Як користуватися осцилографом і для чого він потрібен

Виміряти прості електричні величини, такі як струм, опір, напруга можна використовуючи мультиметр. Але досліджувати форму сигналу або поведінку його в часі їм не вдасться. Тому для вимірювань, перевірки і точної настройки приладів потрібен осцилограф. Це універсальний пристрій раніше застосовувалося тільки в лабораторіях і сервісних центрах, але сьогодні стало цілком доступним для використання і радіоаматорами.

Види і характеристики

Різні дослідження в області електрики вимагали приладу, що дозволяє виконувати ряд вимірювань поведінки того чи іншого параметра протягом проміжку часу. Родоначальником такого пристрою став Андре Блондель, що народився в 1863 році у Франції. Вивчаючи електротехніку, він заснував в місті Леваллупе лабораторію. У ній, грунтуючись на теорії Альфреда Корню, учений придумав і сконструював електромагнітний прилад з біфілярного підвісом. Сталося це в 1893 році.

Це пристрій дозволяло реєструвати інтенсивність змінних струмів шляхом запису коливань маятника з чорнилом, з'єднаного з котушкою індуктивності. Вимірювач відрізнявся низькою точністю через механічних частин. А смуга пропускання його лежала в діапазоні 10-19 кГц.

Подальша еволюція приладу призвела до появи в 1897 році осцилографа з електронно-променевою трубкою (ЕПТ). Його конструктором став фізик з Німеччини Карл Браун. Але перший промисловий екземпляр був випущений тільки в 1932 році британською компанією A. C. Cossor Ltd. У листопаді американська фірма Allen B. DuMont Laboratories представила осцилограф, що складається з двох частин: ЕПТ і кожуха. В останньому розміщувалися блоки фокусування променя, джерело живлення і вузол розгортки. Але технологія виробництва екрану дозволяла його використовувати не більше однієї тисячі годин.

Друга світова війна зупинила розвиток приладу, але по її закінченні інженери Воллюм і Мердок, засновники компанії Tektronix, впроваджують в пристрій приладу чекає розгортку, тобто ту, яка запускається тільки під час виникнення електромагнітного сигналу. Цей прилад працював з пропускною здатністю 10 МГц.

Розвиток напівпровідникової техніки привело до розробки цифрового пристрою фірмою LeCroy в 1980 році. Після чого цифрові апарати стали масово вироблятися в Європі, не тільки професійного рівня, а й радіоаматорського. На ринках з'явилися всілякі пристрої, що відрізняються класом точності і функціональністю.

На початок 2000 років цифрова техніка майже повністю витіснила аналогові прилади, цьому посприяло розвиток персональних комп'ютерів і можливість сполучення з ними вимірювача. Але при цьому, який би спосіб обробки сигналів ні використовувався, принцип роботи різних осцилографів залишається однаковим.

аналогове пристрій

Сьогодні все рідше можна зустріти аналогові осцилографи в дослідницьких лабораторіях або сервісних центрах. Але у радіоаматорів все ще досить морально застарілих, але ще цілком працездатних таких приладів. Будь-яке аналогове пристрій складається з одного або декількох вертикальних каналів, горизонтального каналу, схеми запуску і електронно-променевої трубки (ЕПТ).

ЕПТ є основною частиною пристрою. На ній відображається форма досліджуваного сигналу. Виконується вона з вакуумної колби, в яку впаюються електроди різного призначення. Перша група формує електронну гармату, що утворить промінь. На неї подається досліджуваний сигнал. А друга – складається з контактів вертикально і горизонтально відхиляють пластин і до неї підводиться напруга генератора розгортки.

Таким чином, пристрій складається з наступних частин:

• атенюатора – вхідний дільник напруги;
• попередній підсилювач;
• блок затримки;
• схема синхронізації і запуску розгортки;
• генератор;
• крайовий підсилювач.

Вимірюваний сигнал надходить на вертикальні пластини, а далі на атенюатор, який дозволяє налаштовувати чутливість приладу. Виконується регулюючий пристрій у вигляді поворотної ручки. Шкала перемикання вказується в вольтах на одну поділку. При вимірах потужного сигналу використовуються подільники. Це спеціальні пристрої, що працюють за принципом аттенюаторов, але при цьому вони зменшують сигнал до безпечного рівня для вхідних ланцюгів осцилографа.

Сигнал з дільника або атенюатора розгалужується на попередньому підсилювачі і потрапляє в блок затримки і синхронізації. Останній вузол створює умови для запуску генератора при появі електромагнітних коливань. Пилкоподібний сигнал з генератора надходить в горизонтальний канал X, де посилюється і подається на екран.

Друга ж частина сигналу через лінію затримки надходить в канал Y, а потім на ЕПТ. В результаті на екрані в системі координат XY виводиться положення імпульсу. Нижній частотний межа знаходиться в районі 10 Гц, а верхній залежить від ємності пластин і якості підсилювачів.

Тому якщо на пластини подається вимірювана напруга, то промінь починає відхилятися по вертикалі і горизонталі. Ці переміщення відбуваються синхронізовано, і в результаті сигнал «розгортається» в часі. Вийшло зображення на екрані називають осцилограмою.

цифровий прилад

Цифровий пристрій поєднує в собі аналоговий осцилограф і міні-комп'ютер. Використовуючи його можна не тільки візуально побачити форму, але і виконати ряд операцій, таких як додавання і віднімання сигналів, перетворення Фур'є, визначення спектру. До складу приладу входить:

• масштабуючий вузол;
• аналого-цифровий перетворювач (АЦП);
• оперативна пам'ять (ОЗУ);
• мікроконтролер;
• запам'ятовують осередку;
• екран;
• елементи управління (кнопки, ручки).

Сигнал надходить на вхід масштабирующего вузла, де знижується до безпечної величини для внутрішніх схем приладу. Далі він подається через підсилювач на АЦП. У ньому відбувається перетворення аналогової форми в ряд дискретної послідовності логічного коду. Для цього використовується мікроконтролер, що працює на принципі широтно-імпульсної модуляції (ШІМ).

Код записується в ОЗУ, з якого після виконання певного умови передається в запам'ятовують осередки. Кожному блоку відповідає піксель, який засвічується. Координата Х визначається номером комірки, а координата Y кодом, записаним в неї. У пам'ятною осередку може мати декілька символів коду, які і формують лінію з безперервно палаючих пікселів.

цифрові осцилографи поділяються на кілька підтипів і можуть бути:

• Віртуальними – мають різні порти введення і виведення. Вони призначені для роботи з зовнішнім програмним забезпеченням, що встановлюються на ПК.
• Стробоскопическими – використовують послідовну вибірку миттєвих значень і тимчасове їх перетворення за допомогою нетривалих імпульсів (стробов).
• Фосфорними – відображають сигнал у часовій і амплітудної площині, а також його інтенсивність. Такі прилади характеризуються високою щільністю вибірки і точністю.

Використання РК екрана підвищує зручність в роботі з осцилографом. На ньому стає можливим візуально відображати будь-які дані, а використання пам'яті в пристрої дозволяє порівнювати будь-які зміни форми сигналу в часі.

параметри пристосування

Осцилограф, як і будь-який електричний прилад, має ряд технічних параметрів. Саме вони визначають його функціональність і ступінь використання. До його роботи пред'являються вимоги по класу точності, стабільності роботи, шумовим характеристикам.

Найважливішими параметрами приладу є:

• Смуга пропускання частоти. Характеризує точність вимірювань.Чим вона більше, тим більш детально можна вивчити форму сигналу. При цьому значення цього параметра має перевищувати частоту досліджуваного сигналу в кілька разів.
• Дискретизація. Визначає роздільну здатність приладу.
• Число каналів. Їх значення визначає число одночасно незалежних вимірювань, які можна виконати на пристрої. Це дає можливість виводити на екран відразу кілька графіків і порівнювати їх між собою. Радіоаматорський клас має 2-4 каналу, а професійний до 16.
• Розмір пам'яті. Її величина впливає на швидкість відгуку пристрою.
• Тип харчування. Існують прилади, що працюють від мережі змінного напруги 220 вольт або акумуляторних батарей.
• Час наростання вхідного сигналу. Чим менше тим краще. Це означає, що чим менше «відгризають» початок першого сигналу на екрані при внутрішньої синхронізації, то тим краще частотні властивості осцилографа.
• Характеристики екрану. Так само як: деталізація, інертність, частота розгортки. Причому чим вище дозвіл, тим більше ступінь деталізації.
• Режим сегментированной пам'яті. Деякі цифрові прилади мають режим сегментированной пам'яті. Тобто у них є можливість вибірково фіксувати сигнали з потрібною (високої) частотою дискретизації.
• Наявність еквівалентного режиму. Застосовується для дослідження періодичного сигналу. Дозволяє підняти частоту дискретизації в кілька разів.

застосування осцилографа

Осцилограф призначений для вивчення різних взаємозв'язків між декількома величинами. Видима на екрані осциллограмма показує як змінюється форма напруги в часі. Так, по ній можна легко визначити полярність, амплітуду, тривалість, шпаруватість і частоту сигналу.

У грубому наближенні осцилограф працює як графічний вольтметр. Він вимірює сигнал і виводить його форму на дисплей. Пристроєм можна виміряти навіть напруга високої частоти. Його основне призначення полягає використання пошуку несправностей в складних радіоелектронних схемах або дослідницьких вимірах. наприклад, за допомогою нього можливо:

• визначати часові параметри;
• вивчати фазовий зсув;
• фіксувати частоту сигналу;
• спостерігати змінну і постійну складову напруги;
• відзначати присутність гармонік і їх параметрів;
• з'ясовувати процеси, що відбуваються в часі.

Таким чином, осцилограф потрібен для того, щоб можна було наочно спостерігати коливання електротехнічного сигналу, а також бачити перешкоди і спотворення, тим самим визначаючи несправний елемент в різних вузлах за формою вхідного і вихідного імпульсу. Крім цього, осцилограф широко застосовується при діагностиці електродвигунів. Вивчаючи генерації, що виникають при роботі мотора, можна обчислити несправність каталізатора, виявити збільшений підсос повітря, відстежити сигнали з різних датчиків.

Робота з вимірником

Перед тим як скористатися осцилографом, виконується калібрування. Для цього вимірювальні щупи підключаються до входу підсилювача (відхилення променя у вертикальній площині) і спільного висновку, що позначається як земля. У разі якщо використовується ЕПТ, після включення необхідно почекати деякий час для прогріву екрану. Потім знадобиться пройти наступні етапи:

1. Регулятор установки часу виставляється на розподіл, що відповідає 1 мс / справ.
2. Ручка «Вольт / поділ» перемикається в положення 0,5 В / справ.
3. Контроль синхроимпульсов переводиться в режим «авто». Якщо такий стан не передбачено, то вибирається внутрішня синхронізація і встановлюється тип сигналу – змінний.
4. Обертаючи регулятори положення променя (вгору / вниз і вправо / вліво), встановлюють режим «Авто» або просто домагаються появи променя на екрані.
5. Перемикач виду сигналу перекладається в позицію GND (земля).
6. Загальний щуп з'єднується зі спеціальним контактом заземлення корпусу пристрою.Якщо в осцилографі такого контакту немає, то затиск щупа одягається на будь-яку неізольовану металеву частину корпусу.
7. Перемикач «Сигнал» перекладається в нейтральне положення для підключення виведення до землі. Якщо ж такого перемикача немає, то щупи замикаються один з одним.
8. Ручками вертикальної і горизонтальної настройки домагаються установки променя на середину екрана.
9. Якщо пристрій має перемикач «Тип сигналу», то він встановлюється в положення виміру постійної форми або щуп просто від'єднується від гнізда заземлення.
10. Перемиканням масштабу «Вольт / поділ» домагаються розгортання сигналу на весь екран, що підвищує точність спостережень.
11. За допомогою вимірювальних проводів приступають до потрібних досліджень, підлаштовуючи в разі необхідності масштаб «Вольт / поділ».

Таким чином, використання осцилографа, дозволяє здійснювати операції право встановлювати або ремонтувати складних приладів, які за допомогою тестера виконати неможливо. Робота на сучасному пристрої не набагато складніше вимірювань, проведених мультиметром.