Как подключить осциллограф к схеме

Как пользоваться осциллографом

В статье «Электронный осциллограф – устройство, принцип работы» вкратце было рассказано об этом универсальном приборе. Приведенных сведений достаточно для того, чтобы сделать процесс измерений осознанным, но в случае ремонта столь сложного прибора понадобятся более глубокие знания, ведь схемотехника электронных осциллографов весьма разнообразна и достаточно сложна.

Чаще всего в распоряжении начинающего радиолюбителя оказывается однолучевой осциллограф, но освоив приемы пользования таким прибором, не составит труда перейти на двухлучевой или цифровой осциллограф.

На рисунке 1 показан достаточно простой и надежный осциллограф С1-101, имеющий настолько малое количество ручек, что запутаться в них абсолютно невозможно. Обратите внимание, что это не какой-нибудь осциллограф для школьных уроков физики, именно таким пользовались на производстве всего лишь лет двадцать назад.

Питание осциллографа не только 220В. Возможно питание от источника постоянного тока 12В, например автомобильного аккумулятора, что позволяет пользоваться прибором в полевых условиях.

Рисунок 1. Осциллограф С1-101

Вспомогательные регулировки

На верхней панели осциллографа расположены ручки регулирования яркости и фокусировки луча. Их назначение понятно без объяснений. На передней панели находятся все остальные органы управления.

Два регулятора, обозначенные стрелками, позволяют регулировать положение луча по вертикали и горизонтали. Это позволяет более точно совмещать изображение сигнала на экране с координатной сеткой для улучшения отсчета делений.

Нулевой уровень напряжения находится на центральной линии вертикальной шкалы, что позволяет наблюдать двухполярный сигнал без постоянной составляющей.

Для исследования однополярного сигнала, например цифровых схем, луч лучше переместить на нижнее деление шкалы: получится одна вертикальная шкала из шести делений.

На передней панели находятся также тумблер включения питания и индикатор включения.

Усиление сигнала

Переключателем «V/дел» устанавливается чувствительность канала вертикального отклонения. Усиление канала Y калиброванное, изменяется с шагом 1, 2, 5, плавной регулировки чувствительности нет.

Вращением этого переключателя следует добиться, чтобы размах исследуемого импульса был не менее 1 деления вертикальной шкалы. Только тогда можно добиться устойчивой синхронизации сигнала. Вообще следует стремиться, получить размах сигнала по возможности больше, до тех пор, пока он не вышел за пределы координатной сетки. В таком случае точность измерений возрастает.

В общем случае рекомендация по выбору усиления может быть такой: выкрутить переключатель против часовой стрелки до положения 5V/дел, после чего вращать ручку по часовой стрелке до тех пор, пока размах сигнала на экране не станет таким, как было рекомендовано в предыдущем абзаце. Это как в случае с мультиметром: если величина измеряемого напряжения неизвестна начинать измерения с самого высоковольтного диапазона.

Самое последнее по часовой стрелке положение переключателя чувствительности по вертикали обозначено черным треугольником с надписью «5ДЕЛ». В этом положении на экране возникают прямоугольные импульсы размахом 5 делений, частота импульсов 1 КГц. Назначение этих импульсов – проверка и калибровка осциллографа. В связи с этими импульсами вспоминается несколько комичный случай, который можно рассказать в качестве анекдота.

Пришел как-то к нам в мастерскую один товарищ и попросил воспользоваться осциллографом для налаживания какой-то самопальной конструкции. После нескольких дней творческих мучений слышим от него такой возглас: «Эх ты, и питание выключил, а импульсы-то какие хорошие!». Оказалось, что по незнанию он просто включил калибровочные импульсы, которые никакими ручками на передней панели не управляются.

Открытый и закрытый вход

Непосредственно под переключателем чувствительности находится трехпозиционный переключатель режимов работы, которые часто называют «открытый вход» и «закрытый». В крайнем левом положении этого переключателя возможно измерение постоянного и переменного напряжений с постоянной составляющей.

В правом положении вход усилителя вертикального отклонения включается через конденсатор, который не пропускает постоянную составляющую, зато можно увидеть переменную, даже если постоянная составляющая находится далеко от 0В.

В качестве примера использования закрытого входа можно привести такую распространенную практическую задачу, как измерение пульсаций источника питания: выходное напряжение источника 24В, а пульсации не должны превышать 0,25В.

Если предположить, что напряжение 24В при чувствительности канала вертикального отклонения 5В/дел. займет почти пять делений шкалы (ноль придется устанавливать на самую нижнюю линию вертикальной шкалы), то луч взлетит под самый верх, и пульсации в десятые доли вольта будут практически незаметны.

Чтобы точно измерить эти пульсации достаточно перевести осциллограф в режим закрытого входа, поместить луч в центр вертикальной шкалы и выбрать чувствительность 0,05 или 0,1В/дел. В таком режиме замер пульсаций будет достаточно точным. Следует заметить, что постоянная составляющая может быть достаточно большой: закрытый вход рассчитан на работу с постоянным напряжением до 300В.

В среднем положении переключателя измерительный щуп просто ОТКЛЮЧАЕТСЯ от входа усилителя Y, что дает возможность выставить положение луча, не отключая щуп от источника сигнала.

В некоторых ситуациях это свойство достаточно полезно. Самое интересное, что это положение отмечено на панели осциллографа значком общего провода, земли. Создается впечатление, что измерительный щуп соединяется с общим проводом. И что будет тогда?

В некоторых моделях осциллографов переключатель режима входа не имеет третьего положения, это просто кнопка или тумблер, переключающий режимы открытый/закрытый вход. Важно, что в любом случае такой переключатель есть.

Чтобы предварительно оценить работоспособность осциллографа достаточно коснуться пальцем сигнального (иногда говорят горячего) конца измерительного щупа: на экране должна появиться сетевая наводка в виде размытого луча. Если частота развертки близка к частоте сети, появится размытая, рваная и лохматая синусоида. При касании пальцем «земляного» конца наводок на экране, естественно, не будет.

Вот тут можно вспомнить один из способов проверки конденсаторов на обрыв: если взять в руку исправный конденсатор и коснуться им горячего конца, то на экране появится та же лохматая синусоида. Если конденсатор в обрыве, то никаких изменений на экране не произойдет.

Управление разверткой

Переключателем «Время/дел.» устанавливается длительность развертки. При наблюдении периодического сигнала вращением этого переключателя следует добиться, чтобы на экране показывался один или два периода сигнала.

Ручка синхронизации развертки осциллографа С1-101 обозначена всего одним словом «Уровень». У осциллографа С1-73 дополнительно к этой ручке имеется ручка «стабильность» (некоторая особенность схемы развертки), у некоторых осциллографов эта же ручка называется просто «СИНХР». О пользовании этой ручкой следует рассказать несколько подробней.

Как добиться устойчивого изображения сигнала

При подключении к исследуемой цепи на экране чаще всего может появиться картинка, показанная на рисунке 3.

Для того, чтобы получить устойчивое изображение следует покрутить ручку «Синхронизация», которая на лицевой панели осциллографа С1-101 обозначена как «Уровень». На разных осциллографах почему-то встречаются разные обозначения органов управления, но по сути дела это одна и та же ручка.

Рисунок 4. Синхронизация изображения

Чтобы из размытого изображения, показанного на рисунке 19 получить устойчивый сигнал достаточно покрутить ручку «СИНХР.» или в нашем случае «уровень». При вращении против часовой стрелки до знака «минус» на экране появится изображение сигнала, в данном случае синусоиды, показанное на рисунке 20а. Синхронизация начинается по падающему фронту сигнала.

При вращении той же ручки до знака «плюс» та же самая синусоида будет иметь вид, как на рисунке 4б: развертка запускается по восходящему фронту. Первый период синусоиды начинается чуть выше нулевой линии, это сказывается время запуска развертки.

Если осциллограф имеет линию задержки, то подобного пропадания не будет. Для синусоиды это, может быть, не особо заметно, а вот при исследовании прямоугольного импульса можно лишиться на изображении всего фронта импульса, что в ряде случаев достаточно важно. Особенно при работе с внешней разверткой.

Работа с внешней разверткой

Рядом с регулятором «УРОВЕНЬ» находится тумблер, обозначенный как «ВНЕШ/ВНУТР». В положении «ВНУТР» развертка запускается от исследуемого сигнала. Достаточно на вход Y подать исследуемый сигнал и покрутить ручку «УРОВЕНЬ» как на экране появится устойчивое изображение, как было показано на рисунке 4.

Если упомянутый тумблер установить в положение «ВНЕШ», то получить устойчивое изображение не удастся никаким вращением ручки «УРОВЕНЬ». Для этого надо подать сигнал, по которому будет синхронизироваться изображение на вход внешней синхронизации. Этот вход расположен на белой пластмассовой панели, расположенной справа от входа Y.

Там же расположены гнезда выхода пилообразного напряжения развертки (используется для управления различными ГКЧ), выход калибровочного напряжения (может использоваться в качестве генератора импульсов) и гнездо общего провода.

В качестве примера, где может потребоваться работа с внешней разверткой может послужить схема задержки импульса, показанная на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема задержки импульса на таймере 555

При подаче на вход устройства положительного импульса выходной импульс появляется с задержкой, определяемой параметрами RC цепочки, время задержки определяется по формуле, показанной на рисунке. Но по формуле значение определяется весьма приблизительно.

При наличии двухлучевого осциллографа определить время очень просто: достаточно оба сигнала подать на разные входы и измерить время задержки импульса. А если двухлучевого осциллографа в наличии нет? Вот тут-то и придет на помощь режим внешней развертки.

Первое, что надо сделать это подать входной сигнал схемы (рис. 5) на вход внешней синхронизации и сюда же подключить вход Y. Затем вращением ручки «УРОВЕНЬ» добиться устойчивого изображения входного импульса, как показано на рисунке 5б. При этом должны соблюдаться два условия: тумблер «ВНЕШ/ВНУТР» установлен в положение «ВНЕШ», а исследуемый сигнал д.б. периодическим, а не однократным, как показано на рис.5.

После этого надо запомнить положение на экране входного сигнала и подать на вход Y выходной сигнал. Остается только подсчитать требуемую задержку по делениям шкалы. Естественно, что это не единственная схема, где может потребоваться определение времени задержки между двумя импульсами, таких схем великое множество.

В следующей статье будет рассказано про виды исследуемых сигналов и их параметры, а также про то, как проводить различные измерения с помощью осциллографа.

Подключение осциллографа

Дата добавления: 2015-09-15 ; просмотров: 7149 ; Нарушение авторских прав

Поскольку напряжение измеряется между двумя точками, то вход осциллографа имеет две клеммы. Причем они не равнозначны. Одна клемма, называемая «фаза», подключена ко входу усилителя вертикального отклонения луча. Вторая клемма – «земля» или «корпус». Она называется так потому, что электрически соединена с корпусом прибора (это общая точка всех его электронных схем). Осциллограф показывает напряжение фазы по отношению к земле.

Очень важно знать, какой из входных проводников является фазой. В импортных приборах обычно используются специализированные щупы, земля которых имеет зажим типа «крокодил» так как часто подключается к корпусу исследуемого устройства, а фаза оканчивается либо «иголкой», которой можно удобно и надежно «воткнуться» даже в контакт маленького размера, либо зажимом (рис. 6). В этом случае перепутать фазу и корпус в принципе невозможно.

Рис. 6. Щуп импортного осциллографа, слева «игла», справа зажим.

Осциллографы отечественного производства чаще всего комплектуются шнурами, имеющими стандартные для России 4-мм штекеры (к ним иногда применяется название «банан», пришедшее из аудиотехники), рис. 7. В этом случае оба штекера одинаковы, и для того, чтобы их различать используются дополнительные признаки. Этих признаков несколько, и они могут встречаться в любом сочетании:

-земляной провод длиннее;

-земляной провод имеет коричневый (стандарт) или черный цвет;

-на корпусе штекера земляного провода нанесены условные обозначения «корпус»

Однако, к сожалению, эти правила выполняются не всегда. Особенно это относится к кабелям, прошедшим ремонт: туда могут поставить любой проводник, имеющийся в наличии и первый попавшийся штекер. Поэтому есть еще один способ определения фазы и корпуса, дающий стопроцентную гарантию.

Для определения какой из проводников является фазой, а какой корпусом, надо при никуда не подключенном осциллографе взяться рукой за контакт одного из входных проводников, при этом другой рукой ни до чего не дотрагиваться. Если этот проводник – корпус, то на экране будет только лишь горизонтальная линия развертки. Если этот проводник – фаза, то на экране возникнут довольно значительные помехи, представляющие собой сильно искаженную синусоиду частотой 50 Гц (рис. 8).

Рис. 8. Помехи на экране осциллографа при касании рукой фазы входного кабеля.

Эти помехи возникают из-за того, что существует емкость между телом человека и проводами сети, проложенной в помещении. И возникает ток, протекающий по такой цепи: фаза осветительной сети переменного тока 220 В 50 Гц – емкость между проводами сети и телом человека – рука человека – вход усилителя (фаза входного кабеля) – электронная схема усилителя – корпус осциллографа – емкость между корпусом и Землей – нейтральный провод сети (он всегда заземлен). Цепь замкнута, ток течет. Величина этого тока составляет 10^-8…10^-6 ампера, но вход осциллографа имеет очень высокое сопротивление (порядка 10^6 Ом), поэтому на нем возникает достаточно большое напряжение. Синусоида выглядит искаженной оттого, что емкостное сопротивление участка сеть – тело человека зависит от частоты: чем частота выше, тем сопротивление меньше. Поэтому высокочастотные составляющие (гармоники сети и проникшие в нее помехи) создают больший ток и большее напряжение на входе осциллографа.

Определив фазу и корпус входного кабеля, можно подключать осциллограф к исследуемой цепи. Если в ней нет четко выраженного общего провода, то корпус подключается к любой из точек, напряжение между которыми требуется исследовать. Если в цепи присутствует общий провод – точка, условно принимаемая за нулевой потенциал, соединенная с корпусом устройства или реально заземленная, то корпус осциллографа лучше подключать к этой точке. Невыполнение этого правила может привести к значительным погрешностям измерений (иногда настолько большим, что измерениям и вовсе нельзя доверять).

По своей сути осциллограф является вольтметром, показывающим график напряжения. Однако с его помощью можно наблюдать и форму тока. Для этого последовательно с исследуемой цепью включают резистор Rт (здесь индекс «т» означает токовый), рис. 9. Сопротивление резистора Rт выбирают намного меньшим, чем сопротивление цепи, тогда резистор не влияет на ее работу и его включение не приводит к изменениям режима работы цепи. На резисторе по закону Ома возникает напряжение:

Это напряжение и измеряется осциллографом. А зная величину Rт можно перевести напряжение, показываемое осциллографом в ток.

Рис. 9. Измерение тока осциллографом.

Двухканальный (и двухлучевой) осциллограф может показывать осциллограммы двух сигналов одновременно. Для этого у него имеется два входа (канала), обычно обозначаемых I и II. Следует помнить, что одна из входных клемм каждого канала соединена с корпусом осциллографа, следовательно, клеммы «корпус» обоих каналов соединены между собой. Поэтому эти клеммы должны подключаться к одной и той же точке цепи, иначе в цепи произойдет замыкание (рис. 10).

Рис. 10. Подключение двухканального осциллографа. «Земли» входов могут создать замыкание в цепи.

На рис. 10а точки цепи В и D оказались замкнутыми между собой через корпус осциллографа (замыкающий проводник показан пунктиром). В результате конфигурация цепи изменилась.

Возможность наблюдать не любые два напряжения, а только имеющие общую точку, является недостатком, но небольшим – в электронике один из полюсов источника питания всегда является общим проводом, и все напряжения измеряются относительно него.

Используя двухканальный осциллограф можно одновременно наблюдать и напряжение, и ток в цепи. И таким образом измерять сдвиг фаз между током и напряжением. Схема подключения осциллографа в этом случае показана на рис. 11.

Рис. 11. Подключение осциллографа для измерения сдвига фаз.

Канал I измеряет напряжение, а канал II измеряет ток. Такое включение наиболее оптимально, т.к. напряжение, падающее на резисторе Rт и подаваемое в канал II, в 30…100 раз меньше, чем в канале I, следовательно, оно больше подвержено помехам и синхронизация от низкого напряжения не такая хорошая. Кроме того, конструкция большинства осциллографов несколько «несимметричная» – синхронизация от сигнала канала I обычно более качественная и стабильная. Таким образом, подключение канала I к напряжению обеспечивает более стабильное изображение осциллограммы.

Ошибка подключения на рис. 11б состоит в том, что клеммы корпуса обоих входов не соединены в одной точке. В результате резистор Rт оказывается замкнут накоротко через корпус осциллографа. Самое неприятное, что при этом напряжение на резисторе Rт не равно нулю – из-за того, что сопротивление проводов входных кабелей (через которые этот резистор замыкается) не нулевое. Поэтому при таком подключении можно не заметить эту ошибку (ведь осциллограф что-то показывает), а результат измерения тока при этом будет неверным.

Включение, показанное на рис. 11в неудачно тем, что канал I осциллографа измеряет не напряжение в исследуемой цепи, а сумму напряжений в цепи и на резисторе Rт (напряжение измеряется не на нагрузке, а на источнике). Напряжение на Rт хоть и небольшое по величине, но все равно вносит погрешность в измерение напряжения.

Подключение осциллографа, показанное на рис. 11а не только обеспечивает наибольшую точность измерений, но и позволяет в ряде случаев использовать резистор Rт с довольно большим сопротивлением. Это важно при измерении малых токов: если и ток в цепи и сопротивление Rт малы, то возникающее на Rт напряжение может быть настолько маленьким, что чувствительности осциллографа не хватит для его отображения.

Электроника для всех

Блог о электронике

▌Старая статья о аналоговом осциллографе
Рано или поздно любой начинающий электронщик, если не бросит свои эксперименты, то дорастет до схем, где нужно отслеживать не просто токи и напряжения, а работу схемы в динамике. Особенно это часто нужно в различных генераторах и импульсных устройствах. Вот тут без осциллографа делать нечего!

Страшный прибор, да? Куча ручек, каких то кнопочек, да еще экран и нифига не понятно что тут да зачем. Ничего, сейчас исправим. Сейчас я тебе расскажу как пользоваться осциллографом.

На самом деле тут все просто — осциллограф, грубо говоря, это всего лишь… вольтметр! Только хитрый, способный показывать изменение формы замеряемого напряжения.

Как всегда, поясню на отвлеченном примере.
Представь, что ты стоишь перед железной дорогой, а мимо тебя с бешеной скоростью мчится бесконечный поезд состоящий из совершенно одинаковых вагонов. Если просто на них стоять и смотреть, то ничего кроме размытой фигни ты не увидишь.
А теперь ставим перед тобой стенку с окошком. И начинаем открывать окошко только тогда, когда очередной вагон будет в том же положении, что и предыдущий. Так как у нас вагоны все одинаковые, то тебе совершенно необязательно видеть один и тот же вагон. В результате картинки разных, но идентичных вагонов будут выскакивать перед твоими глазами в одном и том же положении, а значит картинка как бы остановится. Главное это синхронизировать открытие окошка со скоростью поезда, чтобы при открытии положение вагона не менялось. Если скорость не совпадет, то вагоны будут «двигаться» либо вперед, либо назад со скоростью, зависящую от степени рассинхронизации.

На этом же принципе построен стробоскоп — девайс, позволяющий разглядывать быстро движущиеся или вращающиеся хреновины. Там тоже шторка быстро-быстро открывается и закрывается.

Так вот, осциллограф это тот же стробоскоп, только электронный. А показывает он не вагоны, а периодические изменения напряжения. У той же синусоиды, например, каждый следующий период похож на предыдущий, так почему бы не «остановить» его, показывая в один момент времени один период.

Конструкция
Делается это посредством лучевой трубки, отклоняющей системы и генератора развертки.
В лучевой трубке пучок электронов попадая на экран заставляет светится люминофор, а пластины отклоняющей системы позволяют гонять этот пучок по всей поверхности экрана. Чем сильней напряжение, приложенное к электродам, тем больше отклоняется пучок. Подавая на пластины Х пилообразное напряжение мы создаем развертку. То есть луч у нас движется слева-направо, а потом резко возвращается обратно и продолжает снова. А на пластины Y мы подаем изучаемое напряжение.

Принцип работы
Дальше все просто, если начало появления периода пилы (луч в крайне левом положении) и начало периода сигнала совпадают, то за один проход развертки нарисуется один или несколько периодов измеряемого сигнала и картинка как бы остановится. Меняя скорость развертки можно добиться того, что на экране вообще останется только один период — то есть за один период пилы пройдет один период измеряемого сигнала.

Развертка осциллографа во времени

Синхронизация
Синхронизировать пилу с сигналом можно либо вручную, подстраивая ручкой скорость так, чтобы синусоида остановилась, а можно по уровню. То есть мы указываем при каком уровне напряжения на входе нужно запустить генератор развертки. Как только напряжение на входе превысит уровень, так сразу же запустится генератор развертки и выдаст нам импульс.
В итоге, генератор развертки выдает пилу только тогда, когда надо. В этом случае синхронизация получается полностью автоматической. При выборе уровня следует учитывать такой фактор, как помехи. Так что если взять слишком низкий уровень, то мелкие иголки помех могут запустить генератор когда не нужно, а если взять уровень слишком большой, то сигнал может под ним пройти и ничего не случится. Но тут проще покрутить ручку самому и сразу же все станет понятно.
Также сигнал синхронизации можно подать и с внешнего источника.

В топку теорию, переходим к практике.
Показывать буду на примере своего осциллографа, спертого когда то давно с оборонного предприятия КБ «Ротор» :). Обычный осцил, не шибко навороченный, но надежный и простой как кувалда.

Мой верный осциллограф

Итак:
Яркость, фокус и освещение шкалы думаю не требуют пояснений. Это настройки интерфейса.

Усилитель У и стрелочки вверх вниз. Эта ручка позволяет гонять изображение сигнала вверх или вниз. Добавляя ему дополнительное смещение. Зачем? Да иногда не хватает размера экрана, чтобы вместить весь сигнал. Приходится его загонять вниз, принимая за ноль не середину, а нижнюю границу.

Ниже идет тумблер переключающий ввод с прямого, на емкостный. Этот тумблер в том или ином виде есть на всех без исключения осциллографах.

Важная вещь! Позволяет подключать сигнал к усилителю либо напрямую, либо через конденсатор. Если подключить напрямую, то пройдет и постоянная составляющая и переменная. А через кондер проходит только переменная.

Например, надо нам посмотреть на уровень помех блока питания компа. Напряжение там 12 вольт, а величина помех может быть не более 0.3 вольт. На фоне 12 вольт эти жалкие 0.3 вольт будут совсем незаметны. Можно, конечно увеличивать коэффициент усиления по Y, но тогда график вылезет за экран, а смещения по Y не хватит, чтобы увидеть вершину. Тогда нам нужно лишь врубить конденсатор и тогда те 12 вольт постоянки осядут на нем, а в осциллограф пройдет только переменный сигнал, те самые 0.3 вольта помехи. Которые можно усилить и разглядеть в полный рост.

Далее идет коаксиальный разъем подключения щупа. Каждый щуп содержит в себе сигнал и землю. Землю обычно сажают на минус или на общий провод схемы, а сигнальным тычут по схеме. Осциллограф показывает напряжение на щупе относительно общего провода. Чтобы понять где сигнальный, а где земля достаточно взять за них рукой по очереди. Если возьмешься за общий, то на экране по прежнему будет пульс трупа. А если взяться за сигнальный, то увидишь кучу срача на экране — наводки на твое тело, служащее в данный момент антенной. На некторых щупах, особенно на современных осциллографах, внутри встроен делитель напряжения 1:10 или 1:100, который позволяет воткнуть осциллограф хоть в розетку, без риска его спалить. Включается и выключается он тумблером на щупе.

Еще почти на каждом осциллографе есть калибровочный выход. На котором ты всегда можешь найти прямоугольный сигнал частотой 1Кгц и напряжением около полувольта. В зависимости от модели осцила. Используется для проверки работы самого осциллографа, ну иногда и в тестовых целях пригождается 🙂

Две здоровенные крутилки Усиление и Длительность

Усиление служит для масштабирования сигнала по оси Y. Там же показано сколько вольт на деление в итоге покажет.
Скажем, если у тебя стоит 2 вольта на деление, а сигнал на экране достигает высоты две клеточки размерной сетки, значит амплитуда сигнала равна 4 вольта.

Длительность определяет частоту развертки. Чем короче интервал, чем больше частота, тем более высокочастотный сигнал ты сможешь разглядеть. Тут клеточки проградуированы уже в милли и микросекундах. Так что по ширине сигнала ты можешь посчитать сколько он клеток, а умножив его на масштаб по оси Х получишь длительность сигнала в секундах. Также можно посчитать длительность одного периода, а зная длительность легко найти частоту сигнала f=1/t

Верхняя пипка на крутилках позволяет менять масштаб плавно. Обычно у меня она стоит на щелчке, чтобы я всегда четко знал какой у меня масштаб.

Также там есть вход Х на который можно подать свой сигнал, вместо пилы развертки. Таким образом осциллограф может послужить телевизором или монитором, если собрать схему которая будет формировать изображение.

Крутилка с надписью Развертка и стрелочками влево и вправо позволяет гонять график по экрану влево и вправо. Удобно иногда бывает, чтобы подогнать нужный участок под деления сетки.

Ручка уровня — задает уровень от которого будет стартовать генератор пилы.
Переключатель со внутренней на внешнюю, позволяет подать на вход синхроимпульсы с внешнего источника.
Переключатель с надписью +/- переключает полярность уровня. Есть не на всех осциллографах.
Ручка стабильность — позволяет вручную попытаться подобрать скорость синхронизации.

Быстрый старт.
Итак, включил ты осцил. Первое что нужно сделать это замкнуть сигнальный щуп на свой же земляной крокодил. При этом на экране должен появится «Пульс трупа». Если не появился, то покрути ручки стабилизации и смещений и уровня — возможно он просто спрятался за экран или не запустился из-за недостаточного уровня.

Как только появилась полоса, то выстави крутилками смещения её на ноль. Если у тебя аналоговый осцил, особенно если древний, то дай ему прогреться. У моего после включения ноль плавает еще минут пятнадцать.

Дальше выстави предел измерений по напряжению. Бери с запасом, если что уменьшишь. Теперь если земляной провод осциллографа приложишь к минусу батарейки, а сигнальный к плюсу, то увидишь как график скакнет на полтора вольта. Кстати, старые осциллографы зачастую начинают подвирать, поэтому по эталонному источнику напряжения полезно посмотреть насколько точно он отображает напряжение.

Выбор осциллографа.
Если ты только начал, то тебе подойдет любой. Крайне желательно если он будет двухканальным. То есть у него будет два щупа и две крутилки Усиления, для первого и второго канала, что позволяет одновременно получить два графика.
Вторым по важности критерием осциллографа является частота. Максимальная частота сигнала которую он может уловить. Мне пока хватало 1МГц на большее не замахивался. Те осциллографы, что продаются в магазинах уже имеют частоту от 10МГц и выше. Самый дешевый осциллограф который я видел стоил 5 тысяч рублей — ОСУ-10. Двухканальный стоит уже 10 тысяч, ну а я нацелился взял себе цифровой RIGOL DS1042CD за килобакс. Разные запросы — разные игрушки. Но, повторюсь, для начала хватит и 1МГц, и хватит надолго. Так что найди себе хоть какой нибудь осциллограф. А там поймешь что тебе надо.

Аналоговый осциллограф

Что такое осциллограф

Осциллограф – прибор, используемый для наблюдения формы сигнала напряжения во времени. Выглядеть он может примерно вот так:

Здесь мы видим экран, на котором отображается сигнал. Форма сигнала на осциллографе называется осциллограммой.

Ниже на картинке можно увидеть щуп для осциллографа.

Если у мультиметра щуп состоит из простого провода, то щуп осциллографа состоит кабеля. А в кабеле два провода-щупа, которые в конце разветвляются. Этот кабель способен измерять высокочастотные напряжения без помех. Пипочка посередине – это сигнальный щуп, а экран – это щуп масса или земля. Электронщики по разному его называют, но я привык так. На конце щупа зажим белый крокодильчик – это земля, а сигнальный – с иголочкой.

Подключаем кабель в разъем. На моем осциллографе имеется два разъема. В моем случае осциллограф двухканальный. На некоторых крутых осциллографах можно увидеть даже по 4 и более каналов.

Бывает ситуация, когда надо определить сигнальный провод, для этого берем один из проводов, касаемся пальцем и смотрим на дисплей осциллографа. Если сигнал не исказился – это земля. Если исказился – это сигнальный. На фото ниже пример определения сигнального провода.

Как пользоваться осциллографом

Осциллографом мы можем измерять только форму напряжения, силу тока измерять напрямую не можем! Если только косвенно, используя шунт. Для того, чтобы измерить величину напряжения постоянного тока, нам понадобится источник постоянного напряжения. Это может быть простая батарейка или блок питания. В моем случае – это Блок питания. Для наглядности выставляем 1 Вольт.

Единица измерения осциллографа – сторона квадратика на дисплее. Для того, чтобы измерять в масштабе 1:1, мы ставим щелкунчик по У на 1.

Цепляемся землей на “минус” блока питания, сигнальным на “плюс” блока питания. Видим такую картину:

Линия сдвинулась вверх на 1 квадратик. Это значит, что во времени сигнал с блока питания все время 1 Вольт.

А как же измерить сигналы, которые скажем 100 Вольт? Для этого и придуман щелкунчик по У :-). Оставляем на блоке питания 1 Вольт и щелкаем на риску “2”.

Что это значит? Это значит, что полученный сигнал на дисплее надо умножить на 2.

На осциллограмме мы видим значение по У=0,5. Умножаем это значение на то, которое на риске осциллографа и получаем искомое значение. То есть 2х0,5=1 Вольт.

А вот такой будет сигнал, если мы поставим щелкунчик на 5.

Если же прикладываем щупы наоборот, то ничего страшного не происходит. Например, выставляем 2 Вольта на блоке питания. Земля осциллографа к “плюсу” блока, а сигнальный к “минусу” блока – то есть все подцеплено наоборот. Линия у нас просто ушла вниз, но от этого ничего не меняется. 2 Вольта как есть , так и осталось.

А вот для практики, как я уже говорил, требуется знать форму сигнала. В электронике используются на 90 % периодические сигналы. Это значит, что они повторяются через какой-то промежуток времени. Очень часто нужно узнать период и частоту переменного сигнала. Для этого и используется наш электронно-лучевой приборчик.

Для того, чтобы не спалить осциллограф, я взял трансформатор. Благодаря понижающему трансформатору, на выходе у меня амплитуда напряжения (это значит от нуля и до самого верхнего или нижнего пика) в пределах 1,5 Вольта, а заходит на первичную обмотку напряжение 220 Вольт.

Цепляемся ко вторичной обмотке трансформатора щупами осциллографа и выводим показания на дисплей.

В идеале нам должна доставляться в розетки чистая синусоида. Россия, что же еще сказать))). Ну и ладно. Думаю в ваших дом в розетку идет синусоида почище моей :-).

Период и частота сигнала

В периодическом сигнале нам важны такие параметры, как частота сигнала и его форма. Поэтому, чтобы определить частоту, мы должны знать период. T – период, V – частота. Они взаимосвязаны между собой формулами:

Определим период сигнала. Период – это время, через которое сигнал опять повторяется.

Считаем стороны квадратиков по Х. Я насчитал 4 стороны квадратика.

Далее смотрим на крутилку, по Х, которая у нас отвечает за временную развертку. Риска стоит на 5. Сверху написана цена этого деления – msec/div . То есть получается 5 миллисекунд на одну сторону квадратика.

Милли – это тысяча. Следовательно 0,005 сек. Это значение умножаем на наши сосчитанные стороны квадратов. 0,005х4=0,02. То есть один период у нас длится 0,02 сек или 20 миллисекунд. Зная период, находим по формуле выше частоту сигнала. V= 1/0,02=50 Гц. Частота напряжения в нашей розетке 50 Гц, что и требовалось доказать.

В настоящее время я себе купил уже цифровой осциллограф

Подробнее про цифровой осциллограф вы можете прочитать по этой ссылке.

Подключение осциллографа к источнику исследуемых сигналов

Осциллографируемый сигнал подводится ко входу осциллографа проводами или коаксиальным кабелем. Простые соединительные провода применяются при наблюдении непрерывных сигналов низких и средних частот, высокочастотные кабели – при исследовании импульсов и напряжений высоких частот.

Сигналы малой амплитуды подают на вход Y прибора. При достаточно большой амплитуде, но не свыше примерно 150 – 200 В (точно предел определяется чувствительностью трубки), исследуемое напряжение (особенно импульсное) целесообразно подавать непосредственно на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ.

При подключении осциллографа к исследуемой схеме следует иметь в виду, что его входное активное сопротивление и входная емкость в определенных случаях могут заметно изменить режим работы схемы. Для ослабления влияния входной цепи осциллограф подключают к исследуемому объекту через вспомогательный эмиттерный (катодный) повторитель, имеющий большое входное активное сопротивление, малую входную емкость, равномерную амплитудно-частотную характеристику в широкой полосе и коэффициент передачи, близкий к единице.

При исследовании высоковольтных импульсных напряжений между выходом источника исследуемого сигнала и входом осциллографа (вертикально отклоняющими пластинами ЭЛТ) включают делитель напряжения. Последний должен иметь большое входное сопротивление (по сравнению с сопротивлением исследуемого объекта), сохранять постоянство коэффициента передачи в широкой полосе частот, обладать малым выходным сопротивлением (по сравнению с сопротивлением входа Y или пластин ЭЛТ), чтобы подключение осциллографа заметно не изменяло коэффициент передачи делителя.

Наиболее рациональной схемой делителя напряжения, отвечающей отмеченным требованиям, является схема аттенюатора осциллографа (рис. 10.6, а). Если осциллографируются короткие импульсы, то во избежание искажений следует применять высокочастотные кабели минимально возможной длины и принимать меры к устранению (уменьшению) отражений от начала и конца кабеля.

В случаях, когда требуется получить осциллограммы импульсов тока, в исследуемую цепь включают последовательно вспомогательный резистор сопротивления R малой величины (по сравнению с сопротивлением цепи) с минимальными индуктивностью (практически безындукционное) и паразитной емкостью. Напряжение, создаваемое исследуемым импульсом тока на этом резисторе, подается на вход Y осциллографа или непосредственно на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ.

При выборе сопротивления резистора нужно следить за тем, чтобы постоянная времени цепи, образуемой резистором и параллельно подключенными входной емкостью осциллографа и емкостью кабеля, была бы существенно меньше длительности импульса.

Наблюдение периодических сигналов. Для получения осциллограммы одного периода напряжения длительность развертки должна быть равна периоду исследуемого напряжения; чтобы наблюдать n периодов –
в n раз больше. Минимальная частота развертки должна быть такой, чтобы изображение не мерцало на экране трубки с коротким или средним после-свечением.

При наблюдении периодических процессов наиболее целесообразно применять внутреннюю синхронизацию, т. е. синхронизацию исследуемым сигналом. Синхронизация от сети удобна при осциллографировании напряжений, частоты которых равны или кратны частоте сети, например, выходных напряжений трансформаторов, питаемых от сети, пульсаций выпрямителей и т. п.

Если используется развертывающее напряжение от внешнего источника, то его подают на вход X осциллографа, выключая внутренний генератор развертки. Амплитуда внешнего напряжения должна позволять растянуть изображение на значительную часть экрана.

Вертикальный размер изображения должен быть удобным для наблюдения. Его регулируют с помощью аттенюатора, должным образом выбирая коэффициент передачи, и изменением усиления в канале вертикального отклонения.

Наблюдение импульсных сигналов. Скорость ждущей развертки выбирают так, чтобы изображение сигнала или его части растягивалось почти на весь экран. Изображение растягивается тем больше, чем выше скорость развертки.

Синхронизировать ждущую развертку можно исследуемым и внешним импульсами в зависимости от условий наблюдения. Если используется линия задержки канала вертикального отклонения осциллографа, то генератор развертки синхронизируют исследуемым сигналом.

При достаточно большой амплитуде осциллографируемый импульс целесообразно подавать непосредственно на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ, но в этом случае требуется внешний синхронизирующий сигнал. В тех случаях, когда нужно детально исследовать форму импульсов и имеется возможность изменения частоты их следования, наблюдение следует вести при повышенной частоте, что способствует увеличению
яркости.

Для исследования быстропротекающих процессов применяют запоминающие осциллографы и регистрацию осциллограмм.

Измерение амплитуды напряжения. Перед измерением калибруют чувствительность канала вертикального отклонения – устанавливают по калибратору с помощью регулятора усиления номинальный коэффициент отклонения. Затем подают исследуемый сигнал на вход Y осциллографа и, не меняя положения регулятора усиления, добиваются с помощью входного аттенюатора того, чтобы размер Н изображения занимал бы большую часть экрана (рис. 10.15). Искомую амплитуду определяют по формуле (10.6), где – число на шкале, окружающей переключатель аттенюатора, обозначающее данное положение переключателя.

Измерение интервалов времени. Длительность импульса, период следования импульсов и другие интервалы времени измеряют, используя калиброванную развертку. Ее длительность перед началом измерений поверяют по калибратору длительности. После поверки длительности развертки Т_р исследуемый импульс подают на вход Y осциллографа.

На экране появляется изображение прямоугольного импульса. Длительность развертки регулируют так, чтобы возможно больше растянуть изображение импульса в горизонтальном направлении: если фронт изображения совмещен с левой граничной линией масштабной сетки, то срез изображения должен быть возможно ближе к правой граничной линии (рис. 10.16). Затем измеряют по масштабной сетке расстояние l и, умножив его на число q (произведение чисел, обозначающих установленные положения переключателей Время/дел. и Множитель), получают искомую длительность импульса = lq.

Возможные искажения осциллограмм. В практике осциллографирования встречаются несоответствия наблюдаемой кривой истинной форме напряжения исследуемого сигнала – искажения осциллограмм.

Основные виды искажений и причины их возникновения:

1. На экране наблюдается перекошенная несимметричная синусоида (рис. 10.17, а), хотя на вход осциллографа подано напряжение гармонического сигнала. Такое искажение обусловлено тем, что при длительности развертывающего напряжения, равной периоду исследуемого напряжения, продолжительность обратного хода луча составляет заметную долю времени прямого хода. Если луч при обратном ходе гасится, то бледная линия, соединяющая на рисунке конец кривой с ее началом, не видна.

2. Помимо основной кривой наблюдается дополнительная кривая с пониженной яркостью свечения (рис. 10.17, б). Это связано с отсутствием гашения луча при обратном ходе.

3. Изображение нескольких периодов напряжения неравномерно:
начальная часть более растянута, чем конечная (рис. 10.17, в). Причина кроется в нелинейности развертки.

4. Нелинейные искажения наблюдаются в том случае, когда вершина изображения осциллографируемой кривой приближается к краям экрана.

Рис. 10.17. Примеры искажений осциллограмм

5. Дефокусировка пятна, т. е. увеличение его диаметра. Вызывается нестабильностью питающих напряжений. Может быть обусловлена также несимметричной подачей напряжения на вертикально отклоняющие пластины, так как при этом фокусировка зависит от значения отклоняющего напряжения.

6. Качество фокусировки по обеим осям неодинаково: по одной оси хорошее, по другой – неудовлетворительное. Подобное искажение осциллограммы (астигматизм) устраняется соответствующей регулировкой.

7. Изгиб огибающей изображения сигнала (рис. 10.17, г). Причиной является наличие низкочастотного фона в усилителе вертикального отклонения.

8. Не наблюдается фронт импульса (рис. 10.17, д). Это является следствием неправильной синхронизации генератора ждущей развертки: фронт импульса поступает на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ раньше, чем начинается горизонтальная развертка.

9. Фронт и срез изображения прямоугольного импульса получаются слишком пологими, округленными. Изображение имеет форму прямоугольного сигнала, прошедшего через интегрирующую цепь (рис. 10.17, е). Это обусловлено западанием амплитудно-частотной характеристики канала вертикального отклонения на высоких частотах, которое приводит к частотным искажениям, сопровождающимся фазовыми искажениями.

10. Плоская часть импульса заметно скошена (рис. 10.17, ж). Подобное искажение вызывается западанием амплитудно-частотной характеристики канала вертикального отклонения в области низких частот и встречается чаще всего при весьма большой длительности импульса.

11. Вершина импульса получается волнистой (рис. 10.17, з). Причина кроется в возникновении паразитных резонансов в цепях канала вертикального отклонения.

12. Вершина изображения импульса подозрительно ровная и плоская,
а переходы от фронта к плоской части и от последней – к срезу заострены (рис. 10.17, и). Это обстоятельство должно насторожить, так как может быть следствием ограничения в усилителе, а не высокого качества импульса.

13. Изображение получается слишком бледным. Это означает, что отсутствует подсвет импульса или частота следования (длительность импульса) недостаточна для получения хорошей яркости. Не исключено и ухудшение качества экрана.

АНАЛИЗ ЧАСТОТНОГО СПЕКТРА

Как известно, совокупность гармонических составляющих сигнала образует его спектр. При графическом изображении спектра по оси
абсцисс откладывают значение частот, а по оси ординат – величины амплитуд гармоник. Сложная периодическая функция времени полностью описывается амплитудами и фазами ее спектральных составляющих.

Спектральный анализ занимает одно из важных мест в современной науке и технике, причем все чаще используется при анализе речевых сигналов, шумов машин, сейсмических колебаний, т. е. при исследовании процессов, выходящих за рамки классической радиотехники.

Качество любого измерительного прибора оценивается его основными метрологическими характеристиками. Для анализаторов спектра – это разрешающая способность , время анализа , погрешности измерений частоты и амплитуды .

Разрешающая способность анализатора спектра определяется как расстояние между частотами, при которых сигнал на индикаторе анализатора уменьшается на 3 дБ по сравнению с максимальным значением при бесконечно малой скорости изменения частоты. Время анализа – это скорость анализа в заданном диапазоне частот с допустимыми погрешностями и . Основными методами спектрального анализа являются параллельный и последовательный.