Як користуватися осцилографом

Для вивчення форми, амплітудних коливань, тимчасових характеристик та особливостей формування електричних сигналів застосовується осцилограф. Прилад використовується у наукових лабораторіях та фундаментальних дослідженнях, практична сфера застосування – тестування електричних схем, ремонтні роботи з телемеханіки, перевірки вимірювальної апаратури.

Вимірювання амплітуди сигналу на осцилографі

Що таке осцилограф

Осцилограф дозволяє візуально вивчати характеристики складних сигналів, розраховувати часові та амплітудні параметри. Аналогові моделі відображають дані в реальному часі, сучасні цифрові дозволяють архівувати інформацію та проводити її аналіз. Для порівняння сигналів використовують пристрої з декількома інформаційними входами. Залежно від розв'язуваних завдань зустрічаються модифікації у вигляді приставок до комп'ютера або комбіновані з іншою вимірювальною апаратурою.

Особливості приладу

Аналогові прилади вимагають великої кількості специфічних налаштувань та високої кваліфікації операторів – від якості калібрування залежить похибка результатів, великий вплив людського чинника. Сучасні цифрові апарати позбавлені цих проблем і дозволяють у рази швидше отримувати та інтерпретувати дані, але їхня вартість дуже висока.

Пристрій та принцип роботи

Основний елемент аналогового осцилографа - спеціалізована ЕПТ (електронно-променева трубка), яка уможливлює візуальне подання досліджуваного сигналу. Він надходить на вхідний дільник (визначає діапазон вимірюваних значень), посилюється та синхронізується з генератором розгортки, потім потрапляє на кінцевий підсилювач та входи ЕЛТ, відображення проходить у реальному часі.Конкретна реалізація залежить від виробника, але принцип впливу залишається незмінним.

Функціональна схема осцилографа

Цифрові прилади влаштовані інакше: користувач бачить вже перетворені на цифру дані, отримані від АЦП (аналого-цифрового перетворювача) і записані в буферну пам'ять, тому має можливість переглянути динаміку зміни сигналу як після запуску, а й до пускового імпульсу. Можна зберегти інформацію для подальшої обробки на комп'ютері.

Важливо! У цифровому пристрої сигнал не відображається у реальному часі та йде із затримкою.

Сфера застосування

Це наукові дослідження, тестування зразків на виробництві, перевірка якості телевізійних сигналів, виявлення додаткових шумів та спотворень. Можливе використання у складі вузькоспеціалізованих програмно-апаратних комплексів, де може застосовуватись для діагностики несправностей АСУ та виконавчих пристроїв.

Як функціонує

Досліджуваний сигнал через дільники (входять до комплекту) подається на інформаційний вхід приладу (зазвичай Y вхід), вибирається вид синхронізації (при зовнішній – використовується X вхід), за допомогою перемикачів встановлюються частота синхронізації та діапазон зміни амплітуди. Отримана картинка інтерпретується відповідно до встановленої шкалою поділів, для цифрових пристроїв перерахунок здійснюється автоматично, на екрані буде видно форму сигналу та ряд обчислених параметрів.

Розгортка

Рух променя ЕПТ горизонтальною осі за відсутності досліджуваного сигналу на інформаційних входах називається розгорткою, при подачі він буде розгорнутий на часовому інтервалі.

Принцип роботи регулятора розгортки

Розгортка створюється за допомогою генератора, робота якого залежить від вибраного режиму внутрішньої або зовнішньої синхронізації. Внутрішня - частота задається вручну або синхронізується з мережею живлення, зовнішня - запуск генератора від вхідного імпульсу, розрізняють запуск по фронту, спаду або від стороннього джерела. Регулятор розгортки служить для збільшення/зменшення періоду відображення сигналу.

Блок керування параметрами синхронізації

Дозволяє встановити значення напруги досліджуваного сигналу та момент (фронт/спад), коли слід запускати генератор. Правильне регулювання дозволить досягти стабільного зображення, що важливо для зняття даних.

Порада. Від стійкості картинки залежить похибка виміру – вона має бути якісною.

Як підключити імпортний осцилограф

Потрібно уважно ознайомитись з посібником користувача, підготувати робоче місце для приладу, якісно його заземлити.

Важливо! Заземлення гарантує, що при роботі на корпусі не буде небезпечного статичного заряду, торкнувшись якого можна отримати удар рукою.

Далі потрібно визначити точки для зняття сигналу, нульову магістраль, за допомогою щупа зробити їхню комутацію з атенюатором (при невідомих рівнях сигналу виставити максимальну амплітуду). Включити прилад, дати йому прогрітися, виставити необхідні режими та виміряти. Зняти свідчення, виміри повторити кілька разів.

Як підключити вітчизняний осцилограф

Для вітчизняної апаратури як додатковий захід для зменшення похибок вимірювання потрібно провести калібрування, але для початківців така робота з осцилографом буде складною.У прилад вбудований спеціальний генератор - калібратор, що видає еталонні значення, із заздалегідь відомою похибкою, підстроювання здійснюється за допомогою корекції посилення та розгортки.

Подальші дії

Отримані дані слід призвести до середнього значення, врахувати можливу похибку пристрою та оператора, зберегти інформацію. Цифровий прилад усі обчислення робить сам, але за зручність потрібно платити.

Двоканальний осцилограф

Такий прилад дозволяє не тільки отримувати дані про досліджувані сигнали, але й порівняти між собою. Двоканальний прилад, відповідно, має два інформаційні входи (може бути до 16) і дозволяє відображати їхній стан одночасно.

Можливості двоканального приладу

Двопроменевий осцилограф застосовується при необхідності вимірювання фазового зсуву відносно один одного для сигналів, що відображаються. Йде графічна вистава на екрані одного кольору, тому для наочності є сенс рознести амплітуди.

Органи управління

На передній панелі будь-якого осцилографа знаходяться:

• регулювання яскравості екрана;
• керування фокусом зображення;
• зміщення по горизонталі;
• зміщення по вертикалі;
• регулятор шкали розгортки;
• регулятор вхідного дільника;
• вхід досліджуваного сигналу;
• вхід для зовнішньої синхронізації;
• клема заземлення:
• кнопка керування входом (відкритий/закритий);
• керування синхронізацією.

Передня панель одноканального осцилографа

Все вищеперелічене є у будь-якого однопроменевого приладу, для багатоканальних пристроїв кількість органів управління зростає пропорційно до кількості каналів, залежно від моделі можуть бути додані нові функції.Цифрові моделі мають аналогічне управління, яке доповнено можливістю проводити математичні розрахунки та аналіз осцилограм.

Режим входу

При аналізі сигналів з великою постійною складовою зручно не враховувати її при виведенні значень на екран: підсумкова амплітуда може вийти за кордон шкали. Для її відсікання використовується режим із закритим входом. Якщо потрібно врахувати низькі частоти та постійну роботу ведуть в режимі відкритого входу.

Вхід каналу осцилографа

Для внесення мінімальних спотворень інформаційний вхід приладу має великий опір, зазвичай 1 МОм, щоб не шунтувати елементи досліджуваної схеми. Для високочастотних сигналів мають значення ємнісні характеристики, які зазвичай знаходяться в межах 20-40 пікофарад.

Як проводяться виміри

Робота з осцилографом передбачає проведення попередньої підготовки: вибір режиму синхронізації, входу, шкали вимірів, потім можна приступати до вимірів.

Як виміряти напругу

Після зняття з інформаційного входу даних за допомогою налаштування синхронізації розгортки виходить стійке зображення, яке поєднується зі шкалою на екрані. Проводять кілька вимірів, обчислюють середнє значення. Чинне значення виводять відповідно до шкали вимірів.

Як виміряти частоту

Налаштувавши картинку хорошої якості, на якій видно період зміни сигналу, поєднавши його початок з початком горизонтальної лінійки та знаючи одиниці шкали вимірювань, можна обчислити частоту, яка обернено пропорційна періоду.

Як визначається зсув фаз

Стабілізувавши зображення з двома сигналами (ось для чого необхідний двопроменевий осцилограф), для зручності необхідно рознести значення амплітуд і поєднати початку періодів, на екрані буде видно зсув фаз. Для обчислення значення можна використати формулу:

• а – відстань у поділах між точками проходження нульової позначки осцилограм,
• b – період розподілу шкали.

За наявності лише одноканального приладу можливе визначення зсуву фаз по фігурах Ліссажу, але це складніше.

Зсув фази між синусоїдальними сигналами

Помилки при виборі та роботі з осцилографом

Розуміння, як користуватися осцилографом, приходить лише з практичним досвідом роботи, теоретичних знань недостатньо – потрібно руками зробити всі налаштування, комутацію та вимірювання. Цифровий прилад дуже полегшує процес, але вартість апаратури дуже висока.

Важливо! Не варто набувати старого радянського приладу, т.к. похибки вимірювань не дадуть достовірних даних, відкалібрувати його не вдасться.

Обов'язково необхідно дотримуватися техніки безпеки: напруга на ЕПТ, як на кінескопі телевізора, - убити не уб'є, але покалічити може. Паспорт та керівництво описують, як працювати з осцилографом, але здоровий глузд ніхто не скасовував: експериментувати треба обережно.

Основи використання осцилографів, аналізаторів спектру та генераторів

Робота з осцилографом. Все починається з вимірювального щупа! Дріт щупа коаксіальний. Центральна жила сигнальна щупа, обплетення земля (мінус або загальний провід). На деяких щупах, особливо на сучасних осцилографах, усередині вбудований дільник напруги (1:10 або 1:100), який дозволяє вимірювати широкий діапазон напруги.Перед проведенням вимірювань звертайте увагу на положення тумблера на щупі, щоб уникнути помилок вимірювання. Щуп має вбудований компенсаційний конденсатор. У смузі низьких частот (нижче 300Гц) його впливу посилення немає, але у смузі 3кГц - 100МГц очевидно істотне зміна посилення. В осцилографах є внутрішній генератор меандра, сигнал якого виведений на передню панель, на клему калібрування. Калібрувальний сигнал передбачений спеціально для підстроювання компенсаційної ємності. Частота цього сигналу зазвичай дорівнює 1кГц при розмаху в 1В. Щуп підключається до клеми калібрування і підлаштовується для отримання найбільш правильної форми сигналу. Підключаємо щуп до осцилографа. Вхід осцилографа може бути закритим або відкритим. Це дозволяє підключати сигнал до підсилювача або безпосередньо, або через розділовий конденсатор. Якщо вхід відкритий, то на підсилювач Y буде подано і постійну складову та змінну. Якщо закрита тільки змінна.

• синусоїдальні сигнали;
• меандри та прямокутні сигнали;
• трикутні сигнали та пилкоподібні;
• перепади та імпульсні сигнали;
• складні сигнали.

До сигналів складної форми відносяться:

• сигнали з аналоговою, цифровою, широтно-імпульсною та квадратурною модуляцією;
• цифрові послідовності та кодовані цифрові сигнали;
• псевдовипадкові потоки бітів та слів.

Одним з різновидів генераторів є генератор частоти, що коливається. Це особливий вид генератора сигналів, у якому частота вихідного сигналу плавно змінюється у певному інтервалі, а потім швидко повертається до початкового значення. У цей час амплітуда вихідного сигналу залишається незмінною.

Якщо в розпорядженні радіоаматора є осцилограф, то користуючись ним спільно з генератором частоти, що коливається, можна легко перевірити і налаштувати кварцові, електромеханічні і LC-фільтри, радіочастотний і ПЧ тракти приймача або передавача, досліджувати АЧХ радіо- і телеапаратури в широкому інтервалі частот.

Результати порівняння технічних характеристик та внутрішній пристрій вимірювального комплексу будуть докладно описані у наступному відео.

Теги: