Работа с осциллографом: что измеряет прибор и для чего он нужен

Что такое осциллограф

Осциллограф позволяет визуально изучать характеристики сложных сигналов, рассчитывать временные и амплитудные параметры. Аналоговые модели отображают данные в режиме реального времени, современные цифровые модели позволяют архивировать информацию и анализировать ее. Для сравнения сигналов используются устройства с различными информационными входами. В зависимости от решаемых задач существуют модификации в виде компьютерных приставок или совмещенные с другим измерительным оборудованием.

Для чего предназначен осциллограф

Электроники и радиолюбители используют осциллограф для измерения:

• амплитуда электрического сигнала — соотношение напряжения и времени;
• анализировать изменение фазы;
• увидеть искажение электрического сигнала;
• по результатам рассчитать частоту тока.

Несмотря на то, что осциллограф демонстрирует характеристики анализируемого сигнала, его чаще всего используют для выявления процессов, происходящих в электрической цепи. Благодаря осциллограмме специалисты получают следующую информацию:

• форма периодического сигнала;
• значение положительной и отрицательной полярности;
• диапазон изменения сигнала во времени;
• продолжительность положительного и отрицательного полупериода.

Большую часть этой информации можно получить с помощью вольтметра. Однако вам нужно будет проводить измерения каждые несколько секунд. При этом высок процент расчетных ошибок. Работа с осциллографом значительно экономит время при получении необходимых данных.

Краткая история

История осциллографа насчитывает более 100 лет. В разное время над усовершенствованием устройства работали такие известные люди, как Адре Блондель, Роберт Андреевич Колли, Вильям Крукс, Карл Браун, И. Ценнек, А. Венельт, Леонид Исаакович Мандельштам и многие другие.

Кстати, вы знали, что первый тип осциллографа был создан в Российской империи? Это сделал в 1885 году русский физик Роберт Колли. Прибор назвали осциллометром. Осциллографы того времени сильно отличались от тех, что используются сегодня!

Устройство и принцип действия прибора

Поясним устройство аналогового осциллографа просто, «для чайников». Устройство состоит из следующих элементов:

• лучевая трубка;
• блок питания;
• канал вертикального/горизонтального отклонения;
• канал модуляции луча;
• устройство синхронизации и запуска развертки.

Для управления параметрами сигнала и его отображения на экране предусмотрены ручки. В старых моделях не было экрана. Изображение было зафиксировано на фотоленте.

Принцип работы

При запуске прибора сигнал подается на вход канала вертикального отклонения. Он имеет высокое входное сопротивление. По такому же принципу работает вольтметр. Однако вольтметр не отображает временной график колебаний напряжения.

Сигнал усиливается до необходимого уровня после подачи на вход. Он отображается на экране по вертикальной оси. Усиление требуется для работы системы отклонения лучевой трубки или аналого-цифрового преобразователя сигналов. Позволяет изменить масштаб отображения вобуляции на экране с большого на маленький.

Устройство

Лучевая трубка чувствительна к электрическим импульсам. Чем ниже его частота, тем выше чувствительность. В токовых трубках количество лучей может варьироваться от одного до 16. Их количество соответствует количеству входных сигналов и одновременно отображаемой графики.

Одной из особенностей цифрового осциллографа является то, что он имеет дисплей и преобразователь аналогового сигнала. Он имеет память для хранения данных о принятом графике сигнала. Часть информации автоматически анализируется и отображается в обработанном виде. Аналоговый осциллограф не хранит данные, а только отображает их в реальном времени.

Развертка — это путь луча, который улавливает колебания и выводит изображение на экран. Он бывает разной формы: эллиптической, круглой. Величина развертки настраивается на основе исследуемого сигнала по горизонтальной (временной) оси).

Блок питания подает напряжение от сети 220 В на электронные схемы. Есть также модели с батарейным питанием, которые могут работать автономно.

Горизонтальная развёртка

Горизонтальный соединительный канал соединен с генератором развертки. Генерирует сигналы горизонтального отклонения луча. Генератор X (развертки) работает в различных режимах.

• Внутренняя синхронизация. Автоколебания с задаваемой вручную частотой;
• Внешняя синхронизация. От входных импульсов запускается генератор. Включает три режима: запуск от внешнего источника, по фронту импульсов или их падению;
• Синхронизация питания (50 Гц);
• Ручной запуск. Тоже звонил один раз.

При изучении стабильных сигналов удобно использовать режим внутренней синхронизации. В этих условиях изображение останется неподвижным. Для повышения стабильности можно организовать захват частоты на входе с помощью генератора развертки.

Этот режим также называется дежурным. В нем генератор запускается при достижении входным сигналом определенного уровня. Или из внешнего источника. В режиме внешней синхронизации удобно исследовать неустойчивые колебания, особенно при наличии синхронизации между генератором развертки и самой схемой источника колебаний. Прибор можно регулировать для точной установки уровня, при котором запускается генератор.

Если синхронизация происходит от сети, то начало развертки будет синхронизировано с колебаниями сетевого напряжения. Поэтому для наблюдения за помехами и искажениями предусмотрена и синхронизация от сети. Ручная синхронизация подходит для изучения различных непериодических сигналов. Например, в логических схемах.

Вертикальная развёртка

Канал вертикального отклонения называется каналом Y, аналогично горизонтальной оси Y в системе координат. В нем обрабатывается исследуемый входной сигнал. Этот сигнал поступает в канал через аттенюатор. Фейдер — это ступенчатый регулятор уровня. Это делается для того, чтобы амплитуда измеряемого параметра не превышала допустимого уровня. И изображение, со своей стороны, не вышло за пределы экрана. Канал Y может посылать сигнал на генератор горизонтального отклонения для его синхронизации.

Обычно канал вертикального отклонения работает в открытом режиме. Это означает, что само отклонение луча будет четко соответствовать уровню сигнала. Наличие постоянной составляющей мешает наблюдению за колебаниями. Происходит это из-за того, что изображение будет слишком далеко отодвинуто к краям экрана сверху или снизу. Она также может выходить за рамки. Эту постоянную составляющую можно удалить, если включен режим закрытого ввода. Или отрегулируйте диммер в соответствии с размером экрана.

О закрытом подъезде. Сигнал поступает через конденсатор, который не мешает переменному напряжению. Затем оба канала имеют готовые усилители, формирующие нужные уровни сигналов, которые подаются на отражатели.

Виды развёрток

В разных режимах работы осциллографа линейные развертки (созданные пилообразным напряжением) могут различаться:

• уникальный. Генератор запускается один раз, затем блокируется. Такое сканирование необходимо для захвата неповторяющихся сигналов.
• Ожидающий. Запуск происходит сразу после сигнала. Нужен для отслеживания редких колебаний.
• Автоколебательный Генератор периодически включается при отсутствии сигнала. Удобно для отображения частых периодических импульсов.

Режимы работы осциллографа

Осциллограф исследует различные типы сигналов. Они могут быть постоянными (напряжение сети), периодическими (шумы, помехи, звуки и т.п.). Периодические могут возникать случайным образом или с определенным интервалом. В зависимости от частоты или частоты, с которой вырабатывается сигнал, выбирается тот или иной режим работы. В большинстве случаев осциллограф имеет два режима: автоматический (автоколебательный) и режим ожидания. Можно и один раз.

Выбор режима прицела

Если мы не знаем, как часто возникают импульсы, мы обычно выбираем автоматический режим. В нем, даже если на входе нет потенциала или его уровень недостаточен, экран светится. Отображается «нулевой» сигнал, прямая линия, которая должна идти по горизонтальной оси на экране (устанавливается по линии ползунками-стрелками). Когда на входе появляется потенциал, он отображается на экране. Изображение периодически обновляется, и мы видим временную развертку сигнала.

Так выглядит экран осциллографа в режиме автоколебания (автоматический режим) при отсутствии сигнала

Режим ожидания хорош для нечастых сигналов. Пока на входе ничего нет, экран не светится. При любом изменении он включается, запускается генератор развертки, и сигнал выводится на экран. Триггер может быть установлен на нарастающем фронте импульса/синусоиды или на спадающем фронте. Вы можете установить триггер не по исследуемому сигналу, а по событию, которое ему предшествует (если оно есть).

Одиночный режим настраивает осциллограф на прием одного сигнала. Когда потенциал нужного уровня достигает входа, сигнал выводится на экран. После этого устройство переходит в состояние ожидания. И даже если на входе будет очередной потенциал (или пять, или сто пять), он его не зарегистрирует. Для получения другого импульса необходимо повторно поставить устройство на охрану.

Делитель (аттенюатор)

Исследуемый сигнал может иметь напряжение от десятых долей до сотен вольт. Есть осциллографы со встроенным регулятором чувствительности — аттенюатором. Похоже на градуированный переключатель. Устанавливает «вес» деления на экране и определяет, во сколько раз уменьшается входной сигнал. Если ожидается низкий уровень, мы просто устанавливаем его на 1 или 0,1. При этом деление на экране по вертикали будет 1 В и 0,1 В соответственно. И сигнал будет «понижен» 1 раз (т.е передан как есть) или усилен 10 раз перед входом (это если стоит 0.1).

Не все осциллографы имеют встроенный делитель (аттенюатор). В комплекте с таким устройством идут внешние делители на 1:10 или 1:100. Это прямоугольные или цилиндрические насадки с разъемами с обеих сторон. Они устанавливаются на входной разъем, и через них на вход подается напряжение, но уже уменьшенное в соответствующее количество раз.

Вот так выглядит делитель. Он установлен во входном разъеме, а измерительный кабель уже подключен

Делитель не обязателен. Необходимость определяется ожидаемым уровнем сигнала. В характеристиках указано максимальное входное напряжение, которое можно подать на устройство без делителя и с делителем. В соответствии с уровнем ожидаемого сигнала и положением мундштука.

Если уровень неизвестен, сначала устанавливается самый большой разделитель (или самый большой разделитель фейдера). Это защитит устройство от перегорания при высоком потенциале. По результатам первого измерения выбирается оптимальный режим.

Классификация и виды

Существует два основных типа осциллографов:

• аналоговые — устройства для измерения средних сигналов;
• цифровые – устройства преобразуют полученное значение измерения в «цифровой» формат для дальнейшей передачи информации.

По принципу действия существует следующая классификация:

1. Универсальные модели.
2. Специальное оборудование.

Самыми популярными являются универсальные устройства. Эти осциллографы используются для анализа различных типов сигналов:

• гармонический;
• индивидуальные импульсы;
• пакеты повышения.

Универсальные устройства предназначены для различных электрических устройств. Они позволяют измерять сигналы в диапазоне нескольких наносекунд. Погрешность измерения составляет 6-8%.

Универсальные осциллографы делятся на два основных типа:

• моноблочный – имеет общую измерительную специализацию;
• со сменными блоками — адаптируются к конкретной ситуации и типу устройства.

Для отдельных видов электрооборудования разрабатываются специальные устройства. Итак, есть осциллографы для радиосигнала, телевизионной передачи или цифровой техники.

Универсальные и специальные устройства делятся на:

• высокая скорость: используется в высокоскоростных устройствах;
• память: устройства, которые хранят и воспроизводят ранее созданные индикаторы.

При выборе устройства следует внимательно изучить номиналы и типы, чтобы приобрести устройство для конкретной ситуации.

Измеряемые процессы

По принципу действия устройства делятся на:

• Особый. Имеют блоки по назначению (например, телевизионные осциллографы).
• Строб. Чувствительные инструменты для изучения кратковременных повторяющихся процессов.
• Высокоскоростной. Он используется для фиксации процессов на высокой скорости (с нано- и пикосекундной точностью).
• Вспоминая. Сохраните полученное изображение. Обычно используется для изучения редких уникальных действий.
• Универсальный. Исследуйте различные процессы.

Где применяют осциллографы?

Информация, предоставленная осциллографом:

• значения напряжения, временные параметры колебаний;
• фазовый сдвиг, искажение импульсов на разных участках цепи;
• частотность (определяется путем фиксации ее временных характеристик);
• переменная и постоянная составляющие колебаний;
• цепные процессы.

Осциллографы используются как в практических, так и в исследовательских целях. Для простых измерений можно использовать мультиметр, но в большинстве случаев без осциллографа не обойтись.

Приборы для измерения вибрации используются при установке электронного оборудования. Например, для настройки телевизионного сигнала необходимо получить его осциллографическое изображение. Применяются также приборы при ремонте блоков питания, диагностике печатных плат.

При ремонте автомобилей прибор поможет получить данные о положении коленвала и распредвала, датчики положения. Эти осциллограммы расскажут о наличии импульса в катушке, укажут на неисправность свечей и проводов, диодного моста генератора.

Медицинское оборудование (кардиографы, энцефалографы) также работает по принципу осциллографии. В живых организмах возникают только измеряемые ими электрические колебания.

Наблюдение фигур Лиссажу

При одновременной подаче сигналов с частотами, примерно равными входным сигналам осциллографа, на экране будут видны характерные изображения. Этот метод используется для настройки генератора на эталонный образец.

Фигура Лиссажу на аналоговом ЭЛТ-приборе

Курсорные измерения

Для повышения точности измерений на экран выводятся вспомогательные координатные полосы (курсоры). При хорошем оборудовании осциллограф отображает отдельные датчики в цифровом виде.

Математические функции

Некоторые модели современных осциллографов (блоки для подключения к компьютеру) способны обрабатывать сигналы по сложному алгоритму. Искомый вариант описывается соответствующей математической функцией: сложение, вычитание и т.д.

Захват строки телевизионного сигнала

Судя по названию, этот режим предназначен для изучения телевизионного сигнала. Главной особенностью является специальный тайминг, позволяющий отображать на экране необходимое количество строк.

Подключение осциллографа

Осциллограф поставляется с измерительным кабелем или кабелями. Их количество зависит от количества входных каналов конкретной модели. Если канал один, то и кабель один. Может быть, два, три и даже шестнадцать. Вам нужно подключить столько, сколько вы собираетесь использовать.

Кабели для осциллографов трудно спутать с другими. Один конец — со щупом и отводом. Это сторона «мера». На другой есть характерный круглый разъем. Эта часть подключена к измерительному входу.

Провод, выходящий из зонда, должен быть подключен к «земле». Часто оснащается прищепкой или «крокодилом». Он должен быть подключен, напряжение может быть другим, и необходимо заземление.

Измерительные провода осциллографа

У некоторых кабелей прицела есть переключатель на рукоятке, который действует как небольшой усилитель (на фото справа).

После подключения измерительных кабелей включите прибор в сеть. Затем перед работой переводим тумблер/кнопку включения устройства в рабочее положение. Можно считать, что осциллограф готов к работе.

Проверка осциллографа перед работой

Перед тем, как приступить к работе, необходимо проверить осциллографом. Включаем, устанавливаем измерительный кабель. Прикасаемся к щупу пальцем, на экране появляется синусоида с частотой 50 Гц — помехи от бытовой электросети.

Если коснуться щупа пальцем, на экране появится синусоидальный сигнал. Синусоида не идеальна, но если она есть и ее частота 50 Гц, то осциллограф исправен

Затем берем наземный щуп и прикасаемся к нему измерительным щупом (по-прежнему держим палец на кончике щупа). Сигнал исчезает (появляется прямая линия). Это означает, что устройство работает.

Методика измерений

Осциллограф измеряет электрическое напряжение и строит амплитудный график электрических колебаний. Цифровые приборы могут запоминать полученный график и возвращаться к нему.

Колебания отображаются на экране в двумерной системе координат (напряжение — вертикальная ось, время — горизонтальная ось), образуя график — осциллограмму. Есть и третья составляющая исследования: интенсивность сигнала (или яркость).

При отсутствии входных импульсов на экране горизонтальная линия «ноль», что свидетельствует об отсутствии напряжения. Как только на вход(ы) прибора подается напряжение, на экране одновременно становятся видны один или несколько графиков (в зависимости от количества измеряемых сигналов).

График электрических колебаний по форме может быть:

• синусоида;
• затухающая синусоида;
• прямоугольник;
• меандр;
• треугольники;
• пилообразные колебания;
• овощи;
• разница;
• сложный сигнал.

Для получения стабильного графика колебаний в устройстве имеется блок синхронизации. Отображение циклических колебаний возможно только после установки значения времени. Его принимают за «точку отсчета», он служит отправной точкой графика. Все переходы отображаются относительно этой точки.

Измерение тока

При измерении тока с помощью цифрового осциллографа вам необходимо знать, какой тип тока вы хотите наблюдать. Осциллографы имеют два режима работы:

• Прямой ток («DC») для постоянного тока;
• Переменный ток («AC») для переменных.

Постоянный ток измеряется при включенном режиме «Постоянный ток». Измерительные провода прибора должны быть подключены к источнику питания непосредственно в соответствии с полюсами. Черный крокодил присоединяется меньше всего, красный крокодил присоединяется больше всего.

На экране устройства появится прямая линия. Значение вертикальной оси будет соответствовать параметру постоянного натяжения. Силу тока можно рассчитать по закону Ома (напряжение, деленное на сопротивление).

Переменный ток представляет собой синусоиду, потому что напряжение тоже переменное. Поэтому его значение можно измерить только в определенный период времени. Параметр также рассчитывается по закону Ома.

Измерение напряжения

Чтобы измерить напряжение сигнала, вам нужна вертикальная ось координат линейного двумерного графика. Из-за этого все внимание будет обращено на высоту сигнала. Поэтому, прежде чем приступить к наблюдению, следует настроить экран более удобно для измерения.

Затем переводим устройство в режим постоянного тока. Присоединяем щупы к цепи и наблюдаем за результатом. На экране устройства появится прямая линия, значение которой будет соответствовать напряжению электрического сигнала.

Измерение частоты

Прежде чем понять, как измерить частоту электрического сигнала, нужно знать, что такое период, так как эти два понятия взаимосвязаны. Период – это наименьший период времени, после которого амплитуда начинает повторяться.

Период легче увидеть на осциллографе, используя горизонтальную ось времени. Нужно только отметить, через какой промежуток времени линейный график начинает повторять свой рисунок. Начало периода лучше рассматривать как точки касания с горизонтальной осью и конец повторения одной и той же координаты.

Для более удобного измерения периода сигнала скорость развертки уменьшена. В этом случае погрешность измерения не так велика.

Частота представляет собой величину, обратно пропорциональную анализируемому периоду. То есть, чтобы измерить значение, вы должны разделить одну секунду времени на количество периодов, которые происходят в течение этого периода. Результирующая частота измеряется в Герцах, стандартом для России является 50 Гц.

Измерение сдвига фаз

Рассматривается фазовый переход: взаимное положение двух колебательных процессов во времени. Параметр измеряется в долях периода сигнала, так что независимо от характера периода и частоты одни и те же смещения имеют общее значение.

Первое, что нужно сделать перед измерением, это выяснить, какой из сигналов отстает от другого, а затем определить значение знака параметра. Если ток опережающий, то параметр изменения угла отрицательный. В том случае, если напряжение опережает, знак значения положительный.

Для расчета степени фазового перехода необходимо:

1. Умножьте 360 градусов на количество ячеек сетки между началом периодов.
2. Разделите результат на количество делений, занимаемых периодом сигнала.
3. Выберите отрицательный или положительный знак.

Неудобно измерять фазовый сдвиг на аналоговом осциллографе, т к графики, отображаемые на экранах, имеют одинаковый цвет и масштаб. Для наблюдений такого типа используют цифровое устройство или двухканальные устройства для вынесения разных амплитуд в отдельный канал.

Как выбрать

Необходимо представить, для каких целей и как часто будет использоваться прибор, изучить, для каких сигналов он предназначен. Учитывайте количество точек одновременного измерения, уникальность или периодичность колебаний. Иногда используются устройства советского производства. Но хорошо настроиться с ними сложно.

Количество каналов

В зависимости от количества каналов осциллографы могут быть одноканальными, простыми (2-4 канала), расширенными (до 16 каналов). Несколько каналов позволяют одновременно анализировать входящие сигналы.

Тип питания

Устройство с аккумулятором можно брать с собой в дорогу. Это удобно для мастеров, обслуживающих технику на своей территории. Если отключений нет, то лучше взять сетевой осциллограф, так как он более стабилен и надежен.

Сопротивление входа

Большинство осциллографов имеют входное сопротивление 1 МОм. Это нужно для того, чтобы вход самого устройства не искажал схему. Для этого ваш резистор должен быть достаточно большим.

Частота дискретизации

Частота дискретизации важна для измерения переходных процессов и переходных процессов. Чем выше этот параметр, тем точнее можно получить изображение сигнала на экране.

Полоса пропускания

Для простых исследований цифровых схем и усилителей оптимальная звуковая частота 25 МГц.Для профессиональных измерений нужен прибор с этим параметром до 200 или даже 500 МГц.Современные линии связи работают на очень высоких частотах. Частота исследуемых сигналов должна быть в 3-5 раз меньше ширины полосы.

Допустимые значения уровня

Ясно, что небольшие колебания уровня вряд ли вызовут отклонения луча электронно-лучевой трубки. Да еще и выйти за допустимые пределы разрешающей способности аналого-цифрового преобразователя частоты. Высокие значения, в свою очередь, могут вызвать самые разные реакции, от искажения изображения до отключения входной схемы всего устройства.

Глубина памяти

Всегда присутствует в цифровых моделях (DSO = цифровой запоминающий осциллограф). Чем медленнее скорость развертки, тем точнее показания и тем больше значений прибор должен хранить в памяти. Чем глубже память, тем лучше. Но иногда есть и негативный момент — при медленных измерениях прибор тормозит, при выборе товара нужно поинтересоваться этим нюансом.

Обновление экрана

Чем чаще обновляется монитор, тем меньше «мертвого времени» требуется для обработки захваченной информации, тем быстрее будут обновляться осциллограммы. Устройство, скорее всего, покажет дискретный артефакт. Впрочем, это имеет значение только для любителей электроники.

Максимальное входное напряжение (питание)

У любого устройства есть ограничение по питанию, если его превысить без дополнительных мер, оно просто сгорит и выйдет из строя. Необходимо учитывать параметры обслуживаемых цепей. Пример: макс например, в режиме датчика 1:1 — 40 В, в режиме 1:10 — 400 В, т.е переход на цепь с напряжением 400 В и более без мер безопасности уже небезопасен.

Настройка осциллографа

Перед использованием нового прибора его калибруют с помощью генератора прямоугольных импульсов, находящегося в коробке. Сигнальный щуп подключается к калибровочному выходу и на экране появляется «пила», зигзагообразная линия. Необходимо проверить работу всех функций и регуляторов.

Сейчас осциллографы регулярно используются в области электроники. Существует большой выбор приборов, позволяющих наблюдать за параметрами электрических колебаний. Без осциллографа не может обойтись ни профессиональный инженер, ни обычный радиоэлектронщик.

Аналоговый осциллограф

Его также называют электронно-лучевым осциллографом, потому что он состоит из электронно-лучевой трубки. По сути, электронно-лучевая трубка — это небольшой кинескоп, в котором мы можем наблюдать любое изменение электрического сигнала.

Любой осциллограф имеет экран. Он может быть встроенным, а может быть монитором вашего рабочего стола или экраном ноутбука. В нашем случае на фото мы видим, что наш осциллограф имеет круглый экран. Сигнал, который появляется на этом экране, называется осциллограммой.

Для измерения электрических сигналов нам понадобится специальный щуп для осциллографа. Такой пробник представляет собой двухжильный кабель, один из которых сигнальный, а другой нулевой. Нейтральный провод также часто называют «землей».

Большинство современных зондов уже выглядят так.

А вот и сам разъем щупа

Этот конец щупа соединяется с осциллографом и фиксируется легким поворотом его по часовой стрелке.

Что делать, если вы не можете вспомнить, какой провод щупа сигнальный, а какой нулевой? Это определяется очень просто. Поскольку человек всегда находится в электромагнитном поле, он является своеобразной приемной антенной и может создавать помехи. Прикоснувшись к сигнальному щупу осциллографа, мы увидим на экране, что сигнал сильно искажен.

Прикоснувшись к нулевому проводу, сигнал на осциллографе остался бы таким, как был. Это чистый ноль.

Как измерить постоянное напряжение аналоговым осциллографом

Для измерения постоянного напряжения нам нужно переключить осциллограф в режим постоянного тока, что означает «постоянный ток». На разных моделях это делается по-разному, но этот переключатель должен быть на каждом осциллографе.

Давайте рассмотрим реальный пример того, как можно измерить напряжение постоянного тока. Для этого нам понадобится источник постоянного тока. В данном случае я возьму лабораторный блок питания. Я поставил на 1 вольт.

Теперь вам нужно выбрать шкалу измерения. Если мы хотим, чтобы одна сторона квадрата была равна 1 вольту, мы устанавливаем коэффициент масштабирования 1:1. В этом случае я установил переключатель вертикальной развертки на единицу.

Далее подключаем сигнальный вывод осциллографа к «плюсу» блока питания, а нулевой вывод к «минусу» блока питания. Далее мы видим следующее изображение.

Как вы могли заметить, форма волны постоянного тока представляет собой прямую линию, параллельную горизонтальной оси (оси X). По вертикальной оси (ось Y) мы видим, что сигнал увеличился ровно на одну ячейку. Мы устанавливаем масштабный коэффициент Y, так что 1 ячейка равна 1 вольту. Итак, в нашем случае сигнал увеличился ровно на 1 ячейку, что говорит нам о том, что это форма волны постоянного тока в 1 вольт.

Я также могу изменить соотношение. Например, я ставлю на 2. Это значит, что 1 квадрат уже будет равен 2 вольтам.

Посмотрим, что происходит с сигналом с напряжением 1 Вольт

Здесь мы видим, что его значение упало в 2 раза, так как мы берем соотношение 1:2, а это значит, что 1 квадрат равен 2 Вольтам. Благодаря шкале вертикальной развертки мы можем измерять сигналы напряжением до 1000 вольт!

Что произойдет, если мы подключим сигнальный провод осциллографа к «минусу» питания, а ноль к «плюсу» питания? В этом случае осциллограмма будет «уходить в пол» и просто отображать отрицательные значения. В этом нет ничего плохого. Здесь мы видим значение «-2» Вольта.

Как измерить переменное напряжение аналоговым осциллографом

Для измерения переменного напряжения нам нужно переключить осциллограф в режим измерения переменного тока: «переменный ток». Если вы просто хотите посмотреть на форму сигнала, вам не нужно знать, какой осциллограф и где касаться. Измерим переменное напряжение понижающего трансформатора, который подключен к сети 220 вольт.

Снимаем напряжение со вторичной обмотки трансформатора и видим вот такую ​​осциллограмму.

По идее здесь должна быть чистая грудь. Либо трансформатор вносит искажения в сигнал, либо что-то не так с силовой установкой. Неясно. Ну да ладно, главное снимаем осциллограмму переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

В этом случае мы можем легко определить период сигнала и его частоту. Это поможет нам сместить скан по горизонтали по оси времени.

Мы видим, что его значение равно 5. Это означает, что квадрат на оси абсцисс, то есть на оси времени, будет равен 5 миллисекундам или 0,005 секунды.

Период – это время, после которого сигнал повторяется. Обозначается буквой Т. В нашем случае период равен 4 квадратам.

Так как один квадрат в нашем случае равен 0,005 секунды, то получается, что Т = 0,005 х 4 = 0,02 секунды. Отсюда можно узнать частоту сигнала.

куда

V — частота, Гц

T — период сигнала, с

Для этого случая

V=1/T=1/0,02=50 Гц Преобразователь изменяет только амплитуду сигнала, но не меняет его частоту. Поэтому частота в нашей сети 50 герц, что и подтвердил осциллограф.

Цифровой осциллограф

Цифровой осциллограф — это осциллограф, основанный на цифровой схеме. Его основное отличие от аналогового заключается в том, что он содержит цифровую обработку сигнала. Цифровой осциллограф может автоматически записывать, останавливать, отсекать и измерять тестируемый сигнал. И это только некоторые особенности!

Как подготовить цифровой осциллограф к работе

Включаем осциллограф и цепляем пробник к любому из каналов. Подключил щуп к первому каналу (CH1)

На щупе есть делитель. Установите ползунок на 10X. Осциллограф также должен иметь делитель 10X по умолчанию. Если нет, найдите его в настройках и установите «10X» в функциях канала».

Каждый нормальный цифровой осциллограф имеет встроенный генератор прямоугольных импульсов с частотой 1000 герц (1 кГц) и амплитудой напряжения 5 вольт. В большинстве случаев этот генератор находится в правом нижнем углу. В нашем случае он называется Probe Comp. Цепляемся за него щупом.

Все должно выглядеть примерно так:

На экране сейчас какое-то

квадратный идентификатор = 1

У этого осциллографа есть волшебная кнопка, которая сводит меня с ума. Это кнопка позиционирования сигнала автомасштабирования. Нажал эту кнопку

По условиям автоматического позиционирования сигнала

и готово!

Но что это? У нас должен быть ровный прямоугольный периодический сигнал! Вся проблема в том, что пробник осциллографа сам вносит искажения в сигнал, поэтому его желательно каждый раз перед работой корректировать.

Современные щупы имеют небольшой винт, заточенный тонкой отверткой. Этим винтом мы будем регулировать щуп.

Переворачиваем и видим, что у нас получается на экране.

Вау, ты слишком сильно закрутил винт.

Поворачиваем немного в обратную сторону и выравниваем верхние части знака по горизонтали.

Здесь! Другое дело! На экране у нас ровные прямоугольные сигналы, так что на данном этапе цифровой осциллограф полностью готов к работе.

Как измерить постоянное напряжение цифровым осциллографом

Итак, в первую очередь выбираем, какое напряжение будем измерять. Делается это с помощью кнопки Dock (нажмите клавишу H1). DC: direct current, что в переводе с английского означает «постоянный ток».

Справа экрана появляется окно и выбираем DC (нажимаем клавишу F1)

Все, после этого наш осциллограф полностью готов к измерению постоянного тока.

Откуда мы возьмем постоянный ток? У меня есть блок питания для этого. Возьмем, например, 5 вольт.

Подключаем щупы блока питания и осциллографа. Рекомендуется подключить сигнальный щуп осциллографа к красному положительному крокодилу на силовом щупе, а черный (заземляющий) щуп — к отрицательному черному крокодилу.

Посмотрите на экран осциллографа

Что мы здесь видим? А здесь мы видим осциллограмму постоянного напряжения. Постоянное напряжение – это напряжение, которое не изменяется во времени.

квадратный идентификатор = 1

На что следует обратить внимание? Разумеется, в цене деления. Вертикальный квадрат равен 2 вольтам. Если считать от центра пересечения жирных пунктирных линий, то осциллограмма находится на высоте 2,5 сторон квадрата. Значит, напряжение будет 2,5х2=5 вольт. Так как мне лень считать, я вывожу эти показания осциллографа прямо на экран (нижняя левая зеленая рамка).

Как измерить переменное напряжение цифровым осциллографом

Для экспериментов возьму ЛАТР (Лабораторный Автотрансформатор). Как вы помните, ЛАТР снижает или повышает напряжение сети переменного тока.

Выставляем напряжение на ЛАТРе 100 вольт.

На осциллографе переключаемся на AC, что означает переменный ток — переменный ток.

Держимся за выходные разъемы ЛАТРа и смотрим на это изображение.

С помощью кнопки «Измерить» я отобразил некоторые интересующие нас параметры:

Vk – среднеквадратичное значение напряжения. В данном случае он показывает нам напряжение, которое мы подаем с ЛАТРа, это 100 вольт.

F – частота. В данном случае это частота сети 50 Герц. ЛАТР не меняет частоту сети.

Т — период. Т=1/Ф. Как мы видим, частота напряжения в сети составляет 50 Герц. Период составляет 20 миллисекунд. Если мы разделим единицу на 20 миллисекунд, то получим только частоту сигнала.

Как вывести все параметры сигнала

Рассмотрим все наши измеряемые параметры на конкретном примере. Для этого воспользуемся генератором частоты с заданной частотой 1 мегагерц (ну или 1000 кГц) с прямоугольной формой волны:

Сигнал с генератора частоты на экране осциллографа выглядит так.

А где правильная прямоугольная волна? Вот тебе… Ты ничего не можешь с этим поделать. Это есть, было и будет для всех прямоугольных знаков. Это возникает из-за несовершенства радиосхем и элементов. Такая осциллограмма особенно хорошо рисуется на высоких частотах, как в нашем примере.

Хорошо, давайте выведем все параметры сигнала, которые может отображать наш осциллограф. Для этого нажмите кнопку «Measure», что в переводе с английского означает «измерять»

Далее нажимаем кнопку «Добавить» (с англ. — добавить), используя вспомогательную клавишу H1

А затем нажмите кнопку «Показать все» (с англ. — показать все) с помощью вспомогательной клавиши F3

В результате всех этих операций появится табличка с параметрами измеряемого сигнала:

Описание характеристик сигналов

Как известно, осциллограф показывает нам изменение напряжения сигнала во времени. Поэтому параметры сигнала в основном делятся на два типа:

— Амплитуда

— Временный

квадратный идентификатор = 1

Давайте посмотрим основные. Начнем слева направо.

Период — от английского периода. Период сигнала – это время, в течение которого сигнал повторяется. В нашем случае период обозначается буквой «Т».

Для самостоятельного расчета периода нам необходимо знать значение ячейки по горизонтали. Подсказку можно найти внизу осциллограммы. Я отметил его желтым прямоугольником

Следовательно, одна ячейка по горизонтали равна 500 наносекундам. А поскольку наш период равен ровно двум клеткам, это означает, что 500 x 2 = 1000 наносекунд или 1 микросекунда.

Наши расчетные показания согласуются с автоматическими измерениями? Смотрим и проверяем.

Я попал на сто процентов! Кстати, чтобы больше не было сомнений, даю вам небольшую табличку.

«Пик» — буква «р»

«Нано» — буква «н»

«Микро» обозначается буквой «у», как и в маркировке современных конденсаторов.

«Милли» — буква «м».

Частота Полное название частоты происходит от англ. Frequency. Обозначается буквой «Ф». Частоту можно очень легко вычислить по формуле, зная период Т.

Ф=1/Т

В нашем случае мы получаем 1/1×10-6=106=1 мегагерц (МГц). Давайте посмотрим на наши автоматические измерения:

Ну разве это не чудо? 😉

Следующий показатель – средний. В нашем случае он обозначается просто буквой «V». Он означает среднее значение сигнала и используется для измерения напряжения постоянного тока. На данный момент этот параметр не представляет интереса, т.к измеряется переменный ток и в значении этого сигнала проявляется какая-то вата. Измерения постоянного тока обычно могут отображать этот параметр на экране.

Еще один интересный параметр: ПК-ПК. Он называется Peak-to-Peak и показывает размах напряжения. Обозначен как Вп. Каково это размах напряжения, показано в следующей форме волны:

Так как мы видим, что значение нашего ящика равно 1 Вольт (внизу слева)

Затем вы можете рассчитать пиковое напряжение. Будет где-то 5 вольт. Проверка с автоматическим измерением

Почти в тютельке!

Остальные параметры сигнала не так важны для начинающих электронщиков.

Плюсы и минусы цифрового осциллографа

Начнем с профессионалов

• Запись, остановка, автоматические измерения и другие возможности — это далеко не полный список того, что умеет цифровой осциллограф
• Цифровой осциллограф намного меньше аналогового осциллографа
• Меньшее энергопотребление, чем у аналогового осциллографа
• Жидкокристаллический дисплей, в отличие от ЭЛТ-дисплея аналогового осциллографа

Меньше

• Высокая цена
• Представление дискретных сигналов. Хотя дорогие модели не уступают аналоговым по воспроизведению сигнала.

Где купить цифровой осциллограф

Естественно, на Алиэкспресс, так как в наших интернет-магазинах его цена завышена в два, а то и в три раза. Также очень хорошие отзывы об осциллографе Hantek, характеристики которого даже лучше, чем у моего OWON:

Дополнительные возможности и советы

Осциллографы могут быть двухлучевыми. Для отображения большего количества сигналов необходимы двухлучевые осциллографы. Эти устройства оснащены специальной двухлучевой ЭЛТ. Его конструкция состоит из стеклянной колбы, в которой находятся две системы перегородок, независимых друг от друга.

Один сигнал выбирается в качестве основного, осциллограф привязывается к нему, а остальные наблюдают относительно основного сигнала. Для увеличения диапазона ввода используются входные делители 1:10 или 1:100, повышающие верхнее допустимое значение до 10 или 100 раз. Это необходимо учитывать при последующих расчетах, чтобы избежать ошибок. Наличие входного делителя также увеличивает входное сопротивление.

Цифровые осциллографы не требуют ручного расчета амплитуд и частот. Эти значения отображаются на экране. Кроме того, изображение можно запомнить и распечатать.

При отсутствии дополнительных входов Y для определения фазовых сдвигов необходим осциллограф с входом X с отключенной внутренней временной базой. Затем, подавая на эти входы колебания, можно сравнить фазы и частоты по «фигурам Лиссажу».

Ошибки при выборе и работе с осциллографом

Понимание того, как пользоваться осциллографом, приходит только с практическим опытом, теоретических знаний недостаточно: все настройки, изменения и измерения приходится делать вручную. Цифровое устройство значительно упрощает процесс, но стоимость оборудования очень высока.

Важно! Не стоит покупать старый советский прибор, потому что погрешности измерений не дадут достоверных данных, откалибровать его уже не получится.

Обязательно нужно соблюдать технику безопасности: напряжение на ЭЛТ, как и на телевизионном кинескопе, не убьет, но может парализовать. В паспорте и мануале описано, как работать с осциллографом, но здравый смысл никто не отменял — экспериментировать нужно осторожно.