Осциллограф — понятие и конструкция прибора

Осциллограф – это измерительный прибор, который показывает изменение амплитуды сигнала с учетом временного графика. Такое оборудование применяют в домашних и профессиональных лабораториях. С помощью этого преобразователя настраивают электрические схемы, находят и устраняют неисправности компьютеров, телевизоров, усилителей, блоков питания.

Современный осциллограф

Общие определения

Электронно-лучевой осциллограф, или осциллоскоп (oscilloscope), отображает на своем экране график зависимости амплитуды сигнала от времени. Несмотря на сложный внешний вид, работа с прибором не вызывает существенных затруднений, также как с тензометром. Многочисленные элементы управления помогают настроить удобный для пользователя масштаб изображения.

Осциллограмма

Этот проверочный цикл работы форсунок двигателя внутреннего сгорания используют для ремонта электронных блоков и регулировки угла зажигания. Рисунок наглядно демонстрирует, для чего нужен осциллограф. С применением обычного мультиметра невозможно получить аналогичный результат, чтобы объективно оценить форму сложного сигнала.

Назначение осциллографа определить несложно по перечню типовых задач:

• измерение временных, амплитудных и частотных характеристик;
• изучение сдвига фаз в разных участках цепей;
• выявление искажений формы, постоянной и переменной составляющих сигнала.

Классификация

По виду используемой схемотехники (электронных компонентов) различают цифровые и аналоговые измерительные приборы. Простые модели показывают только динамическую картинку. Современные – оснащены функцией запоминания для обеспечения лучших условий при изучении сложных процессов. Некоторые электронные осциллографы способны выводить на экран до 14 и более сигналов одновременно. Для исследования оптических сигналов производители выпускают стробоскопические высокоскоростные модификации.

Отдельно следует отметить специализированные приставки, которые подключаются через стандартный порт или коммуникационную плату к ноутбуку (стационарному компьютеру). Такое комбинированное оборудование можно перенастроить с применением специализированного программного обеспечения.

Плагин vst обеспечивает удобство обработки волновых процессов в звуковом диапазоне

Устройство

Что такое осциллограф, можно выяснить на примере типовой конструкции:

• вакуумная трубка (ЭЛТ) покрыта изнутри люминофором, который светится при попадании электронных лучей;
• блок горизонтальной развертки формирует пилообразные сигналы вместе с импульсами «гашения» луча при возврате в исходное положение;
• усилитель увеличивает амплитуду входного сигнала до необходимого уровня чувствительности ЭЛТ;
• для синхронизации развертки применяют внутренний генератор тактовой частоты или внешний источник.

Устройство осциллографа

Экран

На картинке выше приведена блок схема осциллографа с электронно-лучевой трубкой. В современных моделях часто применяют дисплеи, созданные с применением технологий жидких кристаллов. Они экономичнее и надежнее, весят меньше. Координатную сетку наносят на прозрачную накладку либо формируют программным способом.

Современный экран позволяет уменьшить осциллограф что это такое на практике демонстрирует данная картинка

Сигнальные входы

В многолучевых осциллографах сохранен базовый принцип работы, однако сигналы подают на отдельные каналы. В каждом из трактов установлен собственный усилитель. Регулировкой выравнивают амплитуды для удобного сравнения нескольких показателей.

Управление развёрткой

В осциллографии применяют следующие виды развертки:

1. «Автомат» – импульсы генерируются по заданному режиму без дополнительного вмешательства со стороны пользователя.
2. Ждущий – применяют при малых уровнях (отсутствии) сигнала. Он запускается по определенному уровню фронта (спада). В некоторых случаях используют внешнее управление.
3. Однократный – активируется принудительно. Его применяют для исследования одиночных сигналов (последовательностей из нескольких импульсов).

Синхронизация развёртки с исследуемым сигналом

Чтобы обеспечить неподвижность «картинки», траекторию движения луча по экрану необходимо согласовать с процессом прохождения сигнала. Задачу решают с помощью запуска развертки по нулевому или другому уровню на входе. Ограничением является порог восприятия частоты человеческим глазом. От 18-22 Гц и выше мерцания не заметны.

Основные параметры

Для выбора осциллографа рекомендуется правильно оценивать следующие характеристики:

• чтобы исключить искажения при работе с несколькими высокочастотными сигналами, следует приобрести двух,- или многолучевой прибор;
• в разных моделях погрешность составляет 5-15%, поэтому следует учитывать ограниченную точность измерений;
• цифровые аппараты оснащают цветными экранами, разнообразными устройствами для синхронизации, дополнительными сервисными режимами;
• функциональность аналоговых приборов скромнее, но стоят они дешевле;
• ограниченные возможности амплитудно-частотных преобразователей затрудняют качественную обработку цифровой электроникой высокочастотных сигналов;
• режим застывшей картинки с функцией увеличения поможет изучить мельчайшие детали сложных изображений.

Перед детальным анализом нужно уточнить, для чего именно предназначается прибор. Далее оценивают соответствие по следующим параметрам:

• полоса пропускания;
• частотный диапазон;
• входное сопротивление;
• допустимые значения амплитуды (переменной и постоянной составляющей);
• погрешность измерений;
• развязка между каналами;
• объем внутренней памяти (цифровая техника).

Области применения

Осциллограф предназначен для изучения динамических процессов. Чтобы пользоваться прибором правильно, следует не превышать конструкционные возможности. Ниже представлены примеры решения практических задач.

Наблюдение фигур Лиссажу

При одновременной подаче на входы осциллографа сигналов с приблизительно равными частотами на экране будут видны характерные изображения. Этот метод используют для настройки генератора по эталонному образцу.

Фигура Лиссажу на ЭЛТ аналогового прибора

Курсорные измерения

Для повышения точности измерений на экран выводят вспомогательные координатные полосы (курсоры). При хорошей оснащенности осциллограф индицирует отдельные показатели в цифровом виде.

Математические функции

Некоторые модели современных осциллографов (блоки для подключения к компьютеру) способны обрабатывать сигналы по сложному алгоритму. Необходимый вариант описывают соответствующей математической функцией: сложение, вычитание или др.

Захват строки телевизионного сигнала

В соответствии с названием такой режим предназначен для изучения телевизионного сигнала. Главная особенность – специальная синхронизация, позволяющая выводить на экран необходимое количество строк.

Настройка

Калибровку выполняют с помощью встроенного генератора образцового сигнала. Точные характеристики импульсов указаны в сопроводительной документации. Коррекцию формы можно сделать вручную.

Дополнительные возможности

В современной электронике часто приходится проверять аналоговые и цифровые сигналы одновременно. Для работы с такими задачами пригодится осциллограф с встроенным логическим анализатором.

Некоторые современные приборы оснащают режимом сегментации блока памяти. Это пригодится для длительного контроля сигнала с автоматическим сравнением по образцовой форме. Регистрироваться и записываться будут только отклонения (шумы, искажения).

Для автомобильных сервисных станций выпускают специализированные осциллографы (сканеры). Кроме особых переходников, такие аппараты дополняют программным обеспечением. Это оборудование применяют для контроля функционального состояния датчиков и других электронных компонентов через бортовой компьютер.

История

Первые попытки записи динамического процесса электромагнитных колебаний были выполнены успешно в конце 19-го века. В инженерных решениях того времени пользовались механическим приводом и твердыми светочувствительными носителями. Первый кинескоп с горизонтальной разверткой был применен в 1889 г.

Интересные факты

Экран осциллографа был использован для создания первой электронной игры «Теннис». Изображение формировалось сигналами, которые подавали на соответствующие входы. До появления специализированных приставок опытные радиолюбители самостоятельно создавали действующие измерительные приборы с подключением к настольному компьютеру. В настоящее время подобные эксперименты экономически нецелесообразны.

Видео

Автор:

Винoгрaдов Aндрeй Aлексaндрoвич