Tomar una medición de osciloscopio

Un osciloscopio digital, por supuesto, es mucho más avanzado que uno electrónico convencional, le permite recordar formas de onda, puede conectarse a una computadora personal, tiene procesamiento matemático de resultados, marcadores de pantalla y mucho más. Pero con todas las ventajas, estos dispositivos de nueva generación tienen un inconveniente significativo: este es un precio alto.

Es ella quien hace que el osciloscopio digital sea inaccesible para fines aficionados, aunque hay osciloscopios de "bolsillo" que valen solo unos pocos miles de rublos, que se venden en Aliexpress, pero no es particularmente conveniente usarlos. Bueno, solo un juguete interesante. Por lo tanto, mientras hablaremos de mediciones utilizando un osciloscopio electrónico.

Sobre el tema de elegir un osciloscopio para usar en un laboratorio doméstico en Internet, puede encontrar un número suficiente de foros. Sin negar las ventajas de los osciloscopios digitales, en muchos foros se recomienda optar por osciloscopios domésticos simples, pequeños y confiables C1-73 y C1-101 y similares, que conocimos anteriormente en este articulo.

A un precio bastante asequible, estos dispositivos le permitirán realizar la mayoría de las tareas de radioaficionados. Mientras tanto, conozcamos los principios generales de las mediciones con un osciloscopio.

Figura 1. Osciloscopio S1-73

Qué mide un osciloscopio

La señal medida se alimenta a la entrada del canal de desviación vertical Y, que tiene una gran resistencia de entrada, generalmente 1 MΩ, y una capacitancia de entrada pequeña, no más de 40 pF, lo que permite introducir una distorsión mínima en la señal medida. Estos parámetros a menudo se indican junto a la entrada del canal de desviación vertical.

Figura 2. Osciloscopio C1-101

La alta impedancia de entrada es típica de los voltímetros, por lo que es seguro decir que el osciloscopio mide el voltaje. El uso de divisores de entrada externos le permite reducir la capacitancia de entrada y aumentar la impedancia de entrada. También reduce la influencia del osciloscopio en la señal bajo investigación.

Debe recordarse que existen osciloscopios especiales de alta frecuencia, cuya impedancia de entrada es de solo 50 ohmios. En la práctica de la radioafición, tales dispositivos no encuentran aplicación. Por lo tanto, más adelante nos centraremos en osciloscopios universales convencionales.

Ancho de banda del canal Y

El osciloscopio mide voltajes en un rango muy amplio: desde voltajes de CC hasta voltajes de una frecuencia suficientemente alta. La oscilación de voltaje puede ser bastante diversa, desde decenas de milivoltios hasta decenas de voltios, y cuando se usan divisores externos hasta varios cientos de voltios.

Debe tenerse en cuenta que el ancho de banda del canal de la desviación vertical Y db no menos de 5 veces mayor que la frecuencia de la señal a medir. Es decir, el amplificador de la desviación vertical debe pasar al menos el quinto armónico de la señal en estudio. Esto es especialmente necesario cuando se estudian pulsos rectangulares que contienen muchos armónicos, como se muestra en la Figura 3. Solo en este caso, se obtiene una imagen con una distorsión mínima en la pantalla.

Figura 3. Síntesis de una señal rectangular a partir de componentes armónicos.

Además de la frecuencia fundamental, la Figura 3 muestra los armónicos tercero y séptimo. A medida que aumenta el número de armónicos, su frecuencia aumenta: la frecuencia del tercer armónico es tres veces mayor que la fundamental, el quinto armónico es cinco veces, el séptimo es siete, etc. En consecuencia, la amplitud de los armónicos más altos disminuye: cuanto mayor es el número de armónicos, menor es su amplitud. Solo si el amplificador del canal vertical sin mucha atenuación puede perder los armónicos más altos, la imagen del pulso será rectangular.

La Figura 4 muestra la forma de onda de un meandro con un ancho de banda de canal Y insuficiente.

Figura 4

El meandro con una frecuencia de 500 KHz se parece a esto en la pantalla de un osciloscopio OMSh-3M con un ancho de banda de 0 ... 25 KHz. Como si se pasaran pulsos rectangulares a través de un circuito RC integrador. Tal osciloscopio fue producido por la industria soviética para el trabajo de laboratorio en lecciones de física en las escuelas. Incluso la tensión de alimentación de este dispositivo por razones de seguridad no era 220, sino solo 42V. Es absolutamente obvio que un osciloscopio con tal ancho de banda permitirá observar una señal con frecuencias de no más de 5 kHz con casi ninguna distorsión.

Para un osciloscopio universal convencional, el ancho de banda suele ser de 5 MHz. Incluso con dicha banda, puede ver una señal de hasta 10 MHz y superior, pero la imagen recibida en la pantalla le permite juzgar solo la presencia o ausencia de esta señal. Será difícil decir algo sobre su forma, pero en algunas situaciones la forma no es tan importante: por ejemplo, hay un generador sinusoide, y es suficiente solo para asegurarse de que existe o no. Tal situación se muestra en la Figura 4.

Los sistemas informáticos modernos y las líneas de comunicación operan a frecuencias muy altas, del orden de cientos de megahercios. Para ver tales señales de alta frecuencia, el ancho de banda del osciloscopio debe ser de al menos 500 MHz. Una banda tan amplia realmente "expande" el precio del osciloscopio.

Un ejemplo es el osciloscopio digital U1610A que no se muestra en la Figura 5. Su ancho de banda es de 100 MHz y el precio es de casi 200,000 rublos. De acuerdo, no todos pueden permitirse comprar un dispositivo tan caro.

Figura 5

Deje que el lector no considere esta imagen como un anuncio, ya que todas las coordenadas del vendedor no están pintadas: cualquier captura de pantalla similar podría aparecer en el lugar de esta imagen.

Tipos de señales estudiadas y sus parámetros.

El tipo más común de oscilación en la naturaleza y la tecnología es una sinusoide. Esta es la misma función sufrida Y = senX, que se realizó en la escuela en las lecciones de trigonometría. Muchos procesos eléctricos y mecánicos tienen una forma sinusoidal, aunque a menudo se utilizan otras formas de señales en tecnología electrónica. Algunos de ellos se muestran en la Figura 6.

Figura 6. Formas de vibraciones eléctricas.

Señales periódicas Características de la señal

Un osciloscopio electrónico universal le permite estudiar con precisión las señales periódicas. Si, en la entrada Y, envía una señal de sonido real, por ejemplo, un fonograma musical, entonces las ráfagas de parpadeo aleatorio serán visibles en la pantalla. Naturalmente, es imposible investigar tal señal en detalle. En este caso, ayudará el uso de un osciloscopio de almacenamiento digital, que le permite guardar la forma de onda.

Las oscilaciones que se muestran en la Figura 6 son periódicas, repetidas después de un cierto período de tiempo T. Esto se puede considerar con más detalle en la Figura 7.

Figura 7. Fluctuaciones periódicas.

Las oscilaciones se representan en un sistema de coordenadas bidimensional: la tensión se mide a lo largo del eje de ordenadas y el tiempo se mide a lo largo del eje de abscisas. El voltaje se mide en voltios, tiempo en segundos. Para las vibraciones eléctricas, el tiempo a menudo se mide en milisegundos o microsegundos.

Además de los componentes X e Y, la forma de onda también contiene la intensidad del componente Z, o simplemente brillo (figura 8). Es ella quien enciende la viga durante el tiempo de la viga delantera y se apaga durante el tiempo del golpe de retorno. Algunos osciloscopios tienen una entrada para controlar el brillo, que se denomina entrada Z. Si aplica un voltaje de pulso desde un generador de referencia a esta entrada, puede ver etiquetas de frecuencia en la pantalla. Esto le permite medir con mayor precisión la duración de la señal a lo largo del eje X.

Figura 8. Tres componentes de la señal investigada

Los osciloscopios modernos tienen, por regla general, barridos calibrados en el tiempo que permiten una sincronización precisa. Por lo tanto, el uso de un generador externo para crear etiquetas prácticamente no es necesario.

En la parte superior de la Figura 7 hay una onda sinusoidal. Es fácil ver que comienza al comienzo del sistema de coordenadas. Durante el tiempo T (período), se realiza una oscilación completa. Entonces todo se repite, el próximo período. Tales señales se llaman periódicas.

Las señales rectangulares se muestran debajo de la onda sinusoidal: meandro y pulso rectangular. También son periódicos con el período T. La duración del pulso se denota como τ (tau). En el caso de un meandro, la duración del pulso τ es igual a la duración de la pausa entre pulsos, solo la mitad del período T. Por lo tanto, el meandro es un caso especial de una onda cuadrada.

Derecho y tasa de derecho

Para caracterizar pulsos rectangulares, se utiliza un parámetro llamado ciclo de trabajo. Esta es la relación del período de repetición de pulso T a la duración del pulso τ. Para el meandro, el ciclo de trabajo es igual a dos, - el valor no tiene dimensiones: S = T / τ.

En terminología inglesa, todo lo contrario es cierto. Allí, los pulsos se caracterizan por el ciclo de trabajo, la relación entre la duración del pulso y el período del ciclo de trabajo: D = τ / T. El factor de relleno se expresa en %%. Por lo tanto, para el meandro, D = 50%. Resulta que D = 1 / S, el ciclo de trabajo y el ciclo de trabajo son mutuamente inversos, aunque caracterizan el mismo parámetro de pulso. La forma de onda del meandro se muestra en la Figura 9.

Figura 9. Forma de onda del meandro D = 50%

Aquí, la entrada del osciloscopio está conectada a la salida del generador funcional, que se muestra inmediatamente en la esquina inferior de la figura. Y aquí un lector atento puede hacer una pregunta: “La amplitud de la señal de salida del generador de 1V, la sensibilidad de la entrada del osciloscopio es de 1V / div., Y la pantalla muestra pulsos rectangulares con una magnitud de 2V. Por qué

El hecho es que el generador funcional genera pulsos rectangulares bipolares con respecto al nivel de 0V, aproximadamente lo mismo que un sinusoide, con amplitudes positivas y negativas. Por lo tanto, se observan pulsos con un rango de ± 1V en la pantalla del osciloscopio. En la siguiente figura, cambiamos el ciclo de trabajo, por ejemplo, al 10%.

Figura 10. Momento rectangular D = 10%

Es fácil ver que el período de repetición del pulso es de 10 celdas, mientras que la duración del pulso es de solo una celda. Por lo tanto, D = 1/10 = 0.1 o 10%, como se puede ver en la configuración del generador. Si usa la fórmula para calcular el ciclo de trabajo, obtiene S = T / τ = 10/1 = 1: el valor no tiene dimensión. Aquí podemos concluir que el ciclo de trabajo caracteriza el impulso mucho más claramente que el ciclo de trabajo.

En realidad, la señal en sí se mantuvo igual que en la Figura 9: un pulso rectangular con una amplitud de 1 V y una frecuencia de 100 Hz. Solo está cambiando el factor de llenado o el ciclo de trabajo, es como si alguien fuera más familiar y conveniente. Pero para la conveniencia de la observación en la Figura 10, la duración del escaneo se reduce a la mitad en comparación con la Figura 9 y es de 1 ms / div. Por lo tanto, el período de señal toma 10 celdas en la pantalla, lo que hace que sea bastante fácil verificar que el ciclo de trabajo sea del 10%. Cuando se utiliza un osciloscopio real, la duración del barrido se selecciona aproximadamente igual.

Medición de voltaje de pulso rectangular

Como se mencionó al principio del artículo, el osciloscopio mide el voltaje, es decir. diferencia potencial entre dos puntos. Por lo general, las mediciones se toman en relación con un cable común, tierra (cero voltios), aunque esto no es necesario. En principio, es posible medir valores de señal mínimos a máximos (valor pico, pico a pico). En cualquier caso, los pasos de medición son bastante simples.

Los pulsos rectangulares suelen ser unipolares, lo cual es típico de la tecnología digital. La figura 11 muestra cómo medir el voltaje de un pulso rectangular.

Figura 11. Medida de la amplitud de un pulso rectangular

Si la sensibilidad del canal de desviación vertical es de 1V / div, entonces la figura muestra un pulso con un voltaje de 5.5V. Con una sensibilidad de 0.1V / div. El voltaje será de solo 0.5V, aunque en la pantalla ambos pulsos se ven exactamente iguales.

¿Qué más se puede ver en un impulso rectangular?

Los pulsos rectangulares que se muestran en las Figuras 9, 10 son simplemente ideales porque están sintetizados por Electronics WorkBench. Y la frecuencia del pulso es de solo 100 Hz, por lo tanto, no pueden surgir problemas con la "cuadratura" de la imagen. En un dispositivo real, a una alta tasa de repetición, los pulsos están algo distorsionados, en primer lugar, aparecen varias sobretensiones y ráfagas debido a la inductancia de instalación, como se muestra en la Figura 12.

Figura 12. Impulso Real Rectangular

Si no presta atención a tales "bagatelas", entonces el impulso rectangular se parece al que se muestra en la Figura 13.

Figura 13. Parámetros de un pulso rectangular.

La figura muestra que los bordes anterior y posterior del pulso no aparecen de inmediato, sino que tienen algunos tiempos de subida y bajada, y están algo inclinados en relación con la línea vertical. Esta pendiente se debe a las propiedades de frecuencia de los microcircuitos y transistores: cuanto mayor es el transistor de frecuencia, menos "frentes" de los pulsos. Por lo tanto, la duración del pulso está determinada por el nivel del 50% del rango completo.

Por la misma razón, la amplitud del pulso está determinada por el nivel de 10 ... 90%. La duración del pulso, así como el voltaje, se determina multiplicando el número de divisiones de la escala horizontal por el valor de división, como se muestra en la Figura 14.

Figura 14

La figura muestra un período de un pulso rectangular, ligeramente diferente del meandro: la duración de un pulso positivo es de 3.5 divisiones de la escala horizontal, y la duración de la pausa es de 3.8 divisiones. El período de repetición de pulso es de 7.3 divisiones. Tal imagen puede pertenecer a varios pulsos diferentes con diferentes frecuencias. Todo dependerá de la duración del barrido.

Suponga una duración de exploración de 1 ms / div. Entonces, el período de repetición de pulso es 7.3 * 1 = 7.3ms, que corresponde a la frecuencia F = 1 / T = 1 / 7.3 = 0.1428KHz o 143 Hz. Si la duración del escaneo es de 1 µs / div, la frecuencia será mil veces mayor, es decir, 143KHZ.

Usando los datos de la Figura 14, no es difícil calcular el ciclo de trabajo del pulso: S = T / τ = 7.3 / 3.5 = 2.0857, resulta casi como un meandro. Ciclo de trabajo ciclo de trabajo D = τ / T = 3.5 / 7.3 = 0.479 o 47.9%. Cabe señalar que estos parámetros no dependen en absoluto de la frecuencia: el ciclo de trabajo y el ciclo de trabajo se calcularon simplemente por divisiones en la forma de onda.

Con impulsos rectangulares, todo parece ser claro y simple. Pero nos olvidamos por completo de la onda sinusoidal. De hecho, lo mismo está ahí: puede medir voltajes y parámetros de tiempo. Un período de onda sinusoidal se muestra en la Figura 15.

Figura 15. Parámetros de onda sinusoidal

Obviamente, para la sinusoide que se muestra en la figura, la sensibilidad del canal de deflexión vertical es 0.5 V / div. Los parámetros restantes se pueden determinar fácilmente multiplicando el número de divisiones por 0.5V / div.

La onda sinusoidal puede ser otra, que deberá medirse con sensibilidad, por ejemplo, 5V / div. Entonces, en lugar de 1V, obtienes 10V. Sin embargo, en la pantalla, la imagen de ambas sinusoides se ve exactamente igual.

El momento de la sinusoide mostrada es desconocido. Si suponemos que la duración de la exploración es de 5 ms / div, el período será de 20 ms, que corresponde a una frecuencia de 50 Hz. Los números en grados en el eje de tiempo indican la fase de la sinusoide, aunque esto no es particularmente importante para una sola sinusoide. Más a menudo es necesario determinar el cambio de fase (directamente en milisegundos o microsegundos) al menos entre dos señales. Esto se hace mejor con un osciloscopio de dos haces. Cómo se hace esto se mostrará a continuación.

Cómo medir corriente con un osciloscopio

En algunos casos, se requiere la medición de la magnitud y la forma de la corriente. Por ejemplo, la corriente alterna que fluye a través de un condensador está por delante del voltaje en ¼ de período. Luego, se incluye una resistencia con una resistencia pequeña (décimas de Ohm) en el circuito abierto. Dicha resistencia no afecta el funcionamiento del circuito. La caída de voltaje a través de esta resistencia mostrará la forma y la magnitud de la corriente que fluye a través del condensador.

Se dispone un amperímetro de calibre similar aproximadamente de la misma manera, que se incluirá en la ruptura del circuito eléctrico. En este caso, la resistencia de medición se encuentra dentro del propio amperímetro.

El circuito para medir la corriente a través del condensador se muestra en la Figura 16.

Figura 16. Medida de corriente a través de un condensador

Una tensión sinusoidal de 50 Hz con una amplitud de 220 V desde el generador XFG1 (haz rojo en la pantalla del osciloscopio) se suministra al circuito en serie desde el condensador C1 y la resistencia de medición R1. La caída de voltaje a través de esta resistencia mostrará la forma, fase y magnitud de la corriente a través del condensador (haz azul). La figura 17 muestra cómo se verá en la pantalla del osciloscopio.

Figura 17. La corriente a través del condensador está por delante del voltaje en ¼ de período

A una frecuencia de onda sinusoidal de 50 Hz y un tiempo de exploración de 5 ms / Div, un período de onda sinusoidal toma 4 divisiones a lo largo del eje X, lo cual es muy conveniente para la observación. Es fácil ver que el rayo azul está delante del rojo exactamente 1 división a lo largo del eje X, que corresponde a ¼ del período. En otras palabras, la corriente a través del condensador está por delante del voltaje de fase, que es totalmente consistente con la teoría.

Para calcular la corriente a través del condensador, es suficiente usar la ley de Ohm: I = U / R. Cuando la resistencia de la resistencia de medición es de 0.1 Ohm, la caída de voltaje a través de ella es de 7 mV. Este es el valor de amplitud. Entonces la corriente máxima a través del condensador será 7 / 0.1 = 70mA.

Medir la forma de la corriente a través del condensador no es una tarea muy urgente, todo está claro y sin mediciones. En lugar de un condensador, puede haber cualquier carga: inductor, bobinado de motor, etapa de amplificador de transistor y mucho más. Es importante que este método se pueda utilizar para estudiar la corriente, que en algunos casos difiere significativamente en forma de voltaje.

Boris Aladyshkin