>0 (а); ток опережает напряжение, φ<0 (б).

Модуль угла сдвига фаз φ это расстояние между началами или между концами периода (положительного полупериода) сигналов в делениях сетки экрана (рис. 27). Далее значение модуля φ находится из пропорции, учитывая, что один полный период любого колебания равен 360 градусов:

здесь N - число делений сетки, занимаемых одним периодом сигнала,
α - число делений сетки между началами периодов (концами положительного полупериода).
В примере на рис. 18 модуль φ в обоих случаях равен:

Следует учитывать, что

Рис. 27. Измерение угла сдвига фаз.

В принципе, величину сдвига фаз можно измерить и в конце периода (точки Д и Е на рис. 26), но в правой части экрана линейность напряжения развертки наихудшая, поэтому погрешность измерения будет максимальна.
Если сдвиг фаз равен нулю (в цепи только активная нагрузка или происходит резонанс), то напряжение и ток будут начинаться и заканчиваться одновременно, рис. 28.

Рис. 28. Осциллограмма при сдвиге фаз, равном нулю.

В статье будет подробно рассказано о том, как пользоваться осциллографом, что это такое и для каких целей он необходим. Никакая лаборатория не может просуществовать без измерительной аппаратуры или источников сигналов, напряжений и токов. А если вы планируете заниматься проектированием и созданием различных устройств (особенно если речь идет о высокочастотной технике, например, инверторных блоках питания), то без осциллографа сделать что-либо окажется проблематично.

Что такое осциллограф

Это такой прибор, который позволяет «увидеть» напряжение, а если точнее, то его форму в течение определенного промежутка времени. С его помощью можно измерить немало параметров - напряжение, частоту, силу тока, углы сдвигов фаз. Но чем хорош особенно этот прибор, так это тем, что он позволяет визуально оценить форму сигнала. Ведь в большинстве случаев именно она говорит о том, что конкретно происходит в цепи, в которой проводится измерение.

В некоторых случаях, например, напряжение может содержать не только постоянную, но и переменную составляющую. И форма второй может быть далека от идеальной синусоиды. Такой сигнал вольтметры, например, воспринимают с большими погрешностями. Стрелочные приборы будут выдавать одно значение, цифровые - намного меньшее, а вольтметры постоянного тока в - несколько раз больше. Самое точное измерение получается провести именно при помощи описываемого в статье прибора. И не имеет значения, применяется ли осциллограф Н3013 (как пользоваться, рассмотрено ниже) либо иной модели. Измерения происходят одинаково.

Особенности прибора

Реализовать это довольно просто - необходимо ко входу усилителя подключить конденсатор. В данном случае вход закрыт. Обратите внимание на то, что в этом режиме измерения НЧ-сигналы с частотой менее 5 Гц ослабевают. Следовательно, измерять их можно лишь в режиме открытого входа.

Когда переключатель установлен в среднее положение, то от разъема входа отключается усилитель, и происходит замыкание на корпус. Благодаря этому имеется возможность установить развертку. Так как пользоваться осциллографом С1-49 и аналогами без знания основных органов управления невозможно, стоит о них более подробно поговорить.

Вход канала осциллографа

На передней панели имеется масштаб в вертикальной плоскости - он определяется при помощи регулятора чувствительности того канала, по которому происходит измерение. Существует возможность сменить масштаб не плавно, а ступенчато, при помощи переключателя. Какие задать значения можно с его помощью, смотрите на корпусе рядом с ним. На одной оси с этим переключателем находится регулятор для плавной корректировки (вот как пользоваться осциллографом С1-73 и аналогичными моделями).

На передней панели можно найти ручку с изображением двунаправленной стрелки. Если вращать ее, то график этого канала начнет перемещаться в вертикальной плоскости (вниз-вверх). Обратите внимание на то, что возле этой ручки имеется графическое обозначение, которое показывает, в какую сторону необходимо ее вращать, чтобы изменить значение множителя в меньшую или большую сторону. обоих каналов одинаковые. Кроме того, на передней панели имеются ручки регулировки контрастности, яркости, синхронизации. Стоит отметить, что цифровой карманный осциллограф (как пользоваться девайсом, мы рассматриваем) также имеет ряд настроек отображения графиков.

Как проводятся измерения

Продолжаем описывать, как пользоваться цифровым осциллографом или аналоговым. Важно отметить, что у них у всех есть недостаток. Стоит упомянуть одну особенность - все измерения осуществляются визуально, поэтому имеется риск того, что погрешность окажется высокой. Также следует учитывать тот факт, что напряжения развертки обладают крайне малой линейностью, что приводит к сдвига фаз или частоты примерно на 5%. Чтобы минимизировать эти погрешности, требуется выполнить одно простое условие - график должен занимать примерно 90% площади экрана. Когда проводятся измерения частоты и напряжения (имеется временной интервал), следует регуляторы корректировки усиления сигнала на входе и скорости развертки выставить в крайние правые положения. Стоит заметить одну особенность: так как пользоваться цифровым осциллографом может даже новичок, приборы с электронно-лучевой трубкой потеряли актуальность.

Как измерить напряжение

Чтобы провести измерение напряжения, необходимо использовать значения масштаба в вертикальной плоскости. Для начала нужно выполнить одно из этих действий:

1. Соединить обе входные клеммы осциллографа между собой.
2. Перевести переключатель режимов входа в положение, которое соответствует соединению с общим проводом. Затем регулятором, возле которого изображена двунаправленная стрелка, добиться того, чтобы линия развертки совпала с центральной (горизонтальной) чертой на экране.

Переводите прибор в режим измерений и подаете на вход сигнал, который необходимо исследовать. При этом в какое-либо рабочее положение устанавливается переключатель режимов. А вот как пользоваться портативным цифровым осциллографом? Немного сложнее - у таких приборов намного больше регулировок.

В результате можно видеть на экране некоторый график. Для точного измерения высоты следует использовать ручку с изображением горизонтальной двунаправленной стрелки. Добиваетесь того, чтобы верхняя точка графика попадала на расположенную в центре. На ней имеется градуировка, поэтому будет намного проще произвести расчет действующего напряжения в цепи.

Как измерить частоту

При помощи осциллографа можно провести измерения временных интервалов, в частности, периода сигнала. Вы понимаете, что частота любого сигнала всегда пропорциональна периоду. Измерение периода можно провести в любой области осциллограммы. Но удобнее и точнее провести замер в тех точках, в которых график пересекается с горизонтальной осью. Следовательно, перед началом измерений обязательно установите развертку четко на горизонтальную линию, расположенную по центру. Так как пользоваться портативным цифровым осциллографом намного проще, нежели аналоговым, последние давно канули в лету и редко используются для измерений.

Далее, используя рукоятку, обозначенную горизонтальной двунаправленной стрелкой, необходимо сместить начало периода с крайней левой линией на экране. После вычисления периода сигнала можно, используя простую формулу, рассчитать частоту. Для этого нужно единицу разделить на вычисленный ранее период. Точность измерений бывает различной. Чтобы увеличить ее, необходимо как можно сильнее растягивать график по горизонтали.

Обратите внимание на одну закономерность: при увеличении периода уменьшается частота (пропорция ведь обратная). И наоборот - при уменьшении периода происходит увеличение частоты. Низкое значение погрешности - это когда она составляет менее 1 процента. Но такую высокую точность не каждый осциллограф способен обеспечить. Только на цифровых, в которых линейная развертка, можно получить такие точные измерения.

Как определяется сдвиг фаз

А теперь о том, как пользоваться осциллографом С1-112А для измерения сдвига фаз. Но для начала - определение. Сдвиг фаз - это характеристика, показывающая, как располагаются относительно друг друга два процесса (колебательных) в течение некоторого времени. Причем измерение происходит не в секундах, а в частях периода. Другими словами, единица измерения - это единицы угла. Если сигналы будут одинаково располагаться взаимно, то у них сдвиг фаз будет также одинаков. Причем это не зависит от частоты и периода - реальный масштаб графиков на горизонтальной (временной) оси может быть любым.

Максимальная точность измерения будет в том случае, если растянуть график на всю длину экрана. В аналоговых осциллографах график сигнала для каждого канала будет иметь одну яркость и цвет. Чтобы отличить эти графики друг от друга, необходимо сделать для каждого свою амплитуду. И напряжение, которое подается на первый канал, важно делать максимально большим. При этом получится намного лучше удерживать синхронизацией изображение на экране. Вот как пользоваться осциллографом С1-112А. Другие приборы отличаются в эксплуатации незначительно.

На монитор нанесены деления. Деления позволяют визуально оценить параметры сигнала. Деления, нанесённые по горизонтальной оси, позволяют измерять временные параметры. Деления, нанесённые по вертикальной оси, позволяют измерять напряжение.

Графики, отображаемые на мониторе, называют осциллограммами. Самый простой осциллограф отображает только осциллограммы напряжений. Эта форма отображения показывает зависимость напряжения от времени. Существуют приборы, отображающие зависимость амплитуды от частоты – спектроанализаторы. Такие приборы используются при измерениях уровней шума/вибрации, а так же при анализе спектрального состава сигнала. Графики, отображаемые такими приборами, называются спектрограммами.

Путём просмотра осциллограмм напряжений и спектрограмм можно выявить неисправности в электрических цепях в рабочем режиме без их разборки. По осциллограммам напряжений можно выявить неисправности датчиков, исполнительных механизмов и электропроводки в электронных системах автомобилей.

Нулевая линия.

Если к входу осциллографа не подключать никакого источника напряжения, то осциллограмма будет выглядеть как ровная горизонтальная линия. Такую линию называют "нулевая линия", так как она отображает уровень, соответствующий напряжению равному 0 Вольт на входе осциллографа.

A: – значение напряжения в момент времени указанный маркером. В данном случае соответствует напряжению нулевой линии, что составляет 0 Вольт.

Если вход осциллографа подключить к источнику постоянного напряжения, например к автомобильной аккумуляторной батарее, то полученная осциллограмма так же будет иметь форму ровной горизонтальной линии, но её положение по вертикали на экране будет отличаться от положения нулевой линии.

A: – значение напряжения в момент времени указанный маркером. В данном случае соответствует напряжению автомобильной аккумуляторной батареи и равно ~12,3 Вольт.

Разность между положениями полученной осциллограммы и нулевой линии прямо пропорционально значению напряжения.

Большинство осциллограмм напряжений сигналов имеют форму отличную от ровной горизонтальной линии. Положение нулевой линии на экране осциллографа можно изменять по вертикали – поднять выше или опустить ниже. Необходимость изменения положения нулевой линии (выше или ниже) зависит от формы исследуемого сигнала, а так же возникает в случае использования многоканального осциллографа.

Пример вывода на экран многоканального осциллографа нескольких сигналов одновременно с индивидуальной настройкой положения нулевой линии для каждого канала.

Усиление.

График на экране осциллографа отображает зависимость значения напряжения от времени. Чем большая амплитуда исследуемого сигнала, тем большее на экране осциллографа вертикальное отклонение сигнала. В зависимости от амплитуды, для наглядности отображения сигнала выбирают подходящее усиление. Значение усиления измеряется в Вольтах на деление

Возможность изменения значения усиления позволяет на экране осциллографа отображать как сигналы с очень малой амплитудой напряжения, так и сигналы с очень большой амплитудой напряжения. Необходимое значение усиления зависит от амплитудных параметров исследуемого сигнала.

Один и тот же сигнал будет отображаться по-разному, в зависимости от выбранного значения усиления. Большее значение Вольт/деление выбирают тогда, когда на экране нужно отобразить весь сигнал по амплитуде.

Меньшее значение Вольт/деление выбирают тогда, когда нужно детально исследовать форму и амплитудные параметры отдельных участков сигнала. В таком случае на экране отображается только часть сигнала по амплитуде.

Приведённые примеры демонстрируют, как изменяется отображение осциллограммы одного и того же сигнала на экране осциллографа при изменении значения усиления.

Развёртка.

Осциллограф прорисовывает график напряжения слева направо, начиная с левой стороны экрана. Скорость, прорисовки графика называется развёрткой. Развёртка измеряется в Секундах на деление. Значение развёртки можно изменять с помощью переключателя время/деление.

Один и тот же сигнал будет отображаться по-разному, в зависимости от выбранного значения развёртки. Меньшее время/деление выбирают тогда, когда нужно детально исследовать форму и временные параметры отдельных участков сигнала. В таком случае на экране отображается более короткий по времени фрагмент сигнала.

Осциллограмма напряжения сигнала управления форсункой при меньшем значении развёртки. В данном случае выбрана развёртка 0,2 милли Секунды/деление.

В случае если на экране необходимо отобразить больший по времени фрагмент осциллограммы, например для выявления отдельных импульсов с неправильной формой сигнала либо пропуски импульсов, выбирают большее время/деление.

Осциллограмма напряжения сигнала управления форсункой при большем значении развёртки. В данном случае выбрана развёртка 1 милли Секунда/деление.

Приведённые примеры демонстрируют, как изменяется отображение осциллограммы одного и того же сигнала на экране осциллографа при изменении значения развёртки.

Синхронизация.

Для удобного и наглядного отображения периодичных (циклично повторяющихся) сигналов применяется синхронизация. Синхронизация обеспечивает прорисовку отдельных импульсов, начиная всегда с одной и той же точки экрана, благодаря чему создаётся эффект неподвижного или относительно стабильного изображения. В случае выключенной синхронизации, осциллограф прорисовывает график напряжения слева направо, начиная с крайней левой стороны экрана до тех пор, пока экран не заполнится на всю ширину, после чего прорисовка снова начинается с крайней левой стороны экрана, что неудобно для отображения относительно быстрых периодичных сигналов.

Для настройки синхронизации необходимо выбрать уровень синхронизации (значение напряжения, по достижении которого осциллограф начинает прорисовывать осциллограмму) и фронт сигнала (спадающее или возрастающее напряжение).

В случае если применяется многоканальный осциллограф, необходимо так же указать, по сигналу какого канала осуществлять синхронизацию.

Аналоговый сигнал.

Значение напряжения большинства аналоговых сигналов изменяется во времени. Если изменения циклически повторяются, то такой сигнал называют периодичным, например сигнал управления форсункой. Если осциллограмма напряжения периодичного сигнала пересекает нулевую линию, то такой сигнал называют переменным. Если осциллограмма напряжения периодичного сигнала не пересекает нулевой линии, то такой сигнал называют постоянным. В качестве примера сложного аналогового сигнала постоянного тока можно привести сигнал лямбда-зонда.

Осциллограмма выходного напряжения лямбда-зонда BOSCH
(на основе оксида циркония).
A: – значение напряжения в момент времени указанный маркером. В данном случае соответствует максимальному напряжению выходного сигнала лямбда-зонда и равно ~840 милли Вольт;
A-B: – значение разности напряжений между двумя указанными маркерами моментами времени. В данном случае соответствует размаху выходного напряжения сигнала зонда и составляет ~740 милли Вольт.

Синусоидальный сигнал.

Самым простым примером переменного аналогового напряжения является синусоида. Такой сигнал характеризуется только двумя параметрами – амплитуда и частота. Нулевая линия синусоидального переменного напряжения располагается ровно посередине сигнала.

Необходимо отметить, что большинство сигналов переменного напряжения значительно отличаются от чистого синусоидального. В автомобильной электронике близкими к синусоидальному являются сигналы, сгенерированные магнитными датчиками положения зубчатых колёс.

A: – значение напряжения в момент времени указанный маркером;
A-B: – значение разности напряжений между двумя указанными маркерами моментами времени.

Подобные сигналы генерируют некоторые датчики скорости вращения коленчатого вала, распределительного вала, скорости вращения колёс...

Цифровой сигнал.

Цифровые сигналы от аналоговых отличаются наличием только двух уровней напряжения – "высокий"/"низкий", "включено"/"выключено", "1"/"0". Такие уровни напряжений цифрового сигнала называются "логическими уровнями". В большинстве случаев, логические уровни цифрового сигнала имеют точные значения напряжения, например +5 Вольт и 0 Вольт.

A: – значение напряжения в момент времени указанный маркером. В данном случае соответствует напряжению высокого уровня цифрового сигнала и составляет +5 Вольт.

Цифровые сигналы генерируются ключами (выключателями). Роль ключей выполняют транзисторы, переключающиеся между состояниями "открыт"/"закрыт". Иногда цифровые сигналы генерируются механическими ключами – механическими выключателями, переключателями, электромеханическими реле… Примерами цифровых сигналов автомобильной электронике могут служить датчик Холла, датчики крайних положений дроссельной заслонки, активные датчики положения/частоты вращения коленчатого/распределительного вала...

Но преимущественно, цифровые сигналы используются в вычислительной технике, в том числе и в цифровых блоках управления электронными системами автомобилей.

Частота.

Частота – это количество циклов периодичного сигнала, повторяющееся за определённый период времени. Если за такой период времени принять одну секунду, то количество циклов периодичного сигнала повторившееся за этот период времени называют Герц (Гц). В автомобильной электронике количество оборотов двигателя принято рассчитывать за период времени равный одной минуте (Об/мин).

По осциллограмме напряжения периодичного сигнала можно легко измерить частоту следования импульсов. Для этого необходимо измерить длительность полного цикла сигнала – период. Далее полученное значение временного промежутка можно пересчитать в частоту, воспользовавшись соответствующей формулой.

Рассчитаем частоту следования импульсов сигнала датчика положения коленчатого вала.

Датчик, осциллограмма напряжения выходного сигнала которого приведена выше, генерирует один импульс напряжения за один оборот коленчатого вала. Временной промежуток между двумя ближайшими такими импульсами называется периодом. В данном случае, два следующих один за другим импульса удалены друг от друга на 7,4 деления на экране осциллографа по горизонтали. Для отображения данного сигнала на экране выбрана развёртка (временной промежуток между каждым делением на экране осциллографа по горизонтали) 10 милли Секунд/деление, то есть 0,01 Секунды. Умножив количество делений соответствующее периоду на значение развёртки можно получить численное значение периода повторения сигнала в Секундах:

0,01*7,4=0,074 Секунд.

Зная значение длительности периода повторения сигнала, можно рассчитать, сколько таких периодов проследует за одну секунду, то есть частоту сигнала в Герцах. Для пересчёта периода в частоту, необходимо разделить выбранный временной промежуток (в данном случае 1 Секунда) на период повторения сигнала (для данного сигнала 0,074 Секунд):

1/0,074=13,5 Гц.

Если в данном случае рассчитать, сколько таких периодов проследует за одну минуту, то полученное значение будет соответствовать частоте вращения коленчатого вала в оборотах за минуту. Для пересчёта периода в частоту, необходимо разделить выбранный временной промежуток (в данном случае 60 Секунд) на период повторения сигнала (для данного сигнала 0,074 Секунд):

60/0,074=810 Об/мин.

Подобный расчет можно осуществить, располагая любым осциллографом, но некоторые осциллографы способны рассчитывать и отображать частоту сигнала в Герцах или в Оборотах за минуту в автоматическом или полуавтоматическом режиме.

RPM: – текущая частота вращения коленчатого вала двигателя в Оборотах за минуту.

Длительность импульса.

Длительность импульса – это временной промежуток, в течение которого сигнал находится в активном состоянии. Активное состояние – это уровень напряжения, который включает исполнительный механизм (приводит механизм в действие). В зависимости от схемы включения исполнительного механизма, активное состояние может иметь различные уровни напряжения, например 0 Вольт, +5 Вольт, +12 Вольт… Например, напряжение активного состояния сигнала управления электромагнитной форсункой в большинстве систем управления двигателем теоретически равно 0 Вольт, а практически может колебаться в диапазоне 0…+2,5 Вольт и более.

Impuls width: – длительность импульса.

Для приведённого выше сигнала, длительность импульса открытия форсунки составляет 4,4 деления на экране осциллографа по горизонтали, что при развёртке 1 милли Секунда/деление соответствует 4,4 милли Секунды.

Скважность.

Скважность – это процент времени от периода повторения, когда сигнал находится в активном состоянии. Скважность – один из параметров сигналов ШИМ (Широтно-Импульсная Модуляция).

Duty cycle: – скважность сигнала. Сигнал 67% времени находится в активном состоянии (в данном случае значение напряжения активного состояния сигнала составляет ~1 Вольт);
Frequency: – частота следования импульсов. В данном случае составляет ~100 Герц.

Сигналы ШИМ применяются для управления некоторыми исполнительными механизмами. Например, в некоторых системах управления двигателем сигналом ШИМ приводится в действие электромагнитный клапан холостого хода. Кроме того, сигнал ШИМ генерируют некоторые датчики, преобразовывая величину измеряемого физического параметра в скважность.

ЭДС самоиндукции.

ЭДС (Электро-Движущая Сила) самоиндукции – это напряжение, возникающее вследствие изменения значения величины магнитного поля и/или его направления вокруг электрического проводника. В случае высокой скорости изменения величины магнитного поля внутри соленоида (обмотка электромагнитного реле, электромагнитной форсунки, катушки зажигания, электромагнитного датчика частоты вращения) напряжение ЭДС самоиндукции может достигать десятков/тысяч Вольт. Величина напряжения ЭДС самоиндукции зависит в основном от индуктивности обмотки и скорости изменения величины магнитного поля. Для электромагнитных исполнительных механизмов, величина магнитного поля наиболее быстро изменяется при его разрушении, то есть при быстром отключении напряжения питания соленоида.

В некоторых случаях, эффект ЭДС самоиндукции нежелателен, и применяются меры для его уменьшения/устранения. Но некоторые электрические цепи спроектированы так, чтобы получить максимальный всплеск ЭДС самоиндукции, например, система зажигания бензинового двигателя.

A: – значение напряжения в момент времени указанный маркером. В данном случае соответствует напряжению ЭДС самоиндукции вторичной обмотки катушки зажигания ограниченному напряжением пробоя свечи зажигания и соответствует 8,3 кило Вольт.

Некоторые системы зажигания при напряжении питания 12 Вольт способны развивать напряжение ЭДС самоиндукции до 40-50 тысяч Вольт.