Как смотреть осциллографом высокое напряжение?
30кГц. Как это правильно делать, чтобы не спалить прибор? Никаких готовых делителей нет, нужно что-то собирать.
Частотно-компенсированный делитель. Мне кажется, уже обсуждали здесь применительно к осциллограммам свечи зажигания.
Элементарно! Ёмкостной делитель с соотношением ёмкостей 1:100. Например, высоковольтная ёмкость 10 пФ, а вторая на 50 В 1000 пФ. Точность измерений (ориентировочно) 10%. Если надо точность повысить, придётся учесть входную ёмкость осциллографа и вычесть её из низковольтного конденсатора. При входной ёмкости 100 пФ придётся взять конденсатор на 900 пФ.
Если требуется и постоянную составляющую отлавливать, то параллельно с ёмкостным включают и резистивный делитель с тем же соотношением сопротивлений, т.е. 1:100. И, конечно, по необходимости придётся учесть и входное сопротивление осцилографа.
И надо иметь в виду, что подключение такого делителя к источнику высокого напряжения (колебательный контур, трансформатор или др.) может заметно изменить режим работы последнего и исказить результаты. Поэтому всегда желательно иметь минимально возможную вносимую ёмкость в измеряемую цепь, и нагружать её максимально возможным сопротивленим.
Дмитрий М: Мне кажется, уже обсуждали
Угу, тут: http://pro-radio.ru/measure/4436/
Форум про радио — сайт, посвященный обсуждению электроники, компьютеров и смежных тем.
ИЗМЕРЕНИЕ ВЫСОКОГО ИМПУЛЬСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Измерение высоких импульсных напряжений производится с помощью делителей напряжения, поскольку величина напряжения, которая может быть подана на пластины осциллографа, не превышает 1000 В.
Рис. 5.12. К определению параметров делителя: а — коэффициента деления; б — времени нарастания импульса напряжения
Применяются, как правило, омические делители напряжения, поскольку они менее критичны к индуктивности подводящих проводов.
Делитель напряжения характеризуется коэффициентом деления К. Иногда его называют передаточным отношением или масштабным коэффициентом, равным отношению напряжения, приложенного к делителю к напряжению, снимаемому с его низковольтного плеча. Коэффициент К может быть определен как отношение полного сопротивления делителя (см. рис. 5.12, а) к сопротивлению его низковольтного плеча
Качество измерительной системы в целом оценивают ее полосой пропускания (частотной характеристикой), а также временем нарасгания напряжения Тн и временем реакции на прямоугольный импульс 7р. Под временем нарастания напряжения понимают время, в течение
которого рассматриваемый импульс возрастает от 0,1 до 0,9 максимального значения (рис. 5.12, б).
Важной характеристикой делителя напряжения является его реакция на приложенный прямоугольный импульс напряжения. На выходе идеального делителя при этом также должен появиться прямоугольный импульс напряжения, ослабленный в соответствии с коэффициентом деления делителя. В реальном делителе, обладающем паразитными емкостями и индуктивностями, импульс напряжения на выходе u2(t) всегда искажается и запаздывает по отношению К ВХОДНОМУ ИМПуЛЬСу Н|(Г).
В случае, когда на вход делителя прикладывается прямоугольный импульс напряжения, напряжение и2 (г) называется реакцией делителя на прямоугольный импульс. Если реакцию отнести к воздействующему напряжению U!K, то можно получить безразмерную функцию h(t), называемую реакцией на единичный прямоугольный импульс, или нормированной единичной переходной функцией, которая является временной зависимостью напряжения на выходе измерительного устройства Тр при приложении единичного скачкообразного напряжения на его вход. Временная реакция Тр пропорциональна заштрихованной площади (рис.
5.13), заключенной между кривой h 
Омический делитель на импульсное напряжение 750 кВ (рис. 5.14) состоит из бакелитовой трубы 3 длиной 1700 мм и диамст-
ром 30 мм. На этой трубе бифилярно намотана нихромовая или манганиновая проволока, обеспечивающая сопротивление 10 кОм. Для защиты от внешних воздействий труба с намотанной проволокой помещена в другую бакелитовую трубу 2 такой же длины диаметром 100 мм, которая заполнена трансформаторным маслом. Оба конца трубы закрыты фланцами. Для выравнивания распределения напряжения по делителю и улучшения качества передачи регистрируемого импульса делитель снабжен верхним трубчатым экраном 1 и нижним
6. Для удобства перемещения делитель установлен на металлической раме с колесами 7.
Рис. 5.14. Делитель напряжения на 750 кВ: а — изображение 3D, б — вид в разрезе
Чтобы на делитель не оказывали влияния окружающее оборудование, стены и потолок зала, он должен быть установлен на соответствующем расстоянии от них. Расчет потенциала электрического поля в точке отстающей от верхнего края делителя на 1 м для случаев, когда окружающие объекты удалены на 1, 2, 3, 4 и 5 высот делителя напряжения, проведенный в COMSOL Multiphisics, показывает, что расстояние до заземленных объектов оказывает влияние, если оно меньше трех высот делителя (рис. 5.15). Это полностью согласуется с экспериментальными данными [9], полученными при определении разрядных напряжений в промежутке «игла — игла», и, следовательно, для того чтобы на делитель не оказывали влияние посторонние предметы, он должен быть установлен не ближе к ним, чем три его высоты.
0 1 2 3 4 х/Н
Рис. 5.15. Зависимость потенциала электрического поля от расстояния до окружающих заземленных объектов
На рис. 5.16 представлены формы передаваемых импульсов 2 — когда сопротивление высоковольтного плеча R = 10 кОм, и делитель снабжен трубчатым экраном, 3 — то же, но делитель без экрана, 4 — когда делитель без экрана, и сопротивление верхнего плеча R = 100 кОм по сравнению с приложенным импульсом /, уменьшенным на коэффициент деления делителя.
Из анализа кривых (рис. 5.16) следует, что для хорошей передачи импульса необходимо предельно уменьшить сопротивление верхнего плеча делителя и снабдить его коаксиальным трубчатым экраном, что эффективно выравнивает распределение напряжения по делителю.
Качество делителя с сопротивлением верхнего плеча 10 кОм и экранированного концентрической трубой диаметром 800 мм с диаметром трубы 80 мм, установленной на расстоянии 200 мм от верха делителя, определенное в соответствии с рис. 5.13, представлено на рис. 5.17.
Рис. 5.16. Влияние параметров делителя на форму передаваемого импульса
Рис. 5.17. К определению качества делителя
Таким образом, можно сделать вывод, что для хорошей регистрации импульса с длительностью фронта Г), = 1,2 мкс (кривая 2, рис. 5.16) время реакции на единичный импульс должно составлять Гр = 0,09 мкс, а время подъема — Гп = 0,15 мкс.
Источником погрешности регистрации импульсов напряжения помимо искажения сигнала в схеме делителя напряжения и внешних помех, создаваемых электромагнитным полем высоковольтной установки и импульсными токами в контуре заземления, может быть кабель присоединения осциллографа к делителю напряжения. Длина этого кабеля, учитывая габариты высоковольтной установки, может достигать нескольких десятков метров. Принципиальная схема подключения осциллографа к омическому делителю напряжения показана на рис. 5.18.
Рис. 5.18. Схема подключения осциллографа к делителю
Рис. 5.19. Расчетная схема
Воспользуемся средствами Micro-Cap 9 и рассмотрим, как влияет резисторы R + R2 на передаваемый импульс, когда волновое сопротивление кабеля 7.-15 Ом. В расчетной схеме (см. рис. 5.19) VI = 70кВ — источник напряжения постоянного тока. Для более удобного сравнения кривых (рис. 5.20) при выводе результатов расчета это напряжение уменьшается пропорционально коэффициенту деления.
Из рис. 5.20 видно, что при R + R2 Z — с понижением, при R + R2 = Z напряжение будет записано без искажений.
Рис. 5.20. К подключению осциллографа: а — R + R2 Z в —R + R2 = Z
Для экспериментального определения переходных характеристик измерительного устройства необходимо на его вход подавать прямоугольные импульсы напряжения. Получение таких импульсов представляет достаточно сложную задачу, поскольку требует использования генераторов с очень малым внутренним сопротивлением. Поэтому реакция измерительной системы на прямоугольный импульс экспериментально определяется при воздействии на нее срезанных импульсов напряжения. Особые требования предъявляются к комму- 222
тирующему срезающему устройству, которое должно иметь минимальную индуктивность и обеспечивать максимально возможную крутизну среза.
Рис. 5.21. Схемы для определения реакции на прямоугольный импульс: а — с помощью генератора ступенчатых импульсов; б — при помощи ГИН и шарового разрядника
Один из используемых на практике методов заключается в том, что на вход измерительного устройства подается сравнительно низкое постоянное напряжение Uo, которое срезается с помощью специального малоиндуктивного коммутатора (например, ртутного реле, см. рис. 5.21, а). Источник постоянного напряжения с коммутатором практически представляет собой генератор ступенчатых импульсов (ГСИ), который должен быть размещен в испытательной установке в точке расположения испытуемого объекта. Соединение ГСИ с установкой производится таким же проводом, как и соединение испытуемого объекта с делителем напряжения. Тем самым обеспечивается сохранение всех паразитных параметров измерительного устройства. Использование низковольтного генератора ступенчатых импульсов требует применения более чувствительного осциллографа, имеющего входной усилитель, поскольку напряжение на низковольтной стороне делителя будет значительно меньшим, чем при обычном осциллогра- фировании высоковольтных импульсов. Очевидно, что этот осциллограф должен обладать высокими скоростными характеристиками.
Для экспериментального определения времени реакции измерительного устройства на прямоугольный импульс возможно использование срезанных высоковольтных импульсов. Такие импульсы, получаемые от генератора импульсных напряжений, срезаются с помощью шарового разрядника F при расстоянии между шарами около 1 мм (рис. 5.21, б). Для увеличения разрядного напряжения шарового разрядника его помещают в сосуд с газом при повышенном давлении. Время реакции Т„ (рис. 5.22) равно площади S.
Рис. 5.22. К определению времени реакции
По рекомендациям МЭК одним из способов определения времени передачи делителя напряжения и всей измерительной системы является метод шарового разрядника. Он основан на использовании зависимости разрядного напряжения шарового разрядника U с шарами диаметром 25 см и расстоянием между ними 6 см от крутизны s линейно нарастающего импульса напряжения отрицательной полярности, показанной на рис. 5.23. Для любой точки вольт-секундной характеристики (рис. 5.24), например, точки С, крутизну импульса можно определить как s = Uc / Т, . Если измерительная система искажает форму импульса (например, гак, как показано пунктирной кривой на рис. 5.24), то в момент пробоя она покажет напряжение Uc — AU. Как 224
видно из рис. 5.24, истинное значение напряжения измерительная система показывает с задержкой времени Г. которое является временем передачи или реакцией на прямоугольный импульс системы. Это время может быть определено из соотношения
Рис. 5.23. Зависимость разрядного напряжения от крутизны линейно нарастающего импульса
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
Проведение осциллографических измерений с высокой точностью и воспроизводимостью
«Земляной» вывод пробника через корпус байонетного коаксиального разъема (BNC) соединяется с корпусом осциллографа. В свою очередь корпус, по правилам безопасности, присоединяется через заземляющий контакт сетевой вилки к проводнику защитного заземления питающей сети. Такое заземление осциллографа обычно создает проблемы, связанные со способом заземления исследуемого источника питания. Часто бывает так, что сигнал нужно измерять относительно определенной точки схемы, а не относительно «земли» (измерения с гальванической развязкой). У разработчиков источников питания имеется несколько приемов для решения таких проблем.
Чаще всего используется метод, при котором осуществляется развязка осциллографа: либо откусывается провод защитного заземления в сетевом шнуре, либо питание на осциллограф подается через разделительный трансформатор. Этот прием очень опасен, поскольку на корпусе осциллографа возможно присутствие высокого напряжения. Кроме того, результаты измерений, проведенных таким способом, могут оказаться ошибочными.
Второй прием, используемый для измерения источника питания с гальванической развязкой, — это вычитание результатов измерений, сделанных по каналам А и В с помощью несимметричных пробников напряжения. Сигналы от двух пробников подаются на входы двух каналов. Далее используются возможности осциллографа по математической обработке осциллограмм: выходные сигналы этих двух каналов электрически вычитаются, в результате получается осциллограмма разностного сигнала. Этот прием относительно безопасен, так как осциллограф остается заземленным.
Однако применимость этого метода ограничена измерениями в условиях, когда сигналы сравнительно невелики, поскольку коэффициент подавления синфазного сигнала при этом мал — не более 20 дБ (10:1). Это ограничение вызвано тем, что сигналы поступают через разные пробники на разные входы осциллографа, а коэффициенты передачи этих двух трактов не могут быть абсолютно одинаковыми.
Наилучшим решением выполнения измерений с гальванической развязкой является применение дифференциального пробника (или дифференциального усилителя) (рис. 2). Этот способ позволяет выполнять точные и безопасные измерения. Дифференциальные пробники обеспечивают высокий коэффициент подавления синфазного сигнала, обычно не менее 80 дБ, или 10 000:1, что позволяет измерять слабый разностный сигнал на фоне больших синфазных сигналов, обеспечивая приемлемую точность и высокую чувствительность. Таким образом, для проведения безопасных и точных измерений с гальванической развязкой наилучшим решением является использование дифференциального пробника, у которого динамический диапазон и полоса пропускания достаточны для работы с исследуемой схемой.
Рис. 2. Дифференциальный пробник
Измерение пульсаций и шумов
При выполнении измерения шумов с помощью осциллографа следует учитывать следующие моменты.
Во-первых, нужно минимизировать лишний шум, добавляемый пробником. На «земляной» провод длиной 15 см и наконечник-захват обычного пассивного пробника может быть наведен значительный уровень шумов, генерируемых исследуемым источником питания или какими-нибудь другими приборами (рис. 3). Кроме того, индуктивная нагрузка, создаваемая длинным «земляным» проводом, часто добавляет свой «звон» к измеряемому сигналу.
Рис. 3. а) Измерение шумов на выходе источника питания с использованием длинного «земляного» провода;
б) осциллограмма с дополнительными шумами, наведенными на «земляной» провод
Напротив, использование наконечника меньших размеров и более короткого «земляного» провода (например, подключение к специальному разъему на исследуемой плате через соответствующий адаптер с разъемом BNC) существенно снижает эти паразитные шумы за счет уменьшения размеров образуемой этими проводами петли, а кроме того, уменьшается индуктивность нагрузки (рис. 4).
Рис. 4. а) Использование наконечника меньших размеров и более короткого «земляного» провода;
б) осциллограмма, демонстрирующая существенное снижение шумов
Когда измеряется амплитуда пульсаций или шумы на выходе источника питания, может потребоваться установка максимальной (или близкой к ней) чувствительности по входу осциллографа. Для этого, во-первых, нужно попытаться использовать пробник 1:1 вместо стандартного пассивного пробника 10:1, поставляемого в комплекте с осциллографом. С пробником 10:1 не только отображаемый средний уровень шумов станет больше в десять раз, но и установленное на максимум значение чувствительности тоже станет в десять раз хуже, чем с пробником 1:1.
Кроме того, можно установить режим входа на связь по переменному току, чтобы убрать постоянную составляющую подаваемого на вход сигнала. Пульсации и шумы нормально работающего источника питания малы по сравнению с выходным напряжением. Но если выходное напряжение источника питания сопоставимо с уровнем шумов и лежит в диапазоне мВ, можно использовать вход со связью по постоянному току и настроить осциллограф так, чтобы видеть постоянную составляющую. Некоторые активные пробники, например Agilent InfiniiMax или 1156A, обеспечивают широкие пределы смещений для расширения динамического диапазона.
И последнее. Не надо забывать про встроенную функцию ограничения полосы пропускания. Почти все осциллографы снабжены схемой для ограничения полосы пропускания тракта вертикального отклонения. Эта функция позволяет избавиться от нежелательных высокочастотных шумов в наблюдаемых сигналах.
Как повысить разрешение осциллографа по вертикали?
Для некоторых задач необходимы измерения сигналов с большим динамическим диапазоном и в то же время требуется такое высокое разрешение, которое позволит оценить небольшие изменения какого-либо параметра. Например, нужно измерить высокое напряжение между стоком и истоком закрытого транзистора, работающего в ключевом режиме в импульсном источнике питания, и низкое напряжение в те моменты, когда транзистор открыт. Для таких измерений может потребоваться разрешение большее, чем 8 бит у обычных цифровых осциллографов (рис. 5). Вместо того чтобы прибегнуть к применению АЦП с более высоким разрешением, можно воспользоваться одним из встроенных режимов: «измерения с высоким разрешением» или «измерения с усреднением», которые позволяют проводить измерения с разрешением более 8 бит и пониженным уровнем шума.
Рис. 5. Осциллограмма напряжения сток–исток ключевого транзистора в импульсном источнике питания, полученная при работе осциллографа в обычном режиме
Обычный режим измерения с усреднением
Для получения разрешения по вертикали, превышающего 8 бит, в современных цифровых осциллографах используются два метода, опирающиеся на схожие математические теории. Первый метод — использование обычного режима измерения с усреднением (рис. 6). Для измерения с усреднением требуется, чтобы сигнал был периодическим. Алгоритм измерения с усреднением состоит в замене нескольких измеренных (в нескольких повторяющихся периодах) точек сигнала одной (средней) точкой, соответствующей определенному моменту времени. Полученные математическим процессом усреднения точки дают нам осциллограмму с более высоким, чем у исходного сигнала, вертикальным разрешением. Сколько точек нужно для усреднения, чтобы получить один дополнительный бит вертикального разрешения? Один дополнительный бит получается усреднением по каждой четверке выборок сигнала. Таким образом, имеем:
где N — количество выборок, по которым проводится усреднение.
Например, усреднение по N = 16 выборкам дает улучшение на 2 бита: количество добавочных битов = 0,5 log216 = 2. Следовательно, эффективное вертикальное разрешение составит 8+2 = 10 бит.
Максимум разрешения по вертикали для этого алгоритма составляет не более 12 бит, поскольку далее начинают влиять другие факторы, в частности, погрешность вертикального усиления или смещения. Преимущество режима усреднения в том, что он не ограничивает полосу пропускания реального времени осциллографа. К недостаткам относится то, что сигнал должен быть периодическим, и то, что снижается скорость обновления сигналов на экране из-за дополнительной нагрузки на центральный процессор осциллографа.
Рис. 6. Осциллограмма напряжения сток–исток, полученная при работе осциллографа в обычном режиме измерения с усреднением
Режим измерения с высоким разрешением
Для второго метода усреднения, применяемого в цифровом осциллографе, не требуется периодического сигнала. Этот метод называется режимом измерения с высоким разрешением (рис. 7). Современные осциллографы, например Agilent InfiniiVision серий 5000, 6000 и 7000, обеспечивают 8-битовое вертикальное разрешение в обычном режиме (как и большинство других цифровых осциллографов). Режим измерения с высоким разрешением повышает вертикальное разрешение осциллографа до 12 бит в реальном масштабе времени и снижает уровень шумов.
Рис. 7. Осциллограмма напряжения сток–исток, полученная при работе осциллографа в режиме с высоким разрешением
Как сказано выше, метод измерения с усреднением состоит в замене нескольких измеренных (в нескольких периодах) точек сигнала одной (средней) точкой, соответствующей определенному моменту времени. В отличие от этого в режиме измерения с высоким разрешением усредняются значения сигнала нескольких последовательных выборок. В режиме измерения с высоким разрешением нельзя прямо задать количество точек, по которым ведется усреднение, как в режиме измерения с усреднением. Вместо этого количество дополнительных битов вертикального разрешения зависит от установленного значения скорости развертки.
При работе с малыми скоростями развертки в осциллографе осуществляется фильтрация последовательных выборок сигнала, результаты которой отображаются на экране. Увеличение глубины памяти для отображаемых данных увеличивает и количество точек, по которым ведется усреднение. Режим измерения с высоким разрешением неэффективен при высокой скорости развертки, когда на одну отображаемую точку приходится мало выборок. Этот метод дает значительный эффект при медленных развертках, когда одна точка осциллограммы формируется из многих выборок.
Компенсация сдвига фаз пробников напряжения и тока
Для точных измерений мощности требуется устранение погрешностей, обусловленных, во-первых, длиной кабелей пробников, во-вторых — электрической длиной участка цепи между точками, в которых измеряются ток и напряжение (если пробники тока и напряжения нельзя поместить в одну точку). Разница электрических длин трактов прохождения сигналов приводит к разным задержкам сигналов, приходящих от двух разных точек электрической цепи.
Чем длиннее кабель пробника, тем больше задержка между сигналом, измеряемым пробником, и сигналом на входе осциллографа. Для пробников, кабели которых имеют разную длину, и задержки получаются разные, а это требует проведения предварительной калибровки, чтобы получить правильный результат измерения. После компенсации сдвига фаз между сигналами двух пробников, учитывающей разницу временных задержек, сигналы от этих пробников приходят на осциллограф одновременно.
Другой фактор, который необходимо принимать во внимание, — это электрическая длина участка цепи между точками подключения пробников тока и напряжения. Например, задержка для печатного проводника на стеклотекстолите FR-4 составляет 381 пс/см, а для медного провода — 216 пс/см.
Погрешности из-за сдвига фаз имеют значительное влияние на измерения в источниках питания, особенно если исследуемые сигналы имеют крутые фронты. Сдвиг фаз может привести к тому, что измеренное значение получится очень низким, давая ложное ощущение достоверности, или очень высоким, предполагая проблему там, где ее нет. Компенсация сдвига фаз пробников перед измерениями в источниках питания является залогом наибольшей точности измерений (рис. 8).
Рис. 8. Примеры компенсации сдвига фаз пробников перед измерениями в источниках питания:
а) сдвиг фаз — измеренное значение слишком низкое;
б) сдвиг фаз — измеренное значение слишком высокое;
в) сдвиг фаз устранен — точный результат
Для наилучшей компенсации сдвига фаз нужно выбирать такие контрольные точки, чтобы пробники напряжения и тока можно было разместить как можно ближе друг к другу. В этом случае развертка напряжения и тока на осциллографе будет точно соответствовать фазе напряжения и тока в исследуемой схеме. В ассортименте компании Agilent имеется приспособление для компенсации сдвига фаз U1880A, которое генерирует специальный тестовый сигнал (рис. 9). По этому сигналу определяются значения компенсации для контрольных точек исследуемой схемы.
Рис. 9. Приспособление для компенсации сдвига фаз U1880A, которое генерирует специальный тестовый сигнал
В дополнение к вышесказанному важно знать, сигнал какого пробника опережающий, а какого — задержанный. Опережающий сигнал должен быть использован в качестве опорного сигнала, а также в качестве сигнала запуска для осциллографа. Задержка между опережающим и задержанным сигналами от пробников должна вычитаться из задержанного сигнала. Значение сдвига можно затем вручную выставить на осциллографе. А можно воспользоваться какими-либо приложениями, предназначенными для измерений параметров источников питания с использованием осциллографа. Например, приложения Agilent U1881A и U1882A, предназначенные для осциллографов Agilent InfiniiVision или Infiniium, автоматизируют процесс компенсации сдвига фаз, и это позволяет устранять погрешность отсчета и дает уверенность в наибольшей точности измерений.