Как пользоваться осциллографом

Для изучения формы, амплитудных колебаний, временных характеристик и особенностей формирования электрических сигналов применяется осциллограф. Прибор используется в научных лабораториях и фундаментальных исследованиях, практическая сфера применения – тестирование электрических схем, ремонтные работы по телемеханике, поверка измерительной аппаратуры.

Измерение амплитуды сигнала на осциллографе

Что такое осциллограф

Осциллограф позволяет визуально изучать характеристики сложных сигналов, рассчитывать временные и амплитудные параметры. Аналоговые модели отображают данные в реальном времени, современные цифровые позволяют архивировать информацию и проводить ее анализ. Для сравнения сигналов применяют устройства с несколькими информационными входами. В зависимости от решаемых задач, встречаются модификации в виде приставок к компьютеру или комбинированные с другой измерительной аппаратурой.

Особенности прибора

Аналоговые приборы требуют большого количества специфических настроек и высокой квалификации операторов – от качества калибровки зависит погрешность результатов, велико влияние человеческого фактора. Современные цифровые аппараты лишены этих проблем и позволяют в разы быстрее получать и интерпретировать данные, но их стоимость очень высока.

Устройство и принцип работы

Основной элемент аналогового осциллографа – специализированная ЭЛТ (электронно-лучевая трубка), которая делает возможным визуальное представление изучаемого сигнала.  Он поступает на входной делитель (определяет диапазон измеряемых значений), усиливается и синхронизируется с генератором развертки, затем попадает на оконечный усилитель и входы ЭЛТ, отображение проходит в реальном времени. Конкретная реализация зависит от производителя, но принцип действия остается неизменным.

Двухполупериодный выпрямитель

Функциональная схема осциллографа

Цифровые приборы устроены по-другому: пользователь видит уже преобразованные в цифру данные, полученные от АЦП (аналого-цифрового преобразователя) и записанные в буферную память, поэтому имеет возможность просмотреть динамику изменения сигнала не только после запуска, но и до пускового импульса. Есть возможность сохранить информацию для последующей обработки на компьютере.

Важно! В цифровом устройстве сигнал не отображается в реальном времени и идет с задержкой.

Сфера применения

Это научные исследования, тестирование образцов на производстве, проверка качества телевизионных сигналов, выявление дополнительных шумов и искажений. Возможно использование в составе узкоспециализированных программно-аппаратных комплексов, где может применяться для диагностики неисправностей АСУ и исполнительных устройств.

Как функционирует

Исследуемый сигнал через делители (входят в комплект) подается на информационный вход прибора (обычно Y вход), выбирается вид синхронизации (при внешней – используется X вход), с помощью переключателей устанавливаются частота синхронизации и диапазон изменения амплитуды. Полученная картинка интерпретируется в соответствии с установленной шкалой делений, для цифровых устройств пересчет производится автоматически, на экране будут видны форма сигнала и ряд вычисленных параметров.

Развертка

Движение луча ЭЛТ по горизонтальной оси при отсутствии исследуемого сигнала на информационных входах называется разверткой, при подаче он будет развернут на временном интервале.

Принцип работы регулятора развертки

Развертка создается с помощью генератора, работа которого зависит от выбранного режима внутренней или внешней синхронизации. Внутренняя – частота задается вручную или синхронизируется с питающей сетью, внешняя – запуск генератора от входного импульса, различают запуск по фронту, спаду или от стороннего источника. Регулятор развертки служит для увеличения/уменьшения периода отображения сигнала.

Блок управления параметрами синхронизации

Позволяет установить значение напряжения исследуемого сигнала и момент (фронт/спад), когда следует запускать генератор. Правильная регулировка позволит добиться стабильного изображения, что важно для снятия данных.

Как подключить импортный осциллограф

Нужно внимательно ознакомиться с руководством пользователя, подготовить рабочее место для прибора, качественно его заземлить.

Далее нужно определить точки для снятия сигнала, нулевую магистраль, посредством щупа произвести их коммутацию с аттенюатором (при неизвестных уровнях сигнала выставить максимальную амплитуду). Включить прибор, дать ему прогреться, выставить необходимые режимы и произвести замеры. Снять показания, замеры повторить несколько раз.

Как подключить отечественный осциллограф

Для отечественной аппаратуры в качестве дополнительной меры по уменьшению погрешностей измерения нужно провести калибровку, но для начинающих такая работа с осциллографом будет сложной. В прибор встроен специальный генератор – калибратор, выдающий эталонные значения, с заранее известной погрешностью, подстройка осуществляется с помощью коррекции усиления и развертки.

Дальнейшие действия

Полученные данные следует привести к среднему значению, учесть возможную погрешность устройства и оператора, сохранить информацию. Цифровой прибор все вычисления производит сам, но за удобство нужно платить.

Двухканальный осциллограф

Такой прибор позволяет не только получать данные об исследуемых сигналах, но и производить их сравнение между собой. Двухканальный прибор, соответственно, имеет два информационных входа (может быть до 16) и позволяет отображать их состояние одновременно.

Возможности двухканального прибора

Двухлучевой осциллограф применяется при необходимости измерения фазового сдвига относительно друг друга для отображаемых сигналов. Идет графическое представление на экране одного цвета, поэтому для наглядности имеет смысл разнести амплитуды.

Органы управления

На передней панели любого осциллографа находятся:

• регулировка яркости экрана;
• управление фокусом изображения;
• смещение по горизонтали;
• смещение по вертикали;
• регулятор шкалы развертки;
• регулятор входного делителя;
• вход исследуемого сигнала;
• вход для внешней синхронизации;
• клемма заземления:
• кнопка управления входом (открытый/закрытый);
• управление синхронизацией.

Передняя панель одноканального осциллографа

Все вышеперечисленное присутствует у любого однолучевого прибора, для многоканальных устройств количество органов управления растет пропорционально количеству каналов, в зависимости от модели могут быть добавлены новые функции. Цифровые модели имеют аналогичное управление, которое дополнено возможностью проводить математические расчеты и анализ осциллограмм.

Режим входа

При анализе сигналов с большой постоянной составляющей удобно не учитывать ее при выводе значений на экран: итоговая амплитуда может просто выйти за границу шкалы. Для ее отсечки используется режим с закрытым входом. Если нужно учесть низкие частоты и постоянную, работу ведут в режиме открытого входа.

Вход канала осциллографа

Для внесения минимальных искажений информационный вход прибора обладает большим сопротивлением, обычно 1 МОм, чтобы не шунтировать элементы исследуемой схемы. Для высокочастотных сигналов имеют значение емкостные характеристики, обычно находятся в пределах 20-40 пикофарад.

Как проводятся измерения

Работа с осциллографом предусматривает проведение предварительной подготовки: выбор режима синхронизации, входа, шкалы измерений, затем можно приступать к измерениям.

Как измерить напряжение

После снятия с информационного входа данных с помощью регулировки синхронизации развертки получается устойчивое изображение, которое совмещается со шкалой на экране. Проводят несколько замеров, вычисляют среднее значение. Действующее значение выводят согласно шкалы измерений.

Как измерить частоту

Настроив картинку хорошего качества, на которой виден период изменения сигнала, совместив его начало с началом горизонтальной линейки и зная единицы шкалы измерений, можно вычислить частоту, которая обратно пропорциональна периоду.

Как определяется сдвиг фаз

Стабилизировав изображение с двумя сигналами (вот для чего необходим двухлучевой осциллограф), для удобства необходимо разнести значения амплитуд и совместить начала периодов, на экране будет виден сдвиг фаз. Для вычисления значения можно использовать формулу:

где:

• а – расстояние в делениях между точками прохождения нулевой отметки осциллограмм,
• b – период в делениях шкалы.

При наличии только одноканального прибора возможно определение сдвига фаз по фигурам Лиссажу, но это сложнее.

Сдвиг фазы между синусоидальными сигналами

Ошибки при выборе и работе с осциллографом

Понимание, как пользоваться осциллографом, приходит только с практическим опытом работы, теоретических знаний недостаточно – нужно руками произвести все настройки, коммутацию и измерения. Цифровой прибор сильно облегчает процесс, но стоимость аппаратуры очень высока.

Обязательно необходимо соблюдать технику безопасности: напряжение на ЭЛТ, как на кинескопе телевизора, – убить не убьет, но покалечить может. Паспорт и руководство описывают, как работать с осциллографом, но здравый смысл никто не отменял: экспериментировать нужно осторожно.

Видео

Автор:

Винoгрaдов Aндрeй Aлексaндрoвич