Как определить амплитуду сигнала на осциллографе

16

Вопрос по физике -«Как измерить с помощью осциллографа амплитудное напряжение и частоту сигнала?»

Вот фотография передней панели осциллографа с моими комментариями красным цветом. Кстати, прибор настроен не совсем верно: синусойда не по центру экрана или точнее — не выставлен ноль. .

Нам для учебных целей пойдет и такой. Есть две рукоятки, определяющие масштабы по осям: по горизонтальной оси Х задается масштаб по времени «секунды на деление» с/Дел, мс/дел и тд. ; по вертикальной оси Y задается масштаб по напряжению «Вольты на деление» В/дел, мВ/Дел. Вместо деления может быть указан масштаб на сантиметр. Деление — расстояние между жирными линиями на экране. У нас масштабы: по оси Х =5 мс/Дел, по оси Y =2 В/Дел.
Смотрим что на экране. На экране синусойда, период которой получается 3,5 Деления. Период Т=3,5*5=17,5 миллисекунд (мс) . Частота:
F=1/Т=1/17,5*10^-3)=57 (Гц) . Размах синусойды 2Umax получился на 3,7 деления, т. е. 3,7*2=7,4 В. Размах это удвоенная амплитуда синусойды. Т. е. амплитуда Umax=7,4/2=3,7 В. Если бы синусойда стояла по центру то амплитуду можно было бы измерить напрямую, от нулевой линии до макс. значения, без измерения размаха.

Измерение амплитуды и временных параметров сигнала

В универсальных осциллографах используется метод измерения амплитуд сигналов с помощью масштабной сетки, помещенной на экране осциллографа. Цена деления сетки устанавливается с помощью калибратора амплитуды.

Параметры импульсов определяются следующим образом:

Up = Су ly; Up — размах (амплитуда импульса);

Сy — цена деления сетки по вертикали, В/дел;

Т = CXLX — период следования импульсов;

?п = СX lХ — длительность импульса;

СХ — цена деления сетки по горизонтали, с/дел; ly, Lx, lx — выражены в делениях сетки.

Погрешность измерения амплитуды сигнала при этом методе измерения составляет 3…5 %. Существует ряд способов повысить точность измерения амплитуды исследуемого сигнала, например компенсационные методы. Эти методы чаще всего применяют только в цифровых осциллографах, что позволяет получить численные значения параметров с погрешностью 1…2 %.

С помощью осциллографов можно измерять параметры сигналов сложной временной структуры, например ступенчатых сигналов или сигналов кодовых последовательностей. Можно измерять параметры случайных и переходных процессов. Наиболее простым методом исследования является метод калиброванной развертки (калиброванных меток). Реальная погрешность этого метода составляет порядка 10 % и зависит от количества меток.

Калибровочные метки известной частоты наносятся на изображение сигнала длительностью ти путем модуляции яркости луча, т. е. подачей на сетку ЭЛТ напряжения известной частоты f0 = 1/T0. При этом длительность сигнала и = пТ0, где п — количество калибровочных меток.

Способ измерения по интерференционным фигурам, называемым фигурами Лиссажу.

Измерение основано на сравнении неизвестной частоты fx с известной частотой f0, воспроизводимой мерой.

С этой целью колебания известной (образцовой) частоты f0 подаются на один вход осциллографа (например, Y). На вход X (при этом собственная развертка осциллографа отключается) поступают колебания измеряемой частоты. Частоту f0 образцового генератора подстраивают так, чтобы на экране осциллографа наблюдалась простейшая устойчивая фигура, примерные виды которой при разных фазовых сдвигах показаны в таблице. Форма фигур Лиссажу зависит от отношения частот m/n и начальных фаз сравниваемых колебаний.

С оотношение частот двух гармонических колебаний может быть определено как отношение числа точек пересечения фигуры Лиссажу т по вертикали к числу точек пересечения п по горизонтали. Например, как показано на риcунке справа, это отношение составляет:

Отсюда измеряемая частота определяется как: fx=f0/2.

Точность этого метода определения частоты колебания оказывается высокой и определяется стабильностью образцового генератора, однако получение и наблюдение таких фигур — достаточно сложная измерительная задача.

Осциллографирование импульсных сигналов

При измерении импульсных сигналов особое значение имеет правильное определение вида и параметров фронтов импульса. Основными влияющими факторами на правильное воспроизведение импульсного сигнала являются:

• частотный диапазон канала вертикального отклонения ;

• переходная характеристика канала осциллографа.

Частотные свойства осциллографа отражаются параметрами его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) — зависимости размера изображения гармонического сигнала от его частоты. АЧХ характеризуют полосой пропускания, определяемой верхней граничной частоты fв, отсчитываемой по уровню 0,707 от значения АЧХ на низких частотах. Среди других параметров отметим рабочий диапазон АЧХ, в пределах которого ее неравномерность не превышает погрешности измерения напряжения для данного осциллографа. Этот параметр определяет частотные границы измерения амплитуд гармонических сигналов с заданной точностью.

К параметрам переходной характеристики, относят время нарастания ?но — интервал, в течение которого луч проходит от 0,1 до 0,9 от установившегося значения (уровня Um) переходной характеристики. Плоская часть переходной характеристики может быть с выбросом или с осцилляциями; в этих случаях используют дополнительные параметры: время установления ?уo, отсчитываемое от уровня 0,1 до момента уменьшения осцилляции до заданного уровня; выброс определяется параметром ?. Время нарастания — основной параметр канала вертикального отклонения Y осциллографа.

Для исследования кратковременных сигналов необходим осциллограф, имеющий время нарастания не более 0,3 от длительности сигнала.

Учитывая изложенное, можно рекомендовать верхнюю границу частотного диапазона определять по формуле:

При этом длительность фронта импульса следует уточнять согласно выражению:

где ?изм — измеренное значение длительности фронта; ?но — время нарастания фронта, определяемое по переходной характеристике осциллографа, должно быть не более 0,1… 0,3 от длительности сигнала.

От нижней граничной частоты Fн зависит величина скоса ?Um вершины импульса. Эта граничная частота может быть определена из формулы:

где ?и — допустимая относительная величина спада вершины импульса:

Статьи к прочтению:

Как пользоваться осциллографом

Похожие статьи:

Одним из основных качеств тренировочного процесса является его направленность к максимальному результату. Это, безусловно, определяется соревновательным…

Срок совершения исходного события принимается за нуль и, следуя логике сети и заданным оценкам времени работ, производится расчет сети слева направо, от…

fopi / Лабы по ФОИ — Изучение работы электронного осциллографа (21)

Электронный осциллограф предназначен для наблюдения функциональной зависимости величин, преобразованных в электрический сигнал. Наиболее часто осциллографы используются для изучения временной зависимости переменных величин.

Структурная схема осциллографа изображена на рис. 21.1. Основными частями осциллографа являются электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) 1, генератор развертки 2, блок синхронизации 3, усилитель вертикального 4 и горизонтального 5 каналов отклонения, блок питания 6.

Электронно-лучевая трубка является основной частью осциллографа. Она представляет собой стеклянный баллон, из которого откачан воздух, с находящимися внутри электродами. С одного конца стеклянный баллон имеет расширение, на торцовую часть которого (экран) нанесен слой вещества, светящегося под ударами электронов. На рис. 21.2 показано схематическое изображение ЭЛТ с электростатическим отклонением луча.

Катод (К) ЭЛТ аналогичен катоду радиолампы и имеет такое же назначение — испускать электроны. Подогревный катод имеет форму цилиндра, внутри которого находится нить накала (НН). Около катода расположен управляющий электрод (УЭ) тоже цилиндрической формы (по назначению он аналогичен сетке триода). Этот электрод называется модулятором или сеткой. На него подастся отрицательное относительно катода напряжение в несколько десятков вольт. Изменяя напряжение, поданное на модулятор, можно регулировать количество электронов, выходящих из модулятора и, таким образом, управлять яркостью изображения. Далее расположены два анода A₁ и А₂, выполненные в виде полых металлических цилиндров. Диаметр первого анода меньше диаметра второго Они имеют высокий положительный потенциал относительно катода: первый анод — порядка нескольких сотен, а второй—нескольких тысяч вольт. Так как потенциал второго анода выше потенциала первого, то напряженность электрического поля между ними направлена от второго анода к первому. Под действием этого поля электроны ускоряются, а также фокусируются в точке, лежащей на оси трубки. Меняя напряжение на первом аноде, можно изменять напряженность электрического поля между анодами и тем самым перемещать точку фокуса вдоль оси, добиваясь ее совмещения с поверхностью экрана

Вся система, состоящая из катода, управляющего электрода и двух анодов, создает узкий направленный поток электронов — электронный луч. На пути электронного луча стоят две пары взаимно перпендикулярных пластин П_х и П_у, называемых отклоняющими. Если между этими пластинами нет электрического поля, то они не влияют на электронный луч. Если же на какую-либо пару пластин подано напряжение» то между пластинами образуется электрическое поле, которое отклоняет электронный луч. Чем выше разность потенциалов между пластинами, тем сильнее отклоняется в их поле электронный луч, а следовательно, и светящееся пятно на экране осциллографа. Пластины П_у отклоняют луч в вертикальной плоскости и называются вертикально отклоняющими пластинами. Пластины П_х отклоняют луч в горизонтальной плоскости и называются горизонтально отклоняющими пластинами. Электроны, попавшие на экран, необходимо отвести, чтобы экран не получил отрицательный потенциал, тормозящий полет последующих электронов. Для этого на внутреннюю часть боковой поверхности трубки наносится проводящий графитовый слой (ГС), имеющий небольшой положительный потенциал относительно экрана.

Если при отсутствии напряжения на горизонтально отклоняющих пластинах на вертикально отклоняющие пластины подать переменное напряжение, например синусоидальное, то на экране возникнет вертикальный прямая, так как электронный луч будет отклоняться все время в сторону положительно заряженной пластины, а заряд на пластинах будет изменяться с частотой поданных колебаний. На экране получится изображение синусоиды или другого периодического сигнала, если луч кроме колебательного движения вдоль вертикальной оси совершает еще равномерное движение вдоль горизонтальной оси. Это происходит в том случае, когда на горизонтально отклоняющие пластины подается разность потенциалов, линейно за висящая от времени. Для получения устойчивой картины на экране осциллографа необходимо, чтобы электронный луч, пройдя по горизонтали путь от одного края экрана до другого и быстро возвращаясь в первоначальное положение, повторял свою траекторию на экране. Такому условию удовлетворяет пилообразное напряжение (рис. 21.3), которое подается на горизонтально отклоняющие пластины от генератора развертки

.

Для получения на экране ЭЛТ устойчивого изображения необходимо, чтобы электронный луч начинал свое повторное движение в одной и той же фазе. Это может быть только в том случае, если период пилообразных колебаний равен или кратен периоду исследуемых колебаний- Процесс согласования фаз называется синхронизацией развертки и осуществляется с помощью блока синхронизации.

Усилители горизонтального и вертикального каналов отклонения позволяют изменять напряжение, подаваемое на горизонтальные и вертикальные пластины ЭЛТ, при этом изображение на экране растягивается или сжимается по соответствующему направлений.

Блок питания обеспечивает подачу необходимых напряжений на ЭЛТ, усилители, генератор развертки и другие узлы осциллографа.

С помощью электронного осциллографа можно измерить амплитуду исследуемого напряжения. Для этого необходимо знать чувствительность осциллографа (отклонение светового пятна при изменении напряжения па отклоняющих пластинах на 1 В) Так как имеются две независимые отклоняющие системы: по горизонтальной оси . и по вертикальной оси ,— то соответственно можно указать и две чувствительности и :

(21.1)

Для измерения амплитуды напряжения в некоторых типах осциллографов канал вертикального отклонения нужно калибровать, используя эталонный сигнал. В этом случае около ручек регулировки усиления вертикального канала на лицевой панели осциллографа указываются (В/см) значения величины, обратной чувствительности, соответствующие каждому положений ручки.

Используя осциллограф, можно также определить частоту исследуемого сигнала. Для этого усиление по горизонтали калибруется в масштабе времени. Ручка регулировки длительности развертки градуирована в мкс/см. Установив фиксированную длительность развертки и измерив на экране расстояние по горизонтали между соседними точками, находящимися в одинаковых фазах, можно определить период и частоту исследуемого сигнала:

(21.2)

Частоту сигнала можно найти и другим способом. Для этого на пластины подают напряжение известной частоты (обычно 50 Гц) от сети, а на пластины — напряжение неизвестной частоты. Генератор развертки при этом не используется. В данном случае электронный луч участвует в двух взаимно перпендикулярных колебательных движениях.

При сложении двух синусоидальных колебаний, совершающихся во взаимно перпендикулярных направлениях по осям и , получаются фигуры, форма которых зависит от соотношения частот, фаз и амплитуд суммируемых колебаний На рис. 21.4, 21.5 изображены фигуры Лиссажу, получающиеся при различных соотношениях частот и фаз. По форме фигуры можно судить о частоте исследуемого сигнала.

Описание установки

Экспериментальная установка состоит из электронного осциллографа, регулятора напряжения и генератора звуковой частоты. Регулятор напряжения позволяет плавно изменить напряжение подаваемого на осциллограф сигнала частотой 50 Гц. Напряжение измеряется вольтметром. Сигнал переменной частоты подается на осциллограф от звукового генератора.

Порядок выполнения работы

Определение чувствительности осциллографа:

включите осциллограф в сеть и дайте ему прогреться в течение 2—3 мин;

подайте на вход осциллографа напряжение с регулятора напряжения, развертку по оси отключите;

установите длину вертикального отрезка па экране осциллографа, равную ;

вычислите амплитудное значение напряжения:

рассчитайте чувствительность осциллографа;

определите чувствительность осциллографа при двух других значениях подаваемого напряжения и вычислите

результаты измерений и вычислений занесите в табл. 21.1.

Определение амплитудного значения напряжения:

не меняя положении ручек регулировки усиления канала вертикального отклонения, подайте на вход осциллографа сигнал с выхода регулятора напряжения (развертка по оси отключена),

измерьте длину получившегося на экране вертикального отрезка;

вычислите амплитудное значение напряжения:

Определение частоты сигнала:

подайте на вход осциллографа сигнал частотой 50 Гц с регулятора напряжения;

на вход осциллографа подайте исследуемый сигнал с генератора звуковой частоты,

получите на экране устойчивое изображение фигуры Лиссажу и зарисуйте его;

по форме фигуры определите частоту исследуемого сигнала;

отключите регулятор напряжения и включите генератор развертки;

с помощью ручки регулировки длительности развертки получите на экране устойчивое изображение синусоиды и определите частоту исследуемого сигнала[см (21.2)];

проделайте измерения, аналогичные п. а) — f) для сигналов других частот;

результаты измерений и вычислений занесите в табл. 21.2.

В

В

мм

мм/В

мм/В

Гц

см

мкс/см

Гц

Вопросы и упражнения

Из каких блоков состоит электронный осциллограф?

Опишите устройство электронно-лучевой трубки.

Что называется чувствительностью осциллографа?

Объясните принцип работы генератора пилообразного напряжения.

Что такое синхронизация сигналов, как она осуществляется в осциллографе,

Как осуществляется развертка сигнала во времени на экране электронного осциллографа?

Что такое фигуры Лиссажу и как их получают в данной работе?

Как с помощью осциллографа можно измерить амплитуду и частоту исследуемого сигнала?

Проведение измерений с помощью осциллографа

Цифровой осциллограф, конечно, намного совершеннее обычного электронного, позволяет запоминать осциллограммы, может подключаться к персональному компьютеру, имеет математическую обработку результатов, экранные маркеры и многое другое. Но при всех достоинствах эти приборы нового поколения обладают одним существенным недостатком, — это высокая цена.

Именно она делает цифровой осциллограф недоступным для любительских целей, хотя существуют «карманные» осциллографы стоимостью всего в несколько тысяч рублей, которые продаются на Алиэкспресс, но пользоваться ими не особенно удобно. Ну, просто интересная игрушка. Поэтому пока речь пойдет об измерениях с помощью электронного осциллографа.

На тему выбора осциллографа для использования в домашней лаборатории в интернете можно найти достаточное количество форумов. Не отрицая достоинств цифровых осциллографов, на многих форумах советуют остановить выбор на простых малогабаритных и надежных осциллографах отечественной разработки С1-73 и С1-101 и подобных, с которыми мы ранее познакомились в этой статье.

При достаточно демократичной цене эти приборы позволят выполнить большинство радиолюбительских задач. А пока познакомимся с общими принципами измерений с помощью осциллографа.

Рисунок 1. Осциллограф С1-73

Что измеряет осциллограф

Измеряемый сигнал подается на вход канала вертикального отклонения Y, который имеет большое входное сопротивление, как правило, 1MΩ, и малую входную емкость, не более 40pF, что позволяет вносить минимальные искажения в измеряемый сигнал. Эти параметры часто указываются рядом с входом канала вертикального отклонения.

Рисунок 2. Осциллограф С1-101

Высокое входное сопротивление свойственно вольтметрам, поэтому можно с уверенностью сказать, что осциллограф измеряет напряжение. Применение внешних входных делителей позволяет снизить входную емкость и увеличить входное сопротивление. Это также снижает влияние осциллографа на исследуемый сигнал.

Здесь следует вспомнить, что существуют специальные высокочастотные осциллографы, входное сопротивление которых всего 50 Ом. В радиолюбительской практике такие приборы не находят применения. Поэтому далее речь пойдет об обычных универсальных осциллографах.

Полоса пропускания канала Y

Осциллограф измеряет напряжения в очень широких пределах: от напряжений постоянного тока, до напряжений достаточно высокой частоты. Размах напряжения может быть достаточно разнообразным, — от десятков милливольт до десятков вольт, а при использовании внешних делителей вплоть до нескольких сотен вольт.

При этом следует иметь в виду, что полоса пропускания канала вертикального отклонения Y д.б. не менее, чем в 5 раз выше частоты сигнала, который будет измеряться. То есть усилитель вертикального отклонения должен пропускать не ниже пятой гармоники исследуемого сигнала. Особенно это требуется при исследовании прямоугольных импульсов, которые содержат множество гармоник, как показано на рисунке 3. Только в этом случае на экране получается изображение с минимальными искажениями.

Рисунок 3. Синтез прямоугольного сигнала из гармонических составляющих

Кроме основной частоты на рисунке 3 показаны третья и седьмая гармоники. С увеличением номера гармоники возрастает ее частота: частота третьей гармоники в три раза выше основной, пятой гармоники в пять раз, седьмой в семь и т.д. Соответственно амплитуда высших гармоник падает: чем выше номер гармоники, тем ниже ее амплитуда. Только если усилитель вертикального канала без особого ослабления сможет пропустить высшие гармоники, изображение импульса получится прямоугольным.

На рисунке 4 показана осциллограмма меандра при недостаточной полосе пропускания канала Y.

Примерно так выглядит меандр частотой 500 КГц на экране осциллографа ОМШ-3М с полосой пропускания 0…25 КГц. Как будто прямоугольные импульсы пропущены через интегрирующую RC цепочку. Такой осциллограф выпускался советской промышленностью для лабораторных работ на уроках физики в школах. Даже напряжение питания этого прибора в целях безопасности было не 220, а всего 42В. Совершенно очевидно, что осциллограф с такой полосой пропускания позволит почти без искажений наблюдать сигнал с частотами не более 5КГц.

У обычного универсального осциллографа полоса пропускания чаще всего составляет 5 МГц. Даже при такой полосе можно увидеть сигнал до 10 МГц и выше, но полученное на экране изображение позволяет судить лишь о наличии или отсутствии этого сигнала. О его форме что-либо сказать будет затруднительно, но в некоторых ситуациях форма не столь уж и важна: например есть генератор синусоиды, и достаточно просто убедиться, есть эта синусоида или ее нет. Как раз такая ситуация показана на рисунке 4.

Современные вычислительные системы и линии связи работают на очень высоких частотах, порядка сотен мегагерц. Чтобы увидеть столь высокочастотные сигналы полоса пропускания осциллографа должна быть не менее 500 МГц. Такая широкая полоса очень «расширяет» цену осциллографа.

В качестве примера можно привести цифровой осциллограф U1610A показанный не рисунке 5. Его полоса пропускания 100МГц, при этом цена составляет почти 200 000 рублей. Согласитесь, не каждый может позволить себе купить столь дорогой прибор.

Пусть читатель не сочтет этот рисунок за рекламу, поскольку все координаты продавца не закрашены: на месте этого рисунка мог оказаться любой подобный скриншот.

Виды исследуемых сигналов и их параметры

Наиболее распространенным видом колебаний в природе и технике является синусоида. Это та самая многострадальная функция Y=sinX, которую проходили в школе на уроках тригонометрии. Достаточно много электрических и механических процессов имеют синусоидальную форму, хотя достаточно часто в электронной технике применяются и другие формы сигналов. Некоторые из них показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Формы электрических колебаний

Периодические сигналы. Характеристики сигналов

Универсальный электронный осциллограф позволяет достаточно точно исследовать периодические сигналы. Если же на вход Y подать реальный звуковой сигнал, например, музыкальную фонограмму, то на экране будут видны хаотично мелькающие всплески. Естественно, что детально исследовать такой сигнал невозможно. В этом случае поможет применение цифрового запоминающего осциллографа, который позволяет сохранить осциллограмму.

Колебания, показанные на рисунке 6, являются периодическими, повторяются, через определенный период времени T. Подробнее это можно рассмотреть на рисунке 7.

Рисунок 7. Периодические колебания

Колебания изображены в двухмерной системе координат: по оси ординат отсчитывается напряжение, а по оси абсцисс время. Напряжение измеряется в вольтах, время в секундах. Для электрических колебаний время чаще измеряется в миллисекундах или микросекундах.

Кроме компонентов X и Y осциллограмма содержит еще компонент Z – интенсивность, или попросту яркость (рисунок 8). Именно она включает луч на время прямого хода луча и гасит на время обратного хода. Некоторые осциллографы имеют вход для управления яркостью, который так и называется вход Z. Если на этот вход подать импульсное напряжение от образцового генератора, то на экране можно увидеть частотные метки. Это позволяет точнее отсчитывать длительность сигнала по оси X.

Рисунок 8. Три компонента исследуемого сигнала

Современные осциллографы имеют, как правило, калиброванные по времени развертки, позволяющие точно отсчитывать время. Поэтому пользоваться внешним генератором для создания меток практически не приходится.

В верхней части рисунка 7 располагается синусоида. Нетрудно видеть, что начинается она в начале координатной системы. За время T (период) выполняется одно полное колебание. Далее все повторяется, идет следующий период. Такие сигналы называются периодическими.

Ниже синусоиды показаны прямоугольные сигналы: меандр и прямоугольный импульс. Они также периодические с периодом T. Длительность импульса обозначена как τ (тау). В случае меандра длительность импульса τ равна длительности паузы между импульсами, как раз половина периода T. Поэтому меандр является частным случаем прямоугольного сигнала.

Скважность и коэффициент заполнения

Для характеристики прямоугольных импульсов используется параметр, называемый скважностью. Это есть отношение периода следования импульсов T к длительности импульса τ. Для меандра скважность равна двум, — величина безразмерная: S= T/τ.

В англоязычной терминологии как раз все наоборот. Там импульсы характеризуются коэффициентом заполнения, соотношением длительности импульса к периоду следования Duty cycle: D=τ/T. Коэффициент заполнения выражается в %%. Таким образом, для меандра D=50%. Получается, что D=1/S, коэффициент заполнения и скважность величины взаимно обратные, хотя характеризуют собой один и тот же параметр импульса. Осциллограмма меандра показана на рисунке 9.

Рисунок 9. Осциллограмма меандра D=50%

Здесь вход осциллографа подключен к выходу функционального генератора, показанного тут же в нижнем углу рисунка. И вот тут внимательный читатель может задать вопрос: «Амплитуда выходного сигнала с генератора 1В, чувствительность входа осциллографа 1В/дел., а на экране прямоугольные импульсы с размахом 2В. Почему?»

Дело в том, что функциональный генератор выдает двухполярные прямоугольные импульсы относительно уровня 0В, примерно так же, как синусоида, с положительной и отрицательной амплитудой. Поэтому на экране осциллографа наблюдаются импульсы с размахом ±1В. На следующем рисунке изменим коэффициент заполнения Duty cycle, например, до 10%.

Рисунок 10. Прямоугольный импульс D=10%

Нетрудно видеть, что период следования импульсов составляет 10 клеток, в то время, как длительность импульса всего одна клетка. Поэтому D=1/10=0,1 или 10 %, что видно по настройкам генератора. Если воспользоваться формулой для подсчета скважности, то получится S = T / τ = 10 / 1 = 1 – величина безразмерная. Вот здесь можно сделать вывод, что Duty cycle намного наглядней характеризует импульс, чем скважность.

Собственно сам сигнал остался такой же, как на рисунке 9: прямоугольный импульс амплитудой 1В и частотой 100Гц. Изменяется только коэффициент заполнения или скважность, уж это как кому привычней и удобней. Но для удобства наблюдения на рисунке 10 длительность развертки снижена в два раза по сравнению с рисунком 9 и составляет 1мс/дел. Поэтому период сигнала занимает на экране 10 клеток, что позволяет достаточно легко убедиться, что Duty cycle составляет 10%. При пользовании реальным осциллографом длительность развертки выбирается примерно также.

Измерение напряжения прямоугольного импульса

Как было сказано в начале статьи, осциллограф измеряет напряжение, т.е. разность потенциалов между двумя точками. Обычно измерения проводятся относительно общего провода, земли (ноль вольт), хотя это необязательно. В принципе возможно измерение от минимального до максимального значения сигнала (пиковое значение, размах). В любом случае действия по измерению достаточно просты.

Прямоугольные импульсы чаще всего бывают однополярными, что характерно для цифровой техники. Как измерить напряжение прямоугольного импульса, показано на рисунке 11.

Рисунок 11. Измерение амплитуды прямоугольного импульса

Если чувствительность канала вертикального отклонения выбрана 1В/дел, то получается, что на рисунке показан импульс с напряжением 5,5В. При чувствительности 0,1В/дел. Напряжение будет всего 0,5В, хотя на экране оба импульса выглядят совершенно одинаково.

Что еще можно увидеть в прямоугольном импульсе

Прямоугольные импульсы, показанные на рисунках 9, 10 просто идеальные, поскольку синтезированы программой Electronics WorkBench. Да и частота импульсов всего 100Гц, поэтому проблем с «прямоугольностью» изображения возникнуть не может. В реальном устройстве при высокой частоте следования импульсы несколько искажаются, прежде всего, появляются различные выбросы и всплески, обусловленные индуктивностью монтажа, как показано на рисунке 12.

Рисунок 12. Реальный прямоугольный импульс

Если не обращать внимания на подобные «мелочи», то прямоугольный импульс выглядит так, как показано на рисунке 13.

Рисунок 13. Параметры прямоугольного импульса

На рисунке показано, что передний и задний фронты импульса возникают не сразу, а имеют какое-то время нарастания и спада, несколько наклонены относительно вертикальной линии. Этот наклон обусловлен частотными свойствами микросхем и транзисторов: чем более высокочастотный транзистор, тем менее «завалены» фронты импульсов. Поэтому длительность импульса определяется по уровню 50% от полного размаха.

По этой же причине амплитуда импульса определяется по уровню 10…90%. Длительность импульса, так же, как и напряжение, определяется умножением числа делений горизонтальной шкалы на значение деления, как показано на рисунке 14.

На рисунке показан один период прямоугольного импульса, несколько отличного от меандра: длительность положительного импульса составляет 3,5 деления горизонтальной шкалы, а длительность паузы 3,8 деления. Период следования импульса составляет 7,3 деления. Такая картинка может принадлежать нескольким разным импульсам с различной частотой. Все будет зависеть от длительности развертки.

Предположим, что длительность развертки 1мс/дел. Тогда период следования импульса 7,3*1=7,3мс, что соответствует частоте F=1/T=1/7.3= 0,1428КГц или 143ГЦ. Если длительность развертки будет 1мкс/дел, то частота получится в тысячу раз выше, а именно 143КГЦ.

Пользуясь данными рисунка 14 нетрудно подсчитать скважность импульса: S=T/τ=7,3/3,5=2,0857, получается почти, как у меандра. Коэффициент заполнения Duty cycle D=τ/T=3,5/7,3=0,479 или 47.9%. При этом следует обратить внимание, что эти параметры ни в коем случае не зависят от частоты: скважность и коэффициент заполнения были подсчитаны просто по делениям на осциллограмме.

С прямоугольными импульсами все вроде бы понятно и просто. Но мы совсем забыли о синусоиде. В сущности, там то — же самое: можно измерить напряжения и временные параметры. Один период синусоиды показан на рисунке 15.

Рисунок 15. Параметры синусоиды

Очевидно, что для показанной на рисунке синусоиды чувствительность канала вертикального отклонения составляет 0,5В/дел. Остальные параметры нетрудно определить умножив число делений на 0,5В/дел.

Синусоида может быть и другой, которую придется измерять при чувствительности, например, 5В/дел. Тогда вместо 1В получится 10В. Однако, на экране изображение обеих синусоид выглядит абсолютно одинаково.

Временные параметры показанной синусоиды неизвестны. Если предположить, что длительность развертки 5мс/дел., период составит 20мс, что соответствует частоте 50ГЦ. Цифры в градусах на оси времени показывают фазу синусоиды, хотя для одиночной синусоиды это не особо важно. Чаще приходится определять сдвиг по фазе (непосредственно в миллисекундах или микросекундах) хотя бы между двумя сигналами. Лучше всего это делать с помощью двухлучевого осциллографа. Как это делается, будет показано чуть ниже.

Как осциллографом измерить ток

В некоторых случаях требуется измерение величины и формы тока. Например, переменный ток, протекающий через конденсатор, опережает напряжение на ¼ периода. Тогда в разрыв цепи включают резистор с небольшим сопротивлением (десятые доли Ома). На работу схемы такое сопротивление не влияет. Падение напряжения на этом резисторе покажет форму и величину тока, протекающего через конденсатор.

Примерно так же устроен обычный стрелочный амперметр, который включатся в разрыв электрической цепи. При этом измерительный резистор находится внутри самого амперметра.

Схема для измерения тока через конденсатор показана на рисунке 16.

Рисунок 16. Измерение тока через конденсатор

Синусоидальное напряжение частотой 50 Гц амплитудой 220 В с генератора XFG1 (красный луч на экране осциллографа) подается на последовательную цепь из конденсатора C1 и измерительного резистора R1. Падение напряжения на этом резисторе покажет форму, фазу и величину тока через конденсатор (синий луч). Как это будет выглядеть на экране осциллографа, показано на рисунке 17.

Рисунок 17. Ток через конденсатор опережает напряжение на ¼ периода

При частоте синусоиды 50 Гц и развертке 5 ms/Div один период синусоиды занимает 4 деления по оси X, что очень удобно для наблюдения. Нетрудно видеть, что синий луч опережает красный ровно на 1 деление по оси X, что соответствует ¼ периода. Другими словами ток через конденсатор опережает по фазе напряжение, что полностью соответствует теории.

Чтобы рассчитать ток через конденсатор достаточно воспользоваться законом Ома: I = U/R. При сопротивлении измерительного резистора 0,1Ом падение напряжения на нем 7мВ. Это амплитудное значение. Тогда максимальный ток через конденсатор составит 7/0,1=70мА.

Измерение формы тока через конденсатор не является какой-то очень актуальной задачей, тут все ясно и без измерений. Вместо конденсатора может быть любая нагрузка: катушка индуктивности, обмотка электродвигателя, транзисторный усилительный каскад и многое другое. Важно, что именно таким методом можно исследовать ток, который в некоторых случаях значительно отличается по форме от напряжения.

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника

Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день