Каталог огранизаций по электромонтажу и электролабораторий:
Москва
Санкт-Петербург

Осциллограмма

При настройке электронного оборудования, мониторинге сигналов в промежуток времени на экране осциллографа отслеживается осциллограмма. Ремонт аудио,- и видеоаппаратуры становится намного легче, если процессы, происходящие в электрической цепи, можно не только измерить, но и увидеть.

Осциллограмма на дисплее прибора
Осциллограмма на дисплее прибора

Значение слова осциллограмма

В переводе с греческого языка осциллограмма – это качающееся изображение. Действительно, на экране осциллоскопа можно наблюдать колеблющуюся светящуюся линию. Этот движущийся график способен показать, как изменяется электрический сигнал с течением периода времени.

Определение угла сдвига фаз на осциллограмме

Чтобы измерить угол сдвига фаз на графиках двух сигналов, следует подавать на первый канал максимальное напряжение. Это улучшит синхронизацию картинки на экране. Величина сдвига измеряется не в секундах, а в градусах. Визуально можно проследить расположение двух графиков электрического сигнала относительно друг друга в конкретный период времени. Синусоидальная форма сигнала позволяет фиксировать сдвиг фаз. Для повышения точности результата можно растягивать изображение в длину или установить для сигналов разную амплитуду, чтобы отличать один от другого.

Применение осциллографа

Прибор используют для наблюдения на дисплее графика изменения параметров исследуемого сигнала или сигналов. Что измеряет осциллограф? С его помощью можно одновременно контролировать напряжение, силу тока, частоту и сдвиг фаз. Измерение сигналов, подаваемых на вход осциллоскопа, проводят как в стационарных, так и в полевых условиях.

Принцип функционирования

Общий принцип работы прибора прост. Он регистрирует любое изменение напряжения испытуемого сигнала и выводит его на дисплей. Со времён самописца, придуманного Андре Блондалем, где индуктивная катушка управляла колебаниями маятника, идея претерпела изменения. После изобретения электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) прибор стал полноценным измерителем. Органы управления находятся на передней панели.

Поданный на вход сигнал может иметь разную амплитуду. Расположенный на передней панели регулятор «В/дел», позволяет растягивать или уменьшать получаемую картинку по оси Y. Ручка «длительность» изменяет скорость движения луча по дисплею. Это частота развёртки.

К сведению. Луч постоянно перемещается слева на право, вертикальное отклонение ему задаёт импульс, приходящий на вход. В результате на дисплее получается синусоида или иные колебания.

С помощью частоты развёртки добиваются остановки картинки. Когда она близка или совпадает с частотой сигнала, то картинка замирает и становится статичной. Вот главный принцип работы прибора.

Классификация

Так как осциллоскоп работает с входящими сигналами, то по виду обработки импульсов приборы делятся на:

  • аналоговые;
  • цифровые.

В аналоговых аппаратах применяются ЭЛТ с электростатическим смещением.

Внешний вид аналогового осциллографа
Внешний вид аналогового осциллографа

Цифровые аппараты оснащены жк-дисплеем. Они имеют память, позволяющую рассматривать уже зафиксированные сигналы, делать их скриншоты. ЖК-цветной монитор способствует улучшению восприятия картинки.

Следующее деление можно провести по числу лучей:

  • однолучевые;
  • двухлучевые;
  • многолучевые.

Важно! N-лучевой прибор показывает сразу n-графиков на дисплее. У него n-входов. Но количество входов (каналов) не всегда равно количеству лучей. Так, двухканальный измеритель может отображать два сигнала одним лучом, но не одновременно.

Цифровой прибор с осциллограммой на жк дисплее
Цифровой прибор с осциллограммой на жк дисплее

Цифровые осциллографы можно разделить на модели:

  • стробоскопические;
  • запоминающие;
  • люминофорные;
  • виртуальные.

Стробоскопические осциллографы сжимают спектр исследуемого сигнала путём моментального стробирования в определённой точке. С каждым новым появлением сигнала точка смещается по кривой, пока не простробируется сигнал. На дисплей выдаётся преобразованная кривая, повторяющая форму основного сигнала, но состоящая из мгновенных значений.

В запоминающих моделях цифровой формат информации позволяет сохранять результаты измерений в памяти или выводить на печать. У большинства моделей в наличии накопитель, где можно хранить картинки в виде файлов.

Технология «цифрового люминофора» даёт возможность имитировать изменение интенсивности картинки, присущее аналоговым моделям, но уже в цифровом формате. Люминофорные осциллографы выдают на дисплей модулированные сигналы в мельчайших подробностях, как и аналоговые устройства. При этом они обеспечивают измерение, сравнение и хранение, как цифровые запоминающие модели.

Отдельный класс виртуальных осциллографов может быть внешним или внутренним дополнительным гаджетом на базе ISA или PCI карт. ПО любого виртуального осциллоскопа разрешает полностью управлять прибором и предоставляет линейку сервисных опций: цифровая фильтрация, экспорт и импорт данных и иные возможности.

Двухканальный прибор

Модели типа «два канала – один луч» имеют два канала вертикальной развёртки и однолучевую ЭЛТ. Конструктивно это переключаемые электронным переключателем входы Y1 и Y2. Переключатель поочерёдно соединяет выходные сигналы каналов с пластинами вертикального отклонения.

Устройство

Упрощённая блок-схема осциллографа отображает структурное строение аналогового прибора. Это входной делитель, усилитель горизонтальной развёртки и схема синхронизации, усилитель вертикального отклонения, блок питания и электронно-лучевая трубка.

Блок-схема аналогового осциллографа
Блок-схема аналогового осциллографа

Цифровые измерители осциллограмм имеют в своём составе:

  • входной делитель;
  • нормализующий усилитель;
  • аналого-цифровой преобразователь;
  • блок памяти;
  • устройство управления;
  • устройства отображения.

Устройство отображения представляет собой жидкокристаллическую панель чёрно-белого или цветного отображения картинки.

Экран

Способность изображать изменения исследуемых гармонических колебаний – есть основная задача этого прибора. До появления жк-дисплеев эту роль выполняла ЭЛТ. Это стеклянный конусообразный баллон, дно которого покрыто люминофором. Он издаёт видимое свечение при попадании на него электронного луча. На экран нанесена калибровочная сетка с делениями.

Устройство электронно-лучевой трубки
Устройство электронно-лучевой трубки

Сигнальные входы

Количество входов прибора обозначает число его каналов. Наличие 2 и более каналов обозначает многоканальный осциллограф. Входные импульсы от каждого канала подаются на Y-вход и усиливаются собственным усилителем вертикальной развёртки.

Важно! Такой усилитель всегда выполнен по схеме усиления постоянного тока. Значит, нижняя граница частоты – 0 Гц. Это даёт возможность измерить постоянное напряжение, отображать несимметричные сигналы и контролировать постоянную составляющую сигнала.

Управление развёрткой

График, который получится в результате подачи напряжения на вертикально расположенные пластины, напоминает зубья пилы. Разность потенциалов нарастает, потом резко падает. При наблюдении за движением луча видно, что он бегает слева направо. Такие пилообразные движения называются вертикальной и горизонтальной развёрткой. Горизонтальную развёртку ещё зовут строчной. Периодичность повторения пилообразных импульсов определяет частоту развёртки.

Синхронизация развёртки с исследуемым сигналом

Эта функция необходима для того, чтобы картинка луча в циклах развёртки была неподвижной. Значит, что при повторении каждого следующего движения по экрану луч должен проходить свой путь по одной и той же траектории. Этим занимается синхронизация развёртки. Она запускает развёртку с заданной точки. При частоте повторения больше 20 Гц, в результате инерционности человеческого зрения, наблюдается неподвижное изображение.

Информация. Схема синхронизации задерживает запуск развёртки до какого-либо заданного события. Это событие задаёт оператор. Этот импульс может задаваться в режимах внутренней и внешней синхронизации.

Оперируют всегда с двумя настройками:

  • уровень запуска – по напряжению;
  • тип запуска – по фронту или спаду импульса.

Применительно к работе с цифровыми устройствами запуск развёртки происходит при совпадении заданного двоичного кода с кодом на шине микропроцессора.

Применение

Работа с осциллографом позволяет выполнять ряд действий, не связанных с визуализацией:

  • измерение амплитуды сигнала;
  • контроль временных интервалов;
  • настройку каналов звука в радиоаппаратуре;
  • наблюдение фигур Лиссажу;
  • курсорные измерения в современных моделях;
  • математические операции-функции;
  • захват строки телевизионного сигнала.

Это только некоторая часть опций, которые можно выполнить при помощи этого прибора.

Наблюдение фигур Лиссажу

При необходимости подстроить частоту сигнала одного источника под частоту другого применяют этот приём. Для работы используют два генератора частоты и осциллограф с опцией XY-режима. Фигуры Лиссажу – это рисунки, созданные точкой, колеблющейся в одной плоскости, но в двух взаимно-перпендикулярных направлениях.

Интересно. Если подать на каждый канал двухканального прибора сигналы от двух разных генераторов и включить на устройстве режим XY, то на экране получится фигура. Фигуры будут менять свои очертания в зависимости от кратности частот генераторов.

На практике метод используется для определения неизвестной частоты, при сравнении её с известной частотой. Зная, осциллограмма какого сигнала изображена на рисунке, по фигуре, которая получилась, можно определить искомый параметр.

Таблица с фигурами Лиссажу
Таблица с фигурами Лиссажу

Курсорные измерения

В аппаратах современного поколения имеется вспомогательный интерфейс в виде курсоров. Это прямые линии, выводимые на экран. Они могут быть расположены и перпендикулярно друг к другу. Курсор можно наводить на любую точку графика сигнала и видеть её координаты. Это уровень напряжения и момент времени по осям X и Y.

Курсорные измерения упрощают считывание характеристик исследуемых сигналов. Отпадает зависимость от подсчёта количества клеток по шкале и умножения на цену деления по обеим осям.

Математические функции

К математическим операциям с функциями, определяемым с помощью осциллографа, относятся:

  • сложение и вычитание;
  • абсолютное значение;
  • преобразования Фурье;
  • интегрирование.

Если остановиться на этих опциях, то сложение и вычитание мгновенных значений исследуемых осциллограмм выполняется быстро, результат выводится на экран в виде сигнала.

Следующая функция определяет абсолютное значение сигнала и отображает его в вольтах.

Определить гармонические частоты (компоненты сигнала) поможет математическая функция преобразование Фурье.

Интеграл исследуемого сигнала можно вычислить с помощью математической функции интегрирования.

Захват строки телевизионного сигнала

В осциллоскопах с ЭЛТ, а также в современных специальных моделях встречается особый режим – телевизионная синхронизация. Одну или несколько телевизионных строк можно отобразить на экране, выбрав их из видеопакета. При помощи таких осциллографов в телестудиях контролируют технические характеристики записывающей и передающей аппаратуры.

Настройка

Перед работой с прибором производят калибровку его входов при помощи встроенного калибратора. Осуществляя калибровку высокочастотных моделей, используют кабель с двумя разъёмами. Разъёмы подключаются к выходу калибратора и входу прибора. Калибруя низкочастотные устройства, нужно кратковременно приставить щуп к выходу калибратора. Далее выполняются следующие шаги:

  • регулятором «вольт/дел» устанавливается сигнал калибратора на 3-4 деления сетки дисплея;
  • канал включается на переменное напряжение, и контролируется появление сигнала;
  • регулятор развёртки выставляется так, чтобы наблюдать 6-7 периодов импульсов;
  • отмечается точное совпадение сигнала по делениям на промежутке полученных периодов (±4 деления от центра);
  • при несовпадении ручкой плавной регулировки развёртки добиваются нужного положения периодов, следя за соответствием амплитуды сигнала значениям, указанным на калибраторе;
  • в случае несоответствия значений амплитуды их приводят к норме регулятором «вольт/дел».

При чувствительности канала в 250 мВ сигнал амплитудой 1В занимает 4 деления шкалы. Если это так, то калибровка устройства произведена.

История

Трудность создания осциллографа заключалась в том, что регистрирующие части первых приборов имели большую инерцию. Смог с этим справиться Ульям Дадделл. В 1897 году он использовал зеркальный измерительный элемент. Так был создан светолучевой прибор. В качестве приёмника использовалась светочувствительная пластина. На неё записывался поданный сигнал. Только изобретение Карлом Брауном кинескопа позволило Йонатану Зеннеку выполнить в нём горизонтальную развертку. Так, в 1899 году появилось устройство, похожее на современные осциллографы. Уже в 30-е годы следующего столетия Владимир Зворыкин совершил прорыв в этой области, создав свой кинескоп, который был надёжнее.

Интересные факты

Катодные лучи, открытые Юлиусом Плюккером в 1859 году, хоть и распространяются линейно, но подвержены действию электромагнитных полей. Это установил Уильям Крукс. Он выявил, что катодные лучи, попадая на некоторые вещества, заставляют их светиться.

 Видео