Осциллограф
Осциллограф предназначен для визуального наблюдения и контроля периодических сигналов любой формы: синусоидальной, прямоугольной и треугольной. Благодаря широкому диапазону развёртки он позволяет так развернуть импульс, что можно контролировать даже наносекундные интервалы. Например, измерить время нарастания импульса, а в цифровой аппаратуре это очень важный параметр.
Осциллограф – это своего рода телевизор, который показывает электрические сигналы.
Как работает осциллограф?
Чтобы понять, как работает осциллограф, рассмотрим структурную схему усреднённого прибора. Практически все осциллографы устроены именно так.
Рис. 1 — Структурная схема осциллографа
На схеме не показаны только два блока питания: высоковольтный источник, который используется для вырабатывания высокого напряжения поступающего на ЭЛТ (электронно-лучевая трубка) и низковольтный, обеспечивающий работу всех узлов прибора. И отсутствует встроенный калибратор, который служит для настройки осциллографа и подготовки его к работе.
Исследуемый сигнал подаётся на вход «Y» канала вертикального отклонения и попадает на аттенюатор, который представляет собой многопозиционный переключатель, регулирующий чувствительность. Его шкала отградуирована в V/см или V/дел. Имеется в виду одно деление координатной сетки нанесённой на экран ЭЛТ. Там же нанесены сами величины: 0,1 В,10 В, 100 В. Если амплитуда исследуемого сигнала неизвестна, мы устанавливаем минимальную чувствительность, например 100 вольт на деление. Тогда даже сигнал амплитудой 300 вольт не выведет прибор из строя.
В комплект любого осциллографа входят делители 1 : 10 и 1 : 100 они представляют собой цилиндрические или прямоугольные насадки с разъёмами с двух сторон. Выполняют те же функции, что и аттенюатор. Кроме того при работе с короткими импульсами они компенсируют ёмкость коаксиального кабеля. Вот так выглядит внешний делитель от осциллографа С1-94. Как видим, коэффициент деления его составляет 1 : 10.
Рис. 2 — Внешний делитель осциллографа
Благодаря внешнему делителю удаётся расширить возможности прибора, так как при его использовании становится возможным исследование электрических сигналов с амплитудой в сотни вольт.
С выхода входного делителя сигнал поступает на предварительный усилитель. Здесь он разветвляется и поступает на линию задержки и на переключатель синхронизации. Линия задержки предназначена для компенсации времени срабатывания генератора развёртки с поступлением исследуемого сигнала на усилитель вертикального отклонения. Оконечный усилитель формирует напряжение, подаваемое на пластины «Y» и обеспечивает отклонение луча по вертикали.
Генератор развёртки формирует пилообразное напряжение, которое подаётся на усилитель горизонтального отклонения и на пластины «X» ЭЛТ и обеспечивает горизонтальное отклонение луча. Он имеет переключатель, градуированный как время на деление («Время/дел»), и шкалу времени развёртки в секундах (s), миллисекундах (ms) и микросекундах (?s).
Устройство синхронизации обеспечивает начало запуска генератора развёртки одновременно с возникновением сигнала в начальной точке экрана. В результате на экране осциллографа мы видим изображение импульса развёрнутое во времени. Переключатель синхронизации имеет следующие положения:
- Синхронизация от исследуемого сигнала.
- Синхронизация от сети.
- Синхронизация от внешнего источника.
Первый вариант наиболее удобный и он используется чаще всего.
Осциллограф С1-94
Кроме сложных и дорогих моделей осциллографов, которые используются при разработке электронной аппаратуры, нашей промышленностью был налажен выпуск малогабаритного осциллографа C1-94 специально для радиолюбителей. Несмотря на невысокую стоимость, он хорошо зарекомендовал себя в работе и обладает всеми функциями дорогого и серьёзного прибора.
В отличие от своих более «навороченных» собратьев, осциллограф С1-94 обладает достаточно небольшими размерами, а также прост в использовании.
Рис. 3 — Лицевая панель осциллографа С1-94
Рассмотрим его органы управления.
- Ручка: «Фокус».
- Ручка «Яркость».
Этими регуляторами можно настроить фокусировку луча на экране, а также его яркость. В целях продления срока службы ЭЛТ желательно выставлять яркость на минимум, но так, чтобы показания были видны достаточно чётко.
Это кнопка выбора ждущего и автоматического режима развёртки. При работе в ждущем режиме запуск и синхронизация развёртки производится исследуемым сигналом. При автоматическом режиме запуск развёртки происходит без сигнала. Для исследования сигнала чаще используется ждущий режим запуска развёртки.
Обычно используется внутренняя синхронизация, так как для использования внешнего синхросигнала нужен отдельный источник этого внешнего сигнала. Понятно, что в условиях домашней мастерской это в подавляющем случае не нужно. Вход внешнего синхросигнала на лицевой панели осциллографа выглядит вот так.
Тут всё понятно. Если предполагается исследование сигнала с постоянной составляющей, то выбираем «Переменный и постоянный». Этот режим называется «Открытым», так как на канал вертикального отклонения подаётся сигнал, содержащий в своём спектре постоянную составляющую или низкие частоты.
При этом, стоит учитывать, что при отображении сигнала на экране он уйдёт вверх, так как к амплитуде переменной составляющей добавиться и уровень постоянной составляющей. В большинстве случаев лучше выбирать «закрытый» вход (
). При этом постоянная составляющая электрического сигнала будет отсечена и не отображается на экране.
Клемма «корпус» служит для заземления корпуса прибора. Это делается в целях безопасности. В условиях домашней мастерской порой нет возможности заземлить корпус прибора. Поэтому приходится работать без заземления. При этом важно помнить, что во включенном состоянии на корпусе осциллографа может быть потенциал напряжения. При касании корпуса может «дёрнуть». Особенно опасно дотрагиваться одной рукой до корпуса осциллографа, а другой рукой до батарей отопления или других работающих электроприборов. В таком случае опасный потенциал с корпуса пройдёт через ваше тело («рука» — «рука») и вы получите электрический удар! Поэтому при работе осциллографа без заземления желательно не дотрагиваться до металлических частей корпуса. Это правило справедливо и для прочих электроприборов с металлическим корпусом.
Она служит для корректировки положения луча в горизонтальном направлении. Если покрутить данную ручку, то изображение развёртки будет смешатся либо вправо, либо влево.
С помощью её можно отрегулировать положение развёртки на экране по вертикали.
Ручки «Перемещение луча по горизонтали» и «Перемещение луча по вертикали» служат исключительно для настройки комфортного отображения осциллограммы сигнала на экране. Они никак не влияют на настройку работы самого осциллографа.
Поворотом этой ручки добиваются того, чтобы изображение сигнала «застыло», а не «убегало». Иногда, чтобы поймать изображение с помощью ручки «Уровень» приходится изменить время развёртки переключателем Время/дел.
Внизу указываются параметры входа, а именно входное сопротивление (1 MΩ) и входная ёмкость (40pF). Чем выше входное сопротивление измерительного прибора, тем лучше. Таким образом при измерении прибор не шунтирует элементы тестируемой схемы и не вносит искажений в измеряемый сигнал. Входная ёмкость прежде всего влияет на возможность исследования высокочастотных сигналов.
В настоящее время, с развитием цифровой техники, стали широко внедряться цифровые осциллографы. По сути это гибрид аналоговой и цифровой техники. Отношение к ним неоднозначное, как к мясорубке с процессором или к кофемолке с дисплеем.
Аналоговая аппаратура всегда была надежной и удобной в работе. Кроме того она легко ремонтировалась. Цифровой осциллограф стоит на порядок дороже и очень сложен в ремонте. Плюсов конечно много. Если аналоговый сигнал с помощью АЦП (аналогово-цифрового преобразователя) перевести в цифровую форму, то с ним можно делать всё что угодно. Его можно записать в память и в любой момент вывести на экран для сравнения с другим сигналом, складывать в фазе и противофазе с другими сигналами. Конечно, аналоговая техника это хорошо, но за цифровой электроникой будущее.
1.1 Рассмотрим принцип формирования видимого изображения на экране осциллографа.
1. Если к отклоняющим пластинам (ОП) не прикладывать напряжения, то электронный луч будет падать в центральную точку экрана 1 (на рис. 2).
2. Если подвести сигнал к Y-пластинам, например, синусоидальное напряжение, а вторую пару (X-пластины) оставить без потенциалов, то на экране будем видеть вертикальную линию 2, длина которой будет зависеть от величины приложенного напряжения (рис. 2).
3. Подадим синусоидальное напряжение к X-пластинам, а Y-пластины оставим свободными, без потенциалов. В этом случае на экране будет отображаться горизонтальная линия 3 (рис. 2). Длина линии определяется амплитудой сигнала.
4. Если подать одновременно две синусоиды на Х- и Y-пластины, то на экране будем видеть линию под углом 45°, при условии, что фазовый сдвиг между синусоидами отсутствует (рис. 3).
5. Если на обе пары ОП подать противофазные напряжения, то на экране электронный луч сформирует линию, проходящую через центр экрана по углом минус 45о (рис. 4).
6. При подаче на пластины синусоидальных сигналов, сдвинутых на π/2, в центре на экране отобразится окружность (рис. 5).
1.2 Примечание: почему мы видим линии на экране?
Если бы глаз человека был совершенным, т.е. обладал бы бесконечно большой скоростью восприятия информации, то человек видел бы перемещение точки по экрану. Поскольку глаз является инерционным органом, человек видит на экране светящуюся линию при достаточно большой частоте входного сигнала. Если частоту входного сигнала сделать маленькой ≈ 1 Гц, то глаз будет видеть перемещение светящейся точки.
Изображение, полученное на экране осциллографа под действием двух синусоидальных сигналов, поступающих на пластины горизонтального и вертикального отклонения одновременно, называется. По виду данной фигуры можно определить фазовый сдвиг между двумя синусоидальными сигналами с одинаковой частотой. В общем случае фигура, получаемая на экране осциллографа, представляет собой эллипс (рис. 6). Фазовый сдвиг, в градусах, рассчитывается по формуле:
если размеры синусоид на экране одинаковы.
Измерение разности фаз методом фигур Лиссажу можно производить только с помощью двухканального осциллографа, работающего в специфическом режиме X-Y.
Режим X-Y позволяет получить зависимость между двумя величинами в декартовой системе координат на экране осциллографа. Например, данный режим позволяет получать на экране осциллографа вольт-амперные характеристики диода, стабилитрона, петли гистерезиса магнитных материалов и др. Режим X-Y является специфическим и используется A B 7 достаточно редко. В обычном режиме, называемом классическим, исследуемый сигнал подается на ВОП, а на ГОП – линейноменяющееся напряжение (рис. 7), называемое напряжением развертки (развертка), вырабатываемое генератором развертки (генератор пилы).
Если на пластины горизонтального отклонения подавать только напряжение развертки, то на экране будет наблюдаться горизонтальная светящаяся линия развертки. За время прямого хода светящаяся точка перемещается с постоянной скоростью из крайнего левого положения в крайнее правое. За время обратного хода практически равного нулю, светящаяся точка практически мгновенно возвращается в крайнее левое положение.
В простейшем случае изображение на экране будет неподвижно только когда период исследуемого сигнала равен, либо кратен, в меньшую сторону, периоду напряжения развертки. Для получения устойчивого изображения исследуемого сигнала в осциллографе осуществляется синхронизация напряжения развертки с исследуемым сигналом. БС вырабатывает импульсы, запускающие ГР синхронно с изменением исследуемого сигнала. На рис. 8 приведены диаграммы напряжений на отклоняющих пластинах для входного синусоидального сигнала. БС запускает ГР, когда напряжение на входе достигает уровня запускающего напряжения Uзап на каждом периоде синусоиды. На экране ЭЛТ отображается только часть исследуемого сигнала, в течение которой действует напряжение развертки.
Различают два вида синхронизации внутренняя и внешняя. При внутренней синхронизации (переключатель П2 – в положении «Внутр.») запуск ГР осуществляется непосредственно самим входным сигналом. В режиме внешней синхронизации (переключатель П2 – в положении «Внеш.») ГР запускается внешним сигналом, поступающим на вход внешней синхронизации. Очевидно, что если нет внешнего сигнала, то нет и развертки.
Существует два режима работы генератора развертки ждущий и автоколебательный (автоматический). В ждущем режиме схема синхронизации блока синхронизации производит отбор поступающих сигналов по величине и полярности (критерии задаются внешними органами управления). Если эти параметры соответствуют требуемым, блок БС вырабатывает импульсы, запускающие ГР синхронно с входными сигналами, и на экране ЭЛТ формируется соответствующее изображение. При несоответствии параметров сигналов ГР не запускается, следовательно, изображение на экране отсутствует.
В автоколебательном режиме БС и ГР работают аналогично ждущему режиму. Если входные сигналы не соответствуют требованиям или вовсе отсутствуют на входе осциллографа, ГР работает с частотой приблизительно равной 100 Гц. Таким образом, в этом случае синхронизация отсутствует, поэтому в данном режиме на экране наблюдаются «нечеткие» («бегущие») осциллограммы.
Электронный осциллограф
Осциллограф – измерительный прибор, предназначенный для наблюдения формы электрических сигналов и измерения их параметров.
С помощью осциллографа можно наблюдать периодические непрерывные и импульсные сигналы, непериодические и случайные сигналы, одиночные импульсы и измерять их параметры.
Чаще всего с помощью осциллографа наблюдается зависимость напряжения от времени. Ось x является осью времени, а по оси y откладывается напряжение сигнала.
По изображениям, получаемым на экране осциллографа, могут быть измерены амплитуда, период, длительность, частота и фазовый сдвиг, параметры модулированных сигналов, временные интервалы и ряд других параметров.
На базе осциллографа созданы приборы для исследования переходных, частотных и амплитудных характеристик различных радиотехнических устройств.
Применяемые в настоящее время осциллографы можно разделить на светолучевые аналоговые; электронно-лучевые аналоговые; электронные цифровые.
Светолучевые осциллографы регистрируют электрические сигналы световым лучом на специальных светочувствительных носителях.
Электронно-лучевые осциллографы (ЭО) – устройства, в которых основным элементом является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим управлением луча и люминесцирующим экраном. Для преобразования исследуемого сигнала в видимое изображение на экране электронный луч перемещается в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Для многих целей разработаны и используются различные типы электронно-лучевых осциллографов:
С1 – универсальные;
С7 – скоростные;
С8 – запоминающие;
С9 – специальные (для исследования телевизионных сигналов, медицинских целей и др.)
Отличаясь техническими характеристиками и схемными и конструктивными решениями, эти осциллографы используют общий принцип получения осциллограмм.
По числу одновременно наблюдаемых на экране электронно-лучевой трубки сигналов различают осциллографы: одноканальные и многоканальные, а также однолучевые и многолучевые.
В многолучевом осциллографе ЭЛТ имеет два и более электронных луча, управляемых отдельно или совместно.
В многоканальном осциллографе имеется специальное устройство – коммутатор, позволяющий получать изображение двух и более сигналов, поступающих по нескольким каналам, на экране однолучевой ЭЛТ.
Электронно-цифровые осциллографы, в которых отсутствует ЭЛТ, в канале вертикального отклонения имеют аналого-цифровой преобразователь (АЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), а в канале горизонтального отклонения – генератор тактов временной выборки дискретных сигналов (таймер). Изображение выводится на экран жидкокристаллического дисплея. Управление осциллографом осуществляется микропроцессором.
Что такое осциллограф?
Осциллограф – электронный прибор для измерения электрических сигналов в цепи и наблюдения за ними. Определение формы и параметров колебаний необходимо для отслеживания корректности работы оборудования.
Первые попытки создать прибор для определения электрических колебаний относятся ещё к 1880 году. Их делали французские и русские физики. Первые осциллографы были аналоговыми. С 1980-х годов сигналы стали фиксироваться с помощью цифрового оборудования.
Устройство и принцип действия прибора
Объясним устройство аналогового осциллографа просто, «для чайников». Прибор состоит из следующих элементов:
- лучевая трубка;
- блок питания;
- канал вертикального / горизонтального отклонения;
- канал модуляции луча;
- устройство синхронизации и запуска развёртки.
Для управления параметрами сигнала и его отображения на экране есть регуляторы. У старых моделей экрана не было. Изображение фиксировалось на фотоленте.
Принцип работы
При запуске прибора сигнал подаётся на вход канала вертикального отклонения. Он имеет высокое входное сопротивление. По тому же принципу работает вольтметр, измеряющий напряжение. Однако вольтметр не показывает временного графика колебаний напряжения.
Сигнал усиливается до необходимого уровня после подачи на вход. Он отображается на экране по вертикальной оси. Усиление требуется для работы отклоняющей системы лучевой трубки или преобразователя сигнала из аналогового в цифровой. Оно позволяет менять масштаб отображения колебаний на экране от крупного до мелкого.
Устройство
Лучевая трубка чувствительна к электрическим импульсам. Чем ниже их частота, тем выше чувствительность. В нынешних трубках количество лучей может составлять от одного до 16. Их количеству соответствует число сигнальных входов и отображающихся одновременно графиков.
Особенность цифрового осциллографа в том, что он имеет экран и преобразователь аналогового сигнала. У него есть память для сохранения данных о полученном графике колебаний. Часть информации анализируется в автоматическом режиме и отображается в обработанном виде. Аналоговый осциллограф не запоминает данные, а только показывает их в реальном времени.
Разверткой называется траектория движения луча, который улавливает колебания и выводит изображение на экран. Она бывает разной формы — эллиптической, круговой. Значение развёртки регулируется в зависимости от исследуемого сигнала по горизонтальной оси (временнóй).
Блок питания подаёт напряжение от сети 220 В на электронные схемы. Есть и аккумуляторные модели, способные работать автономно.
Виды осциллографов
По принципу действия осциллографы бывают цифровыми и аналоговыми. Существуют смешанные аналого-цифровые приборы. Всё чаще выпускают виртуальные. Там в качестве экрана используется другой прибор – монитор компьютера, телевизора.
Работа некоторых моделей основана на электромеханическом принципе:
- электродинамический;
- электростатический;
- выпрямительный;
- электромагнитный;
- магнитоэлектрический;
- термоэлектрический.
Прибор может работать самостоятельно или являться приставкой к другому оборудованию (например, компьютеру). Во втором случае цена ниже, но сам прибор зависим от внешнего устройства.
Виды развёрток
В разных режимах работы осциллографа линейные (создаваемых пилообразным напряжением) развёртки могут различаться:
- Однократная. Генератор запускается один раз, затем блокируется. Такая развёртка нужна для фиксирования неповторяющихся сигналов.
- Ждущая. Запуск происходит сразу после сигнала. Нужна для наблюдения за редкими колебаниями.
- Автоколебательная. Генератор периодически включается при отсутствии сигнала. Удобна для отображения частых периодических импульсов.
Измеряемые процессы
По принципу работы приборы делят на:
- Специальные. Имеют блоки для целевого использования (например, телевизионные осциллографы).
- Стробоскопические. Чувствительные приборы для исследования кратковременных повторяющихся процессов.
- Скоростные. Используют для фиксации процессов с высокой скоростью (с точностью до нано- и пикосекунд).
- Запоминающие. Сохраняют полученное изображение. Обычно применяют для изучения редких однократных действий.
- Универсальные. Исследуют разные процессы.
Где применяют осциллографы?
Информация, которую даёт осциллограф:
- значения напряжения, временные параметры колебаний;
- сдвиг фаз, искажение импульса на разных участках цепи;
- частота (определяется путем фиксирования его временных характеристик);
- переменная и постоянная составляющие колебаний;
- процессы в цепи.
Осциллографы используют как в практических, так и в научно-исследовательских целях. Для простых измерений можно воспользоваться мультиметром, но в большинстве случаев осциллограф незаменим.
Приборы для измерения колебаний применяют при настройке электронного оборудования. К примеру, для регулировки телевизионного сигнала необходимо получить его осциллографическое изображение. Приборы также используются при ремонте блоков питания, диагностике печатных плат.
При ремонте автомобилей устройство поможет получить данные о положении коленчатого и распределительного валов, датчиков положения. Данные осциллограммы расскажут о наличии импульса на катушке, укажут на неисправность свечей и проводов, диодного моста генератора.
Медицинское оборудование (кардиографы, энцефалографы) тоже работает по принципу осциллографирования. Только электрические колебания, измеряемые ими, происходят в живых организмах.
Методика измерений
Осциллограф измеряет электрическое напряжение и формирует амплитудный график электрических колебаний. Цифровые приборы могут запоминать полученный график, возвращаться к нему.
Колебания отображаются на экране в двухмерной системе координат (напряжение – вертикальная ось, время – горизонтальная ось), формируя график — осциллограмму. Есть ещё третий компонент исследований – интенсивность сигнала (или яркость).
При отсутствии входных импульсов на экране горизонтальная линия – «нулевая», обозначающая отсутствие напряжения. Как только на вход (или входы) прибора подаётся напряжение, на экране становятся видны один или несколько графиков одновременно (зависит от количества измеряемых сигналов).
График электрических колебаний по форме может представлять собой:
- синусоиду;
- затухающую синусоиду;
- прямоугольник;
- меандр;
- треугольники;
- пилообразные колебания;
- импульс;
- перепад;
- комплексный сигнал.
Для получения стабильного графика колебаний в приборе стоит блок синхронизации. Получить цикличное отображение колебаний можно только после установки значения синхронизации. Оно принимается за «стартовое», служит отправной точкой графика. Все скачки отображаются по отношению к этой точке.
Как выбрать
Нужно представлять, в каких целях и как часто будет использоваться прибор, для изучения каких сигналов он предназначен. Учитывайте количество точек для одновременного измерения, одиночность или периодичность колебаний. Иногда используются устройства советского производства. Но получить точную настройку с их помощью трудно.
Количество каналов
По количеству каналов осциллографы могут быть одноканальными, простыми (2-4 канала), продвинутыми (до 16 каналов). Несколько каналов позволяют одновременно анализировать поступающие сигналы.
Тип питания
Прибор с аккумулятором можно брать с собой на выезд. Это удобно для мастеров, которые проверяют оборудование по месту его нахождения. Если выезды не производятся, лучше брать работающий от сети осциллограф, поскольку он стабильнее и надёжнее.
Частота дискретизации
Частота дискретизации важна для измерения однократных и переходных процессов. Чем выше этот параметр, тем более точное изображение сигнала на экране удастся получить.
Полоса пропускания
Для простых исследований цифровых схем и усилителей оптимальная звуковая частота — 25 МГц. Для профессионального измерения нужен прибор, у которого этот параметр — до 200 или даже до 500 МГц. Современные линии связи работают на очень высоких частотах. Частота исследуемых сигналов должна быть в 3-5 раз меньше величины полосы пропускания.
Настройка осциллографа
Перед использованием нового устройства проводится его калибровка с помощью находящихся на корпусе генератора прямоугольных импульсов. Сигнальный щуп подключают к калибровочному выходу, при этом на экране появляется «пила» — зигзагообразная линия. Нужно проверить работу всех функций и регуляторов.
Сейчас осциллографы регулярно используют в сфере электроники. Есть большой выбор устройств, позволяющих наблюдать за параметрами электрических колебаний. Без осциллографа не обойтись ни инженеру-профи, ни рядовому любителю радиоэлектроники.