Oskilloskooppimittauksen ottaminen

Digitaalinen oskilloskooppi on tietysti paljon edistyneempi kuin tavallinen elektroninen. Sen avulla voit muistaa aaltomuodot, voi muodostaa yhteyden tietokoneeseen, sillä on tulosten matemaattinen käsittely, näyttömerkit ja paljon muuta. Mutta kaikilla eduilla näillä uuden sukupolven laitteilla on yksi merkittävä haittapuoli - tämä on korkea hinta.

Juuri hän tekee digitaalisen oskilloskoopin esteettömäksi amatööritarkoituksiin, vaikka Aliexpressissä myydään vain muutaman tuhannen ruplan arvoisia ”tasku” oskilloskooppeja, mutta niiden käyttö ei ole erityisen mukavaa. No, vain mielenkiintoinen lelu. Siksi, vaikka puhumme mittauksista sähköisen oskilloskoopin avulla.

Aiheesta, jonka mukaan oskilloskooppi valitaan käytettäväksi kotilaboratoriossa Internetissä, löytyy riittävä määrä foorumeita. Kieltämättä digitaalisten oskilloskooppien etuja, monilla foorumeilla suositellaan valitsemaan yksinkertaisia, pienikokoisia ja luotettavia kotimaisia ​​oskilloskooppeja C1-73 ja C1-101 ja vastaavia, jotka olemme aiemmin tavanneet tämä artikkeli.

Melko kohtuuhintaan nämä laitteet antavat sinun suorittaa useimmat amatööriradio-tehtävät. Sillä välin tutustutaan oskilloskooppimittauksen yleisiin mittausperiaatteisiin.

Kuva 1. Oskilloskooppi S1-73

Mitä oskilloskooppi mittaa

Mitattu signaali syötetään pystysuuntaisen taipumakanavan Y tuloon, jolla on suuri tulovastus, yleensä 1M 1, ja pieni tulokapasitanssi, enintään 40pF, mikä mahdollistaa minimaalisen vääristymisen lisäämisen mitattuun signaaliin. Nämä parametrit ilmoitetaan usein pystysuuntaisen taipumiskanavan tulon vieressä.

Kuva 2. Oskilloskooppi C1-101

Suuri tuloimpedanssi on tyypillinen voltmetrille, joten on turvallista sanoa, että oskilloskooppi mittaa jännitettä. Ulkoisten tuloerottimien avulla voit vähentää tulokapasitanssia ja lisätä tuloimpedanssia. Se vähentää myös oskilloskoopin vaikutusta tutkittavaan signaaliin.

On muistettava, että on olemassa erityisiä korkeataajuisia oskilloskooppeja, joiden tuloimpedanssi on vain 50 ohmia. Amatööriradioharjoittelussa tällaiset laitteet eivät löydä sovellusta. Siksi keskitymme edelleen tavanomaiset yleiset oskilloskoopit.

Kanavan Y kaistanleveys

Oskilloskooppi mittaa jännitteitä erittäin laajalla alueella: tasajännitteistä riittävän korkean taajuuden jännitteisiin. Jännitevaihtelu voi olla melko monipuolinen kymmenistä millivoltteista kymmeniin volteihin ja ulkoisia jakajia käytettäessä useisiin satoihin volteihin.

On pidettävä mielessä, että pystysuuntaisen poikkeaman Y db kanavan kaistanleveys vähintään 5 kertaa korkeampi kuin mitattavan signaalin taajuus. Toisin sanoen pystysuuntaisen poikkeaman vahvistimen on läpäistävä vähintään tutkittavan signaalin viides harmoninen. Tämä on erityisen välttämätöntä tutkittaessa suorakulmaisia ​​pulsseja, jotka sisältävät monia harmonisia, kuten kuvassa 3 näytetään. Vain tässä tapauksessa näytölle saadaan kuva, jolla on minimaalinen vääristymä.

Kuva 3. Suorakulmaisen signaalin synteesi harmonisista komponenteista

Perustaajuuden lisäksi kuvassa 3 on esitetty kolmas ja seitsemäs harmoniset. Kun harmoninen luku kasvaa, sen taajuus kasvaa: kolmannen harmonisen taajuus on kolme kertaa suurempi kuin perus, viides harmoninen on viisi kertaa, seitsemäs on seitsemän jne. Siksi korkeampien harmonisten amplitudi pienenee: mitä suurempi harmoninen luku, sitä pienempi on sen amplitudi. Vain jos pystysuoran kanavan vahvistin ilman suurta vaimennusta voi mennä korkeampiin harmonisiin, pulssin kuva on suorakaiteen muotoinen.

Kuvio 4 näyttää mutterin aaltomuodon, jolla kanavan Y kaistanleveys on riittämätön.

Kuvio 4

500 KHz: n taajuusväylä näyttää noin tältä OMSh-3M-oskilloskoopin näytöllä, jonka kaistanleveys on 0 ... 25 KHz. Ikään kuin suorakulmaiset pulssit olisivat kulkeneet integroivan RC-piirin läpi. Neuvostoliiton teollisuus tuotti tällaisen oskilloskoopin laboratoriotöihin koulujen fysiikan oppitunneilla. Jopa tämän laitteen syöttöjännite turvallisuussyistä ei ollut 220, vaan vain 42 V. On ehdottoman selvää, että sellaisella kaistanleveydellä varustetulla oskilloskoopilla voidaan havaita signaali, jonka taajuudet ovat enintään 5 kHz, melkein ilman vääristymiä.

Tavanomaisessa yleisessä oskilloskoopissa kaistanleveys on useimmiten 5 MHz. Jopa sellaisella kaistalla voit nähdä 10 MHz: n tai sitä korkeamman signaalin, mutta näytöltä vastaanotetun kuvan avulla voidaan arvioida vain tämän signaalin esiintyminen tai puuttuminen. Sen muodosta on vaikea sanoa mitään, mutta joissakin tilanteissa muoto ei ole niin tärkeä: esimerkiksi on olemassa siniaaltogeneraattori, ja se riittää vain varmistaaksemme, että tämä siniaalto on vai ei. Juuri tällainen tilanne on esitetty kuvassa 4.

Nykyaikaiset laskentajärjestelmät ja viestintälinjat toimivat erittäin korkeilla taajuuksilla, satojen megahertsien luokkaa. Tällaisten korkeataajuisten signaalien näyttämiseksi oskilloskoopin kaistanleveyden on oltava vähintään 500 MHz. Tällainen laajakaista todella "laajentaa" oskilloskoopin hintaa.

Esimerkki on digitaalinen oskilloskooppi U1610A, jota ei ole esitetty kuvassa 5. Sen kaistanleveys on 100 MHz ja hinta on melkein 200 000 ruplaa. Hyväksy, kaikilla ei ole varaa ostaa niin kalliita laitteita.

Kuvio 5

Älkää lukijan pitäkö tätä kuvaa mainosena, koska kaikki myyjän koordinaatit eivät ole maalattu: samanlainen kuvakaappaus saattaa ilmestyä kuvan sijaan.

Tutkittujen signaalien tyypit ja niiden parametrit

Luonnossa ja tekniikassa yleisin värähtelytyyppi on sinimuoto. Tämä on sama pitkäikäinen funktio Y = sinX, jota pidettiin koulussa trigonometrian tunneissa. Melko monilla sähköisillä ja mekaanisilla prosesseilla on sinimuotoinen muoto, vaikka sähköisessä tekniikassa käytetään melko usein muita signaalimuotoja. Jotkut niistä on esitetty kuvassa 6.

Kuva 6. Sähköisen tärinän muodot

Määräaikaiset signaalit. Signaalin ominaisuudet

Universaalin elektronisen oskilloskoopin avulla voit tutkia ajoittaisia ​​signaaleja tarkasti. Jos tulosignaalissa Y lähetät todellisen äänisignaalin, esimerkiksi musiikillisen äänitteen, niin satunnaisesti vilkkuvat purskeet näkyvät näytöllä. Luonnollisesti on mahdotonta tutkia tällaista signaalia yksityiskohtaisesti. Tällöin auttaa digitaalisen tallennusoskilloskoopin käyttö, jonka avulla voit tallentaa aaltomuodon.

Kuviossa 6 esitetyt värähtelyt ovat jaksollisia, toistuvia tietyn ajanjakson T jälkeen. Tätä voidaan tarkastella yksityiskohtaisemmin kuviossa 7.

Kuva 7. Määräaikaiset vaihtelut

Värähtelyt on esitetty kaksiulotteisessa koordinaattijärjestelmässä: jännitys mitataan ordinaattiakselia pitkin ja aika mitataan abskissa-akselilla. Jännite mitataan volteissa, aika sekunteina. Sähköisten värähtelyjen osalta aika mitataan usein millisekunnissa tai mikrosekunnissa.

Komponenttien X ja Y lisäksi aaltomuoto sisältää myös komponentin Z - intensiteetin tai yksinkertaisesti kirkkaus (kuva 8). Se on hän, joka kytkee palkin päälle palkin eteenpäin suuntautuvan iskun ajaksi ja sammuu paluutahdin ajaksi. Joillakin oskilloskoopeilla on kirkkauden säätämiseen tarkoitettu tulo, jota kutsutaan tuloksi Z. Jos lisäät tähän tuloon pulssijännitteen referenssigeneraattorista, näet taajuusmerkinnät ruudulla. Tämän avulla voit laskea signaalin keston tarkemmin X-akselilla.

Kuva 8. Tutkitun signaalin kolme komponenttia

Nykyaikaisissa oskilloskoopeissa on yleensä aikakalibroidut pyyhkäisyt, jotka mahdollistavat tarkan ajoituksen. Siksi ulkoisen generaattorin käyttäminen tagien luomiseen ei ole käytännössä välttämätöntä.

Kuvion 7 yläosassa on siniaalto. On helppo nähdä, että se alkaa koordinaattijärjestelmän alusta. Aikana T (jakso) suoritetaan yksi täydellinen värähtely. Sitten kaikki toistuu, seuraava ajanjakso. Sellaisia ​​signaaleja kutsutaan jaksollisiksi.

Suorakulmaiset signaalit esitetään siniaaltoalueen alapuolella: mutkikas ja suorakulmainen pulssi. Ne ovat myös jaksollisia jakson T. kanssa. Pulssin kestoa merkitään nimellä τ (tau). Kiertäjän tapauksessa pulssin kesto τ on yhtä suuri kuin pulssien välisen tauon kesto, vain puolet jaksosta T. Tästä syystä mutkikone on suorakaiteen signaalin erikoistapaus.

Tulli ja tulli

Suorakulmaisten pulssien karakterisoimiseksi käytetään parametria, jota kutsutaan työsykliksi. Tämä on pulssin toistojakson T suhde pulssin kestoon τ. Kierteellä työsykli on yhtä suuri kuin kaksi, - arvo on ulottumaton: S = T / τ.

Englanninkielisessä terminologiassa päinvastoin. Siellä pulsseille on ominaista käyttöjakso, pulssin keston suhde käyttöjakson ajanjaksoon: D = τ / T. Täyttökerroin ilmaistaan%%. Siten mutkikolle, D = 50%. Osoittautuu, että D = 1 / S, käyttöjakso ja työsykli ovat keskenään käänteisiä, vaikkakin ne kuvaavat samaa pulssiparametria. Kiertyvän aaltomuoto on esitetty kuvassa 9.

Kuva 9. Kiertyvän aaltomuoto D = 50%

Täällä oskilloskoopin tulo on kytketty funktionaalisen generaattorin lähtöön, esitetty tässä kuvion alakulmassa. Ja tässä tarkkaavainen lukija voi esittää kysymyksen: ”1 V: n generaattorin lähtösignaalin amplitudi, oskilloskoopin tulon herkkyys on 1 V / div., Ja näytössä näkyy suorakulmaisia ​​pulsseja, joiden suuruus on 2 V. Miksi? "

Tosiasia on, että funktionaalinen generaattori tuottaa bipolaarisia suorakaiteen muotoisia pulsseja suhteessa 0V: n tasoon, suunnilleen sama kuin sinimuotoinen, positiivisilla ja negatiivisilla amplitudilla. Siksi pulsseja, joiden etäisyys on ± 1 V, havaitaan oskilloskooppinäytöllä. Seuraavassa kuvassa muutamme käyttöjakson esimerkiksi 10%: iin.

Kuva 10. Suorakulmainen liikemäärä D = 10%

On helppo nähdä, että pulssin toistoaika on 10 solua, kun taas pulssin kesto on vain yksi solu. Siksi D = 1/10 = 0,1 tai 10%, kuten voidaan nähdä generaattorin asetuksista. Jos käytät laskentakaavaa käyttöjakson laskemiseen, saat arvon S = T / τ = 10/1 = 1 - arvo on mitaton. Täältä voidaan päätellä, että työsykli luonnehtii impulssia paljon selkeämmin kuin työsykli.

Itse asiassa itse signaali pysyi samana kuin kuviossa 9: suorakulmainen pulssi, jonka amplitudi on 1 V ja taajuus 100 Hz. Vain täyttökerroin tai työjakso muuttuu, se on kuin joku olisi tutumpi ja kätevämpi. Mutta havainnoinnin helpottamiseksi kuviossa 10 skannauksen kesto puolittuu kuvioon 9 verrattuna ja on 1 ms / div. Siksi signaalijakso vie 10 solua näytöllä, mikä tekee melko helpoksi tarkistaa, että käyttöjakso on 10%. Käytettäessä todellista oskilloskooppia pyyhkäisyn kesto valitaan suunnilleen sama.

Suorakulmaisen pulssijännitteen mittaus

Kuten artikkelin alussa mainittiin, oskilloskooppi mittaa jännitettä, ts. potentiaaliero kahden pisteen välillä. Tyypillisesti mittaukset tehdään suhteessa yhteiseen johtoon, maadoitettuun (nolla volttia), vaikka tämä ei ole välttämätöntä. Periaatteessa on mahdollista mitata signaalin minimistä maksimiin (maksimiarvo, huipusta huippuun). Joka tapauksessa mittausvaiheet ovat melko yksinkertaisia.

Suorakulmaiset pulssit ovat useimmiten yksinapaisia, mikä on tyypillistä digitaalitekniikalle. Kuvassa 11 on esitetty kuinka suorakulmaisen pulssin jännitettä mitata.

Kuva 11. Suorakulmaisen pulssin amplitudin mittaus

Jos pystysuoran poikkeamakanavan herkkyys on 1 V / div, niin käy ilmi, että kuvassa on pulssi, jonka jännite on 5,5 V. Herkkyydellä 0,1 V / div. Jännite on vain 0,5 V, vaikka näytöllä molemmat pulssit näyttävät täsmälleen samalta.

Mitä muuta voidaan nähdä suorakulmaisessa impulssissa

Kuvioissa 9, 10 esitetyt suorakulmaiset pulssit ovat yksinkertaisesti ihanteellisia, koska niitä syntetisoi Electronics WorkBench. Ja pulssitaajuus on vain 100 Hz, siksi ongelmia kuvan "neliöllisyydessä" ei voi syntyä. Oikeassa laitteessa, suurella toistotaajuudella, pulssit ovat jonkin verran vääristyneitä, ensinnäkin, erilaiset nousut ja purskeet ilmestyvät asennuksen induktanssin vuoksi, kuten kuviossa 12 esitetään.

Kuva 12. Todellinen suorakulmainen impulssi

Jos et kiinnitä huomiota sellaisiin "hiukan", suorakulmainen impulssi näyttää kuvan 13 mukaiselta.

Kuva 13. Suorakulmaisen pulssin parametrit

Kuvio osoittaa, että pulssin etupuolet ja takareunat eivät näy heti, mutta niillä on jonkin verran nousua ja laskua, ja ne ovat jonkin verran kaltevia pystysuoraan nähden. Tämä kaltevuus johtuu mikroskooppipiirien ja transistorien taajuusominaisuuksista: mitä korkeampi korkeataajuinen transistori, sitä vähemmän pulssien "rintama". Siksi pulssin kesto määritetään 50%: n tasolla koko alueelta.

Samasta syystä pulssin amplitudi määritetään tasolla 10 ... 90%. Pulssin kesto samoin kuin jännite määritetään kertomalla vaaka-asteikon jakojen lukumäärä jakoarvolla, kuten kuvassa 14 esitetään.

Kuvio 14.

Kuvio näyttää yhden suorakulmaisen pulssijakson, hieman erilainen kuin mutkikkaalla: Positiivisen pulssin kesto on 3,5 vaaka-asteikon jakoa ja tauon kesto on 3,8 jakoa. Pulssin toistoaika on 7,3 jakoa. Tällainen kuva voi kuulua useisiin eri pulsseihin, joilla on eri taajuudet. Kaikki riippuu pyyhkäisyn kestosta.

Oletetaan, että skannauksen kesto on 1 ms / div. Sitten pulssin toistoaika on 7,3 * 1 = 7,3 ms, mikä vastaa taajuutta F = 1 / T = 1 / 7,3 = 0,1428 KHz tai 143 Hz. Jos skannauksen kesto on 1 µs / div, niin taajuus osoittautuu tuhat kertaa korkeammaksi, nimittäin 143KHZ.

Kuvan 14 tietoja käyttämällä ei ole vaikeaa laskea pulssin toimintajaksoa: S = T / τ = 7,3 / 3,5 = 2,0857, se osoittautuu melkein mutkikkaana. Käyttösyklin käyttöjakso D = τ / T = 3,5 / 7,3 = 0,479 tai 47,9%. On huomattava, että nämä parametrit eivät ole mitenkään riippuvaisia ​​taajuudesta: käyttöjakso ja työsykli laskettiin yksinkertaisesti jakautumalla aaltomuodossa.

Suorakulmaisilla impulsseilla kaikki näyttää olevan selkeää ja yksinkertaista. Mutta unohdimme siniaallon kokonaan. Itse asiassa sama asia on siellä: voit mitata jännitteitä ja aikaparametreja. Yksi siniaaltojaksosta on esitetty kuvassa 15.

Kuva 15. Siniaaltoparametrit

On selvää, että kuviossa esitetyllä sinusoidilla pystysuuntaisen taipumiskanavan herkkyys on 0,5 V / div. Jäljelle jäävät parametrit voidaan helposti määrittää kertomalla jakojen lukumäärä 0,5 V / div.

Siniaalto voi olla toinen, joka on mitattava herkkyydellä, esimerkiksi 5 V / div. Sitten 1 V: n sijasta saat 10 V. Näytöllä molemmat sinimuotoiset kuvat näyttävät kuitenkin täsmälleen samoilta.

Esitetyn sinusoidin ajoitus ei ole tiedossa. Jos oletetaan, että skannauksen kesto on 5 ms / div, ajanjakso on 20 ms, joka vastaa 50 Hz: n taajuutta. Aika-akselilla asteina ilmaistut luvut ilmaisevat sinusoidin vaiheen, vaikka tämä ei ole erityisen tärkeää yksittäisen sinusoidin suhteen. Useammin on tarpeen määrittää vaihesiirto (suoraan millisekunnissa tai mikrosekunnissa) ainakin kahden signaalin välillä. Tämä tehdään parhaiten kaksisäteisellä oskilloskoopilla. Kuinka tämä tapahtuu, näytetään alla.

Kuinka mitata virtaa oskilloskoopilla

Joissakin tapauksissa virran suuruus ja muoto on mitattava. Esimerkiksi kondensaattorin läpi virtaava vaihtovirta ylittää jännitteen ¼ jaksolla. Sitten vastus, jolla on pieni vastus (kymmenesosa ohmista), sisältyy avoimeen piiriin. Tällainen vastus ei vaikuta piirin toimintaan. Jännitteen pudotus tämän vastuksen läpi näyttää kondensaattorin läpi virtaavan virran muodon ja suuruuden.

Samanlainen mittarimittari on järjestetty suunnilleen samalla tavalla, mikä otetaan huomioon sähköpiirin katkeamisessa. Tässä tapauksessa mittausvastus sijaitsee itse ampeerimittarin sisällä.

Piiri virran mittaamiseksi kondensaattorin läpi on esitetty kuvassa 16.

Kuva 16. Virranmittaus kondensaattorin kautta

Sarjapiiriin syötetään 50 Hz: n sinimuotoinen jännite, jonka amplitudi on 220 V XFG1-generaattorista (punainen säde oskilloskoopin näytöllä) kondensaattorista C1 ja mittausvastuksesta R1. Jännitteen pudotus tämän vastuksen läpi näyttää kondensaattorin läpi kulkevan virran muodon, vaiheen ja suuruuden (sininen säde). Kuinka se näyttää oskilloskooppinäytöltä, on esitetty kuvassa 17.

Kuva 17. Kondensaattorin läpi kulkeva virta on ennen jännitettä ¼ jaksolla

Siniaallon taajuudella 50 Hz ja skannausajalla 5 ms / Div, yksi siniaaltojakso vie 4 jakoa X-akselia pitkin, mikä on erittäin kätevä havainnointia varten. On helppo nähdä, että sininen säde on punaista eteenpäin tarkalleen 1 jaolla X-akselia pitkin, mikä vastaa ¼ jaksoa. Toisin sanoen kondensaattorin läpi kulkeva virta ylittää vaihejännitteen, joka on täysin yhdenmukainen teorian kanssa.

Kondensaattorin läpi kulkevan virran laskemiseksi riittää, että käytetään Ohmin lakia: I = U / R. Kun mittausvastuksen resistanssi on 0,1 ohmia, jännitteen pudotus sen yli on 7 mV. Tämä on amplitudiarvo. Silloin maksimivirta kondensaattorin läpi on 7 / 0,1 = 70mA.

Virran muodon mittaaminen kondensaattorin kautta ei ole kovin kiireellinen tehtävä, täällä kaikki on selvää ja ilman mittauksia. Kondensaattorin sijaan voi olla mitä tahansa kuormaa: IC, moottorikäämitys, transistorivahvistinvaihe ja paljon muuta. On tärkeää, että tätä menetelmää voidaan käyttää virran, joka eräissä tapauksissa eroaa muodoltaan merkittävästi jännitteestä, tutkimiseksi.

Boris Aladyshkin