Как правильно пользоваться осциллографом

Как пользоваться осциллографом, надо знать каждому, кто желает углубить свои навыки в починке, обслуживании электротехники, в диагностических мероприятиях. Осциллограф предназначен для мониторинга изменений напряжения во времени. Устройство оснащено экраном с движущейся разверткой, показывающую графики, амплитуду, синусоиду колебаний за определенные периоды.

Что такое осциллограф

Осциллографом (O-Scope, Oscilloscope) регистрируют изменения (амплитуды, колебания) напряжений сигналов электроцепи с выводом в виде синусоид, пилообразных и других линий на координатную сетку на мониторе. Прибор применяют для изучения динамики системы во время ее работы. Характерный пример: тестирование импульсных, генераторных устройств (источники питания). Oscilloscope покажет форму напряжения, электросигналов во времени, уровень колебаний, изменения при определенных условиях и факторах (поломки, температура, магнитные поля, помехи, экранирование).

Назначение

O-Scope измеряет такие величины и решает следующие задачи:

• тестовые меры для электросхем, сборок, изделий при их выпуске, починке, в исследовательских учреждениях;
• всегда используется при проверке измерительных устройств;
• электро, теле и радио сфера: свойства сигналов, степень шумов, искажений;
• для узкоспециализированного аппаратного оснащения, для анализа АСУ, исполнительных приспособлений;
• замеры частот и амплитуд при отладке;
• визуальный мониторинг сигналов, фазных сдвигов;
• анализ функционирования датчиков автомобиля.

Если кратко отобразить функции, то аппарат позволяет наблюдать изменения напряжения:

• во времени: частоту, промежутки, скважность, циклы, скачки, спады, всплески;
• на физике: колебания, амплитуды, макс./мин. среднеквадратичные значения.

Осциллограф — это «глаза», позволяющие посмотреть внутрь цепи во время ее работы. Кроме простого измерения электросигнала, современные изделия могут делать математические преобразования в реальном времени (Фурье и пр.).

Где применяется

Сферы применения:

• всегда в научных, технических лабораториях, исследовательских отделениях на заводах, выпускающих электроприборы, например, производитель должен знать, как реагирует его продукция на помехи;
• при углубленном анализе сборок, при наладке, ремонте электроустройств: от радио и сотовой связи до цепей двигателей машин. Для радиолюбителей прибор незаменим.

Аппарат выдает визуальную информацию о характеристиках сложных сигналов, показывает временные и амплитудные данные изменений, что важно для расчетов и определения, как будет себя вести изучаемый объект за периоды в конкретных условиях.

Что может измерить осциллограф

Осциллограф может измерить:

• покажет по сигналам:
  • форму;
  • частотность;
  • период;
  • амплитуду;
  • угол сдвига фазы;
  • сравнение сигналов;
• АЧХ (ампл.-частотную х-ку);
• через закон Ома по показателям прибора исчисляют ток (при этом его преобразовывают в напряжение резисторами).

O-Scope — фактически это вольтметр, но отображающий изменения напряжения онлайн, им можно обозначить форму тока, подключив последовательно к обслуживаемой сети резистор (Rt, «t» — токовый, он же шунтирующий). Его число Ом подбирают намного меньшим, чем у цепи, чтобы отсутствовали влияния на схему. Далее, вычисляют по формуле и, зная величину Rt, можно найти ток.

Виды

У цифровых моделей есть функция записи и архивирования, что расширяет возможности. Для сопоставления результатов онлайн используют аппараты с несколькими каналами. Есть экземпляры, подключаемые к ПК и комбинации с другими измерительными девайсами.

Выбор аналоговых моделей (кроме простых и учебных) подразумевает наличие познаний во множестве настроек, регулировка усложненная. С другой стороны, такие приборы дают углубленную практику.

Цифровые модели — это рекомендованный выбор, на таком аппарате можно быстро освоить основы. Это вычислительные комплексы, с ними получение данных, интерпретация проще и намного быстрее.  Есть также модели аналогово-цифровые.

Устройство

Главный узел осциллографа — трубка как у старых телевизоров, электронно-лучевая, осуществляющая визуализацию величин, принимаемых входным делителем, от которого зависят рамки допустимых замеров. Происходит усиление, синхронизация с генератором развертки. Далее, исследуемая величина попадает на оконечный усиливающий узел, на ЭЛТ, затем происходит отображение его онлайн без каких-либо задержек.

Алгоритм, как работает цифровой осциллограф несколько иной: он сначала пропускает сигнал через преобразователь (аналого-цифровой), замеряя его несколько раз в сек. Затем происходит реконструкция и отображение на мониторе. Одновременно данные записываются буферной памятью, есть возможность будущей их обработки.

Работать с цифровым осциллографом удобнее, его преимущества — полная функциональность с дополнительными опциями в маленьком корпусе, простота настроек. Выбор осциллографа в современных условиях обычно осуществляется среди указанных видов. Отдельные аналоговые старые основательные советские экземпляры (дешевле в 4–5 раз) неплохи, но они габаритные, требуют больше навыков по настройке.

Как функционирует осциллограф

Если смотреть на быстро пробегающие объекты, то увидим размытую линию. Но если периодически открывать «окошко», то будут выхватываться статичные кадры. Это принцип стробоскопа, так же, но в электронной форме работает Oscilloscope.

Действие «окошка» синхронизуется (главное условие) со скоростью объектов (сигнала), поэтому при его открытии их место стабильно. В противном случае возникнет рассинхронизация.

Аппарат визуализирует периодические изменения в реальном времени на табло синусоидой или линией другой формы (пила, меандр и прочее). Каждый будущий отрезок схожий с прошедшим, он «останавливается» и показывается (в 1 момент — 1 период).

На что обратить внимание в Oscilloscope, ориентиры для выбора

Рассмотрим основы характеристик O-Scope, которые послужат также ориентирами, как выбрать осциллограф, надежную его модель.

Способы, чтобы проверить осциллограф:

• встроенным генератором (Калибровка), все цифровые модели имеют его. Включают режим и смотрят, есть ли синусоида. Если магазин специализированный, там должен быть внешний генератор для проверки;
• старые осциллографы начинают подвирать со временем, как проверить их есть простой способ: взять эталонный источник, например, ту же батарейку 1.5 В;
• экран должен быть достаточной яркости, луч без артефактов;
• дотронуться до щупа: фаза покажет синусоиду (правда с большими помехами), земля — ровную линию;
• посредством ПК, специальным ПО.

Полоса пропускания

Это минимальная и максимальная частоты, амплитудность, то есть диапазон, который может измерить прибор. Достаточно учесть верхнюю черту; нижнюю рисуют все устройства.

Частота дискретизации (Sampling rate)

У цифровых моделей. Данный параметр связан с предыдущим. Чем выше, тем лучше (например, у Siglent SDS — 1×109). Это число считываний за единицу времени, определяет максимальные частоты без потерь на экране. У приборов с несколькими каналами может уменьшаться при задействовании их всех (при покупке надо учесть).

По теореме Котельникова част. дискр. должна превышать в 2 раза верхнюю рамку пропускания, но на практике потребуется превышение в 4–5 раза. На этом и основывается выбор. Пример для изделия с полосой до 200–800 МГц (важно учесть параметр при использовании 2 и больше каналов).

Число каналов

Многие модели способны обрабатывать больше сигналов вместе, одновременно раздельно показывая их на мониторе. Обычно от 2 до 4. Иногда включение других каналов сказывается на производительности. Выбор осциллографа рекомендовано делать среди изделий с двумя каналами, что позволит сравнивать исследуемые величины, исчислять фазные сдвиги.  Три и больше входа, это хорошо, но для обычных задач иногда чрезмерно, цена прибора возрастет многократно.

Эквивалентная частота дискретизации

Когда недостаточно реальной част. дискр., итоговая картинка реконструируется по нескольким последовательным измерениям. Пример: анализируется сигнал 200 МГц на модели с част. дискр. 1 млрд. выборок/сек. (1 GSa/s) — получают всего 5 измерений. По теор. Котельникова этого хватает, но можно детализировать (алгоритмическим методом) и активировать опцию: будет не 1 GSa/s, а уже 2 GSa/s.

Глубина памяти

Всегда есть в цифровых моделях (DSO=Digital Storage Oscilloscope). Чем ниже скорость развертки, тем точнее показатели и тем больше значений приходится сохранять прибору в памяти. Чем глубже память — тем лучше. Но иногда наблюдается негативный момент: при медленных измерениях прибор подтормаживает, выбирая изделие, надо поинтересоваться этим нюансом.

Обновление экрана

Чем чаще обновляется монитор, тем короче «мертвое время», требуемое для обработки захватываемой информации, более оперативно происходит обновление осциллограмм. Больше шансов, что аппарат покажет малозаметный артефакт. Впрочем, это имеет значение только для фанатов-электронщиков.

Максимальное входное напряжение (питание)

Любой прибор имеет предел по мощности питания, при превышении которого без дополнительных мер он просто сгорит, выйдет из строя. Нужно учитывать параметры обслуживаемых цепей. Пример: макс. напр. в режиме щупа 1:1 — 40 В, в режиме 1:10 — 400 В, то есть лезть в цепь с 400 В и больше без предохранительных мер уже небезопасно.

Основы управления

Большинство ручек, кнопок, переключателей осциллографа пригодятся только для профессионалов электронщиков. Поэтому рассмотрим основы, которых достаточно для большинства задач. Все остальные опции по сути, это дополнения, упрощающие исследования.

Начало работы

Работа с осциллографом по аналоговому прибору описывается более подробно. В роли объекта изучения можно использовать несложные модели: чрезвычайно простой учебный осциллограф н3013 или популярный С1-83. По цифровому — все то же, но он унифицирует, обобщает некоторые моменты.

В лучевой трубке Oscilloscope пучки электронов, идущие на табло, провоцируют свечение люминофора (светлая точка посередине). Отклоняющие пластины (2 пары) дают возможность гонять ее. Чем выше напряжение на клеммах, тем значительнее она подвигается. Подающееся напряжение на пласт. Х (вертикальные) инициирует пилообразную развертку, луч бегает циклически (это линия развертки или нуля). На пласт. Y подключают исследуемые величины.

Синхронизация

Перед тем, как работать с осциллографом, надо изучить основы (управление, подключение, какие щупы и прочее). Главный пункт взаимодействия — синхронизация. Если старт пилы (самое левое положение луча) и сигнала совпали, то 1 проход развертки покажет 1 или больше периодов и изображение как бы застынет. Изменяя скор. развертки делают так, что на табло будет только 1 отрезок: за 1 пер. пилы пройдет 1 пер. анализируемого сигнала.

Способы синхронизации:

1. Пила и сигнал синхронизируются, регулируя селектором скорость до остановки синусоиды
2. Задается уровень, указывают напряжение на входе для активации генератора. Пила появится, только при выставленном значении, синхронизация автоматическая. Надо учесть помехи: они могут активировать генератор ошибочно (уровень чрезмерно низкий), если очень высокий — сигнал не запустит систему.

Надо знать следующее:

• по горизонтали смещение луча прямо пропорциональное времени;
• по вертикали — пропорционально исследуемому напряжению.

Подключение

В осциллографе нет отдельных двух щупов, как у мультиметра. Есть один кабель с 2 отростками, жилами (напряжение меряют между 2 точками), втыкаемыми в розетку с 2 клеммами. Если на приборе гнезд с ними больше одного, то прибор двух или многоканальный.

Две клеммы:

• для фазы — подключена к входу усилителя, отклоняющего луч по вертикали;
• общая (земля, минус) — связана непосредственно с корпусом аппарата.

В иностранных приборах провод с «крокодилом» — земля, фаза — игла, которой тыкают в контакты проверяемых схем, в ножки микропроцессоров и прочее. В отечественной продукции часто провода одинаковые. Узнать назначение можно, коснувшись их рукой: минус (земля) — на экране ровная линия, фаза — искаженная синусоида.

Нельзя использовать любой провод для щупа — в осциллографе это только коаксиальные специальные изделия, любой другой кабель покажет чушь.

Упрощенно алгоритм использования, как подключить к анализируемой цепи и провести исследование:

1. Осциллограф ставят в удобное место, ручки приводят в нормальное или нейтральное положение.
2. Если есть калибратор, то надо откалибровать по инструкции.
3. Землю сажают на «−» или общую жилу в исследуемой схеме. Если их невозможно определить — подключают к любому из контактов, между которыми проводят исследование. Сигналом тычут по схеме.

Прибор отображает напряжение на щупе по отношению к общему проводку. На некоторых таких шнурах (прямо на них) есть делители 1:0, 1:100 с тумблерами вкл./выкл., позволяющие воткнуть концы хоть напрямую в 220 В, не рискуя сжечь прибор.

Режим входа

Регулятор с прямой и, ниже нее, волнистой чертой — это режим входа. Верхняя позиция — допустимо подавать любое напряжение. Средняя — позволяет установить развертку. Нижняя позиция — только для переменной величины, при этом подключение идет через встроенный конденсатор.

Пример: надо проанализировать помехи на БП с 12 В, их интенсивность возможна до 0.3 В. На фоне 12 В незаметно. Можно повысить коэфф. по Y, но график выйдет за монитор, а смещения не хватит для наблюдения вершины. Тогда включаем в цепь конденсатор и 12 В осядут там, а в O-Scope пойдет переменная величина — 0.3 В помех, визуализацию усиливают и разглядывают полный масштаб.

Быстрый старт

Экран размечен линиями с делениями Y (вертикаль) и X (горизонталь) – это декартовая система координат, их селекторы (большие и заметные) — главные органы управления:

• Усиление (В/дел, вольт/на деление) — масштабирует по оси Y, чтобы просмотреть весь сигнал, и там же указано, сколько В на деление в итоге отобразится. Пример: если стоит 2 В на деление, а сигнал занимает две клеточки в высоту, то амплитуда равна 4 В; при выборе 1 В и подачи синусоиды ампл. в 0.2 В она займет 4 кл.;
• Длительность (Развертка) — регулировка частоты. Тут деления в мс и мкс. Чем меньший промежуток и больше частота, тем высокочастотный сигнал можно разглядеть и по его ширине можно исчислить, сколько он клеток, а умножив на масш. по линии X, получим его длительность в сек. Можно рассчитать один период, затем — значение частоты — f=1/t. Данная ручка — для выставления скорости луча на табло слева/направо. В цифровых аппаратах — сплошная линия. Поступающий через вход сигнал отклоняет луч вверх/вниз: возникает волнообразная синусоида, пила или иная форма линии, отображая шумы, помехи.

Клавиша развертка и крутилки со стрелочками позволят гонять график по экрану для удобства его восприятия и подгонки нужного участка под квадратики сетки. А изменяя скорость, частотность бега луча (величину частоты развертки), добиваются синхронизации, замирания изображения.

Измеряем напряжение

Для уменьшения погрешности, так как наблюдение визуальное, рекомендовано, чтобы график занимал 80–90 % монитора. Когда делают замеры напряжения и по частоте (есть временный интервал), надо регуляторы усиления и скорости развертки разместить в крайние правые позиции.

Порядок действий

Напряжение измеряется масштабированием по вертикали. Алгоритм:

1. Перед началом замыкают сигнал щупа на свой же земляной проводок (иглу на «крокодил») или выставляют тумблер режима входа в позицию «земля».
2. Высветится «пульс трупа», если нет, то надо подвигать смещение, стабилизацию и уровень — возможно изображение спряталось, не запустилось.
3. Регулируем селекторами смещение полосы на ноль и регулятором «вверх-вниз» выставляем развертку на горизонталь сетки, так можно будет корректно рассчитать высоту осциллограммы. Если осциллограф старый или аналоговый, то надо ему дать прогреться минут 5.
4. Выставляем предел измерений по напряжению, рекомендовано брать с запасом, потом можно уменьшить.
5. На вход дают сигнал (или его переключатель переводится в одно из рабочих позиций). На мониторе появится график.
6. Проиллюстрируем процесс: батарейка имеет 1.5 V, если прикоснуться земляным отростком щупа к ее минусу, а сигнальным — к плюсу, то появится скачок графика на 1.5 Вольта.

Для нахождения высоты графика осциллограмму подвигают селектором, чтобы отметка, по которой исчисляется амплитуда, была на центральной вертикали с долями. Получим чувствительность отклонения — 1 в/дел, размер осциллогр. — 2.6 дел., а отсюда ампл. = 2.6 В.

Ниже иллюстрация на аналоговом аппарате: 3.4 дел. — макс. напряжения. На соседнем рисунке — масштабирование по вертикали. Регулятор «плавно» (часть с зеленой риской) – в правой предельной позиции, черточка тумблера чувствительности — 0.5 в/дел. Множитель по масшт. — ×10. Расчет напряжения:

Измерение частоты

Частота — это временная характеристика, интервалы, периоды сигнала; их измерение — прямое назначение осциллографа. Исследуемое значение всегда обратно пропорционально его периоду, который можно замерить в любой области осциллограммы. Но комфортнее и точнее это сделать в точках пересечения графика с горизонталью по центру (ось времени).

Перед исследованием полосу развертки выставляем на центральную горизонталь. Используя ручку со стрелкой в обе стороны, смещаем начало периода с самой крайней левой полосой на мониторе. В нашем случае промежуток = 6.8 дел., скор. развертки — 100 мкс/дел. Исчисления:

Выше на схожих двух рисунках те же сигналы, но при разной скорости развертки. По первому изображению исчисление частоты (точное значение — 1.459 кГц) имеет большую погрешность, по второму — меньшую, так как большую точность при измерении получают, если растянуть картинку.

На втором рисунке период чуть превышает 6.8 дел. и частота в реальности чуть ниже (1.459 КГц), чем полученная (1,47 КГц). Отклонение меньше 1 %, это допустимо и считается высокой точностью, ее обеспечит цифровой O-Scope (с линейной разверткой). В аналоговых моделях отклонение было бы выше. Характерная закономерность: с увеличением периода снижается частота (пропорция обратная), и наоборот.

Измеряем сдвиг фаз

Иногда бывает, что фазы напряжения и тока расходятся (при проходе через конденсаторы, индуктивность). С двухканальным O-scope возможно посмотреть уровень различий.

Сдвиг фаз покажет два процесса в движении, их положение с колебаниями. Измеряют не в ед. времени (горизонталь), а в долях промежутка сигнала (ед. угла). Одинаковому взаимному размещению сигналов соответствует такой же сдвиг, и он не зависит от периода и частоты. Поэтому измерения достовернее при максимальном растяжении периодов на мониторе.

Порядок действий

Этапы (модель С1-83):

1. Крутилками со стрелками 2 каналов (по вертикали) развертку ставят на центральную линию (сигнал на входе отсутствует).
2. Усил. (вертикаль) на первом канале устанавливают (ступени и плавно) большую амплитуду, на втором — делают ее меньшей.
3. Скор. разв. настраивают, чтобы на табло поместился 1 определенный промежуток.
4. Уровнем синхронизации выставляют старт графика с временной линии (развертки, т. А), а селектором с горизонтальной чертой с двумя стрелками — чтобы с крайней левой грани экрана (т. А);
5. Скор. разв. (ступени и плавно) добиваются финиша графика на крайней правой вертикальной грани.
6. Повторяют описанное, растягивая диаграмму на весь монитор, стартовая и финишная точка должны совпадать с полосой развертки.
7. Определяют опережение, угол сдвига (φ) зависит от этого. Ниже на первом рис., ток отстает его старт позже (т. А и Б). На соседнем рисунке (б) он первый, его старт не показывается, поэтому смотрят на финиш первого полупериода: первым к 0 придет диаграмма, начавшаяся раньше (отметка Г подходит быстрее В).

φ — модуль угла, промежуток между начальной и финишной точками периода. Далее, φ узнаем по правилу: 1 промежуток любого колебания = 360° (это стабильная пропорция).

Замеры возможны и по концам периодов (Д и Е), но в правом сегменте монитора линейность плохая, вероятность погрешностей увеличивается.

Пример исчисления с графической иллюстрацией:

Видео по теме