Oszilloskopmessung durchführen

Ein digitales Oszilloskop ist natürlich viel weiter fortgeschritten als ein herkömmliches elektronisches Oszilloskop. Es ermöglicht Ihnen, sich an Wellenformen zu erinnern, kann eine Verbindung zu einem Personal Computer herstellen, verfügt über eine mathematische Verarbeitung von Ergebnissen, Bildschirmmarkierungen und vieles mehr. Mit all den Vorteilen haben diese Geräte der neuen Generation einen wesentlichen Nachteil - dies ist ein hoher Preis.

Sie ist es, die das digitale Oszilloskop für Amateurzwecke unzugänglich macht, obwohl es Taschenoszilloskope im Wert von nur einigen tausend Rubel gibt, die auf Aliexpress verkauft werden, aber es ist nicht besonders bequem, sie zu verwenden. Nun, nur ein interessantes Spielzeug. Daher werden wir währenddessen über Messungen mit einem elektronischen Oszilloskop sprechen.

Zum Thema Auswahl eines Oszilloskops für den Einsatz in einem Heimlabor im Internet finden Sie eine ausreichende Anzahl von Foren. Ohne die Vorteile digitaler Oszilloskope zu leugnen, wird in vielen Foren empfohlen, sich für einfache, kleine und zuverlässige Haushaltsoszilloskope C1-73 und C1-101 und dergleichen zu entscheiden, die wir zuvor kennengelernt haben dieser Artikel.

Mit diesen Geräten können Sie zu einem relativ erschwinglichen Preis die meisten Amateurfunkaufgaben ausführen. Machen Sie sich in der Zwischenzeit mit den allgemeinen Prinzipien der Messung mit einem Oszilloskop vertraut.

Abbildung 1. Oszilloskop S1-73

Was für ein Oszilloskop misst

Das gemessene Signal wird dem Eingang des vertikalen Ablenkkanals Y zugeführt, der eine große Eingangsimpedanz, üblicherweise 1 MΩ, und eine kleine Eingangskapazität von nicht mehr als 40 pF aufweist, wodurch eine minimale Verzerrung in das gemessene Signal eingeführt werden kann. Diese Parameter werden häufig neben dem Eingang des vertikalen Ablenkkanals angezeigt.

Abbildung 2. Oszilloskop C1-101

Eine hohe Eingangsimpedanz ist typisch für Voltmeter, daher kann man mit Sicherheit sagen, dass das Oszilloskop die Spannung misst. Durch die Verwendung externer Eingangsteiler können Sie die Eingangskapazität reduzieren und die Eingangsimpedanz erhöhen. Es reduziert auch den Einfluss des Oszilloskops auf das untersuchte Signal.

Es ist zu beachten, dass es spezielle Hochfrequenzoszilloskope gibt, deren Eingangsimpedanz nur 50 Ohm beträgt. In der Amateurfunkpraxis finden solche Geräte keine Anwendung. Daher werden wir uns weiter darauf konzentrieren herkömmliche Universaloszilloskope.

Kanal Y-Bandbreite

Das Oszilloskop misst Spannungen in einem sehr weiten Bereich: von Gleichspannungen bis zu Spannungen mit ausreichend hoher Frequenz. Der Spannungshub kann sehr unterschiedlich sein, von einigen zehn Millivolt bis zu mehreren zehn Volt und bei Verwendung externer Teiler bis zu mehreren hundert Volt.

Es ist zu beachten, dass die Bandbreite des Kanals der vertikalen Abweichung Y db beträgt mindestens fünfmal höher als die Frequenz des zu messenden Signals. Das heißt, der Verstärker der vertikalen Abweichung muss mindestens die fünfte Harmonische des untersuchten Signals passieren. Dies ist insbesondere erforderlich, wenn Rechteckimpulse untersucht werden, die viele Harmonische enthalten (siehe Abbildung 3). Nur in diesem Fall wird ein Bild mit minimaler Verzerrung auf dem Bildschirm erhalten.

Figure 3. Synthese eines rechteckigen Signals aus harmonischen Komponenten

Neben der Grundfrequenz zeigt Abbildung 3 die dritte und siebte Harmonische. Wenn die Zahl der Harmonischen zunimmt, nimmt ihre Frequenz zu: Die Frequenz der dritten Harmonischen ist dreimal höher als die Grundwelle, die fünfte Harmonische ist fünfmal höher, die siebte ist sieben usw. Dementsprechend nimmt die Amplitude der höheren Harmonischen ab: Je höher die Harmonische, desto niedriger ihre Amplitude. Nur wenn der Verstärker des vertikalen Kanals ohne große Dämpfung die höheren Harmonischen verfehlen kann, ist das Bild des Impulses rechteckig.

Abbildung 4 zeigt die Wellenform eines Mäanders mit unzureichender Kanal-Y-Bandbreite.

Abbildung 4

Der Mäander mit einer Frequenz von 500 kHz sieht auf dem Bildschirm eines OMSh-3M-Oszilloskops mit einer Bandbreite von 0 bis 25 kHz ungefähr so ​​aus. Als ob Rechteckimpulse durch eine integrierende RC-Schaltung geleitet würden. Ein solches Oszilloskop wurde von der sowjetischen Industrie für Laborarbeiten im Physikunterricht an Schulen hergestellt. Selbst die Versorgungsspannung dieses Gerätes betrug aus Sicherheitsgründen nicht 220, sondern nur 42V. Es ist absolut offensichtlich, dass ein Oszilloskop mit einer solchen Bandbreite es ermöglicht, ein Signal mit Frequenzen von nicht mehr als 5 kHz nahezu ohne Verzerrung zu beobachten.

Bei einem herkömmlichen Universaloszilloskop beträgt die Bandbreite meistens 5 MHz. Selbst mit einem solchen Band können Sie ein Signal bis zu 10 MHz und höher sehen, aber das auf dem Bildschirm empfangene Bild ermöglicht es Ihnen, nur das Vorhandensein oder Fehlen dieses Signals zu beurteilen. Es wird schwierig sein, etwas über seine Form zu sagen, aber in einigen Situationen ist die Form nicht so wichtig: Zum Beispiel gibt es einen Sinusgenerator, und es reicht aus, nur um sicherzustellen, dass es diesen Sinus gibt oder nicht. Eine solche Situation ist in Abbildung 4 dargestellt.

Moderne Computersysteme und Kommunikationsleitungen arbeiten mit sehr hohen Frequenzen in der Größenordnung von Hunderten von Megahertz. Um solche Hochfrequenzsignale zu sehen, muss die Bandbreite des Oszilloskops mindestens 500 MHz betragen. Solch ein breites Band "erweitert" wirklich den Preis des Oszilloskops.

Ein Beispiel ist das in Abbildung 5 nicht gezeigte digitale Oszilloskop U1610A. Seine Bandbreite beträgt 100 MHz und der Preis beträgt fast 200.000 Rubel. Stimmen Sie zu, nicht jeder kann es sich leisten, ein so teures Gerät zu kaufen.

Abbildung 5

Lassen Sie den Leser dieses Bild nicht als Werbung betrachten, da nicht alle Koordinaten des Verkäufers übermalt sind: Ein ähnlicher Screenshot könnte anstelle dieses Bildes erscheinen.

Arten der untersuchten Signale und ihre Parameter

Die häufigste Art der Schwingung in Natur und Technologie ist eine Sinuskurve. Dies ist die gleiche langleidende Funktion Y = sinX, die in der Schule im Unterricht der Trigonometrie abgehalten wurde. Viele elektrische und mechanische Prozesse haben eine sinusförmige Form, obwohl in der elektronischen Technologie häufig andere Formen von Signalen verwendet werden. Einige davon sind in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6. Formen elektrischer Schwingungen

Periodische Signale. Signaleigenschaften

Mit einem universellen elektronischen Oszilloskop können Sie periodische Signale genau untersuchen. Wenn Sie am Eingang Y ein echtes Tonsignal senden, z. B. ein Musik-Phonogramm, werden zufällig flackernde Bursts auf dem Bildschirm angezeigt. Es ist natürlich unmöglich, ein solches Signal im Detail zu untersuchen. In diesem Fall hilft die Verwendung eines digitalen Speicheroszilloskops, mit dem Sie die Wellenform speichern können.

Die in 6 gezeigten Schwingungen sind periodisch und werden nach einer bestimmten Zeitspanne T wiederholt. Dies kann in 7 detaillierter betrachtet werden.

Abbildung 7. Periodische Schwankungen

Die Schwingungen werden in einem zweidimensionalen Koordinatensystem dargestellt: Die Spannung wird entlang der Ordinatenachse und die Zeit entlang der Abszissenachse gemessen. Die Spannung wird in Volt gemessen, die Zeit in Sekunden. Bei elektrischen Schwingungen wird die Zeit häufig in Millisekunden oder Mikrosekunden gemessen.

Zusätzlich zu den Komponenten X und Y enthält die Wellenform auch die Intensität der Komponente Z - oder einfach Helligkeit (Abbildung 8). Sie ist es, die den Strahl für die Zeit des Vorwärtshubs des Strahls einschaltet und für die Zeit des Rückwärtshubs erlischt. Einige Oszilloskope verfügen über einen Eingang zur Steuerung der Helligkeit, der als Eingang Z bezeichnet wird. Wenn Sie an diesen Eingang eine Impulsspannung von einem Referenzgenerator anlegen, werden auf dem Bildschirm Frequenzbezeichnungen angezeigt. Auf diese Weise können Sie die Dauer des Signals entlang der X-Achse genauer messen.

Abbildung 8. Drei Komponenten des untersuchten Signals

Moderne Oszilloskope verfügen in der Regel über zeitkalibrierte Sweeps, die ein genaues Timing ermöglichen. Daher ist die Verwendung eines externen Generators zum Erstellen von Tags praktisch nicht erforderlich.

Oben in Abbildung 7 befindet sich eine Sinuswelle. Es ist leicht zu erkennen, dass es am Anfang des Koordinatensystems beginnt. Während der Zeit T (Periode) wird eine vollständige Schwingung durchgeführt. Dann wiederholt sich alles, die nächste Periode. Solche Signale werden als periodisch bezeichnet.

Rechteckige Signale werden unterhalb der Sinuswelle angezeigt: Mäander und Rechteckimpuls. Sie sind auch periodisch mit der Periode T. Die Pulsdauer wird als τ (tau) bezeichnet. Im Fall eines Mäanders ist die Impulsdauer τ gleich der Pausendauer zwischen den Impulsen, nur die Hälfte der Periode T. Daher ist der Mäander ein Sonderfall einer Rechteckwelle.

Zoll und Zollsatz

Zur Charakterisierung von Rechteckimpulsen wird ein Parameter namens Arbeitszyklus verwendet. Dies ist das Verhältnis der Impulswiederholungsperiode T zur Impulsdauer τ. Für den Mäander ist das Tastverhältnis gleich zwei, - der Wert ist dimensionslos: S = T / τ.

In der englischen Terminologie ist genau das Gegenteil der Fall. Dort werden die Impulse durch das Tastverhältnis charakterisiert, das Verhältnis der Impulsdauer zur Periode des Arbeitszyklus: D = τ / T. Der Füllfaktor wird in %% ausgedrückt. Somit ist für den Mäander D = 50%. Es stellt sich heraus, dass D = 1 / S, Arbeitszyklus und Arbeitszyklus zueinander invers sind, obwohl sie denselben Impulsparameter charakterisieren. Die Wellenform des Mäanders ist in Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 9. Wellenform des Mäanders D = 50%

Hier ist der Eingang des Oszilloskops mit dem Ausgang des Funktionsgenerators verbunden, der unmittelbar in der unteren Ecke der Figur dargestellt ist. Und hier kann ein aufmerksamer Leser eine Frage stellen: „Die Amplitude des Ausgangssignals vom 1-V-Generator, die Empfindlichkeit des Oszilloskopeingangs beträgt 1 V / Div. Und der Bildschirm zeigt Rechteckimpulse mit einer Größe von 2 V an. Warum?

Tatsache ist, dass der Funktionsgenerator bipolare Rechteckimpulse in Bezug auf den 0-V-Pegel erzeugt, ungefähr gleich wie eine Sinuskurve, mit positiven und negativen Amplituden. Daher werden auf dem Oszilloskopbildschirm Impulse mit einer Spanne von ± 1 V beobachtet. In der folgenden Abbildung ändern wir den Arbeitszyklus beispielsweise auf 10%.

Abbildung 10. Rechteckimpuls D = 10%

Es ist leicht zu erkennen, dass die Pulswiederholungsperiode 10 Zellen beträgt, während die Pulsdauer nur eine Zelle beträgt. Daher ist D = 1/10 = 0,1 oder 10%, wie aus den Einstellungen des Generators ersichtlich ist. Wenn Sie die Formel zur Berechnung des Arbeitszyklus verwenden, erhalten Sie S = T / τ = 10/1 = 1 - der Wert ist dimensionslos. Hier können wir schließen, dass das Tastverhältnis den Impuls viel deutlicher charakterisiert als das Tastverhältnis.

Tatsächlich blieb das Signal selbst das gleiche wie in 9: ein Rechteckimpuls mit einer Amplitude von 1 V und einer Frequenz von 100 Hz. Nur der Füllfaktor oder das Tastverhältnis ändern sich. Es ist, als ob jemand vertrauter und bequemer ist. Zur Vereinfachung der Beobachtung in 10 ist die Scandauer im Vergleich zu 9 halbiert und beträgt 1 ms / Div. Daher nimmt die Signalperiode 10 Zellen auf dem Bildschirm ein, was es ziemlich einfach macht, zu überprüfen, ob der Arbeitszyklus 10% beträgt. Bei Verwendung eines echten Oszilloskops wird die Sweep-Dauer ungefähr gleich gewählt.

Rechteckige Impulsspannungsmessung

Wie am Anfang des Artikels erwähnt, misst das Oszilloskop die Spannung, d.h. Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten. In der Regel werden Messungen in Bezug auf eine gemeinsame Erdung (Null Volt) durchgeführt, obwohl dies nicht erforderlich ist. Grundsätzlich ist es möglich, von minimalen bis maximalen Signalwerten (Spitzenwert, Spitze-Spitze) zu messen. In jedem Fall sind die Messschritte recht einfach.

Rechteckige Impulse sind meist unipolar, was typisch für die digitale Technologie ist. Wie Sie die Spannung eines Rechteckimpulses messen, ist in Abbildung 11 dargestellt.

Abbildung 11. Messung der Amplitude eines Rechteckimpulses

Wenn die Empfindlichkeit des vertikalen Abweichungskanals 1 V / Div beträgt, stellt sich heraus, dass die Abbildung einen Impuls mit einer Spannung von 5,5 V zeigt. Mit einer Empfindlichkeit von 0,1 V / Div. Die Spannung beträgt nur 0,5 V, obwohl auf dem Bildschirm beide Impulse genau gleich aussehen.

Was sonst noch in einem rechteckigen Impuls zu sehen ist

Die in den 9, 10 gezeigten Rechteckimpulse sind einfach ideal, da sie von Electronics WorkBench synthetisiert werden. Und die Pulsfrequenz beträgt nur 100 Hz, daher können keine Probleme mit der "Rechtwinkligkeit" des Bildes auftreten. In einem realen Gerät sind die Impulse bei einer hohen Wiederholungsrate etwas verzerrt. Zunächst treten aufgrund der Installationsinduktivität verschiedene Spannungsspitzen und Bursts auf, wie in Abbildung 12 dargestellt.

Abbildung 12. Realer rechteckiger Impuls

Wenn Sie solche "Kleinigkeiten" nicht beachten, sieht der rechteckige Impuls wie in Abbildung 13 aus.

Abbildung 13. Parameter eines Rechteckimpulses

Die Abbildung zeigt, dass die Vorder- und Hinterkante des Impulses nicht sofort erscheinen, sondern einige Anstiegs- und Abfallzeiten aufweisen und relativ zur vertikalen Linie etwas geneigt sind. Diese Steigung ist auf die Frequenzeigenschaften von Mikroschaltungen und Transistoren zurückzuführen: Je höher der Frequenztransistor, desto weniger "Fronten" der Impulse. Daher wird die Pulsdauer durch den Pegel von 50% des gesamten Bereichs bestimmt.

Aus dem gleichen Grund wird die Amplitude des Impulses durch den Pegel von 10 ... 90% bestimmt. Die Impulsdauer sowie die Spannung werden bestimmt, indem die Anzahl der Teilungen der horizontalen Skala mit dem Teilungswert multipliziert wird, wie in Fig. 14 gezeigt.

Abbildung 14.

Die Abbildung zeigt eine Periode eines Rechteckimpulses, die sich geringfügig vom Mäander unterscheidet: Die Dauer eines positiven Impulses beträgt 3,5 Teilungen der horizontalen Skala und die Pausendauer 3,8 Teilungen. Die Pulswiederholungsperiode beträgt 7,3 Teilungen. Ein solches Bild kann zu mehreren verschiedenen Impulsen mit unterschiedlichen Frequenzen gehören. Alles hängt von der Dauer des Sweeps ab.

Nehmen Sie eine Scandauer von 1 ms / Div an. Dann beträgt die Impulswiederholungsperiode 7,3 · 1 = 7,3 ms, was der Frequenz F = 1 / T = 1 / 7,3 = 0,1428 kHz oder 143 Hz entspricht. Wenn die Scandauer 1 µs / Div beträgt, ist die Frequenz tausendmal höher, nämlich 143 kHz.

Mit den Daten in Abbildung 14 ist es nicht schwierig, das Tastverhältnis des Impulses zu berechnen: S = T / τ = 7,3 / 3,5 = 2,0857, es stellt sich fast wie ein Mäander heraus. Arbeitszyklus Arbeitszyklus D = τ / T = 3,5 / 7,3 = 0,479 oder 47,9%. Es ist zu beachten, dass diese Parameter in keiner Weise von der Frequenz abhängen: Arbeitszyklus und Arbeitszyklus wurden einfach durch Unterteilungen in der Wellenform berechnet.

Mit rechteckigen Impulsen scheint alles klar und einfach zu sein. Aber wir haben die Sinuswelle völlig vergessen. In der Tat ist das gleiche da: Sie können Spannungen und Zeitparameter messen. Eine Sinuswellenperiode ist in Abbildung 15 dargestellt.

Abbildung 15. Sinuswellenparameter

Offensichtlich beträgt für die in der Figur gezeigte Sinuskurve die Empfindlichkeit des vertikalen Ablenkungskanals 0,5 V / Div. Die verbleibenden Parameter können leicht bestimmt werden, indem die Anzahl der Teilungen mit 0,5 V / Teil multipliziert wird.

Die Sinuswelle kann eine andere sein, die mit einer Empfindlichkeit gemessen werden muss, beispielsweise 5 V / Div. Dann erhalten Sie anstelle von 1V 10V. Auf dem Bildschirm sieht das Bild beider Sinuskurven jedoch genauso aus.

Der Zeitpunkt der gezeigten Sinuskurve ist unbekannt. Wenn wir annehmen, dass die Scandauer 5 ms / Div beträgt, beträgt die Periode 20 ms, was einer Frequenz von 50 Hz entspricht. Die Zahlen in Grad auf der Zeitachse geben die Phase der Sinuskurve an, obwohl dies für eine einzelne Sinuskurve nicht besonders wichtig ist. Häufiger ist es notwendig, die Phasenverschiebung (direkt in Millisekunden oder Mikrosekunden) mindestens zwischen zwei Signalen zu bestimmen. Dies geschieht am besten mit einem Zweistrahloszilloskop. Wie dies gemacht wird, wird unten gezeigt.

So messen Sie den Strom mit einem Oszilloskop

In einigen Fällen ist eine Messung der Größe und Form des Stroms erforderlich. Zum Beispiel ist der durch einen Kondensator fließende Wechselstrom der Spannung um ¼ Periode voraus. Dann ist ein Widerstand mit einem kleinen Widerstand (Zehntel Ohm) im offenen Stromkreis enthalten. Ein solcher Widerstand beeinflusst den Betrieb der Schaltung nicht. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand zeigt die Form und Größe des durch den Kondensator fließenden Stroms.

Ein Amperemeter mit ähnlicher Stärke ist ungefähr auf die gleiche Weise angeordnet, die beim Unterbrechen des Stromkreises berücksichtigt wird. In diesem Fall befindet sich der Messwiderstand im Amperemeter selbst.

Die Schaltung zum Messen des Stroms durch den Kondensator ist in Abbildung 16 dargestellt.

Abbildung 16. Strommessung durch einen Kondensator

Eine sinusförmige Spannung von 50 Hz mit einer Amplitude von 220 V vom XFG1-Generator (roter Strahl auf dem Oszilloskopbildschirm) wird vom Kondensator C1 und vom Messwiderstand R1 an die serielle Schaltung angelegt. Der Spannungsabfall an diesem Widerstand zeigt die Form, Phase und Größe des Stroms durch den Kondensator (blauer Strahl). Wie es auf dem Oszilloskopbildschirm aussehen wird, ist in Abbildung 17 dargestellt.

Abbildung 17. Der Strom durch den Kondensator liegt ¼ Periode vor der Spannung

Bei einer Sinusfrequenz von 50 Hz und einer Abtastzeit von 5 ms / Div nimmt eine Sinuswellenperiode 4 Teilungen entlang der X-Achse vor, was für die Beobachtung sehr praktisch ist. Es ist leicht zu erkennen, dass der blaue Strahl um genau 1 Teilung entlang der X-Achse vor dem roten liegt, was einer ¼ Periode entspricht. Mit anderen Worten, der Strom durch den Kondensator liegt vor der Phasenspannung, was voll und ganz mit der Theorie übereinstimmt.

Um den Strom durch den Kondensator zu berechnen, reicht es aus, das Ohmsche Gesetz zu verwenden: I = U / R. Wenn der Widerstand des Messwiderstands 0,1 Ohm beträgt, beträgt der Spannungsabfall über ihm 7 mV. Dies ist der Amplitudenwert. Dann beträgt der maximale Strom durch den Kondensator 7 / 0,1 = 70 mA.

Das Messen der Form des Stroms durch den Kondensator ist keine sehr dringende Aufgabe, alles ist klar und ohne Messungen. Anstelle eines Kondensators kann eine beliebige Last vorhanden sein: Induktor, Motorwicklung, Transistorverstärkerstufe und vieles mehr. Es ist wichtig, dass mit dieser Methode der Strom untersucht werden kann, der sich in einigen Fällen in seiner Form erheblich von der Spannung unterscheidet.

Boris Aladyshkin