Mjerenje osciloskopa

Digitalni osciloskop je, naravno, puno savršeniji od konvencionalnog elektroničkog, omogućava vam pamćenje oblika valova, povezivanje s osobnim računalom, matematičku obradu rezultata, oznake zaslona i još mnogo toga. Ali uz sve prednosti, ovi uređaji nove generacije imaju jedan značajan nedostatak - to je visoka cijena.

Ona čini digitalni osciloskop nedostupnim u amaterske svrhe, iako postoje "džepni" osciloskopi vrijedni samo nekoliko tisuća rubalja, koji se prodaju na Aliexpressu, ali nije osobito prikladno koristiti ih. Pa, samo zanimljiva igračka. Stoga, dok ćemo govoriti o mjerenjima pomoću elektroničkog osciloskopa.

O temi odabira osciloskopa za uporabu u kućnom laboratoriju na Internetu možete pronaći dovoljan broj foruma. Bez poricanja prednosti digitalnih osciloskopa, na mnogim se forumima savjetuje da se odluče za jednostavne, male i pouzdane domaće osciloskope C1-73 i C1-101 i slično, s kojima smo se ranije susretali ovaj članak.

Po prilično pristupačnoj cijeni ovi uređaji će vam omogućiti obavljanje većine amaterskih radio zadataka. U međuvremenu, upoznajmo se s općim principima mjerenja pomoću osciloskopa.

Slika 1. Osciloskop S1-73

Što mjeri osciloskop

Izmjereni signal dovodi se na ulaz kanala vertikalnog otklona Y koji ima veliki ulazni otpor, obično 1MΩ, i mali ulazni kapacitet, ne veći od 40pF, što omogućava uvođenje minimalnog izobličenja u izmjereni signal. Ti se parametri često označavaju uz ulaz vertikalnog otklona kanala.

Slika 2. Osciloskop C1-101

Velika ulazna impedancija tipična je za voltmetre, pa je sigurno reći da osciloskop mjeri napon. Korištenje vanjskih ulaznih razdjelnika omogućuje vam smanjenje ulazne kapacitivnosti i povećanje ulazne impedance. Također smanjuje utjecaj osciloskopa na signal koji se ispituje.

Treba imati na umu da postoje posebni visokofrekventni osciloskopi, čija je ulazna impedancija samo 50 Ohma. U amaterskoj radio praksi takvi uređaji ne nalaze primjenu. Stoga ćemo se dalje usredotočiti dalje konvencionalni univerzalni osciloskopi.

Propusna širina kanala Y

Osciloskop mjeri napone u vrlo širokom rasponu: od jednosmernih napona do napona dovoljno visoke frekvencije. Zamah napona može biti vrlo raznolik, od desetaka milivolta do desetaka volti, a kada se koriste vanjski razdjelnici do nekoliko stotina volti.

Treba imati na umu da je širina pojasa kanala vertikalnog odstupanja Y db ne manje od 5 puta veća od frekvencije signala koja se mjeri. Odnosno, pojačalo vertikalnog odstupanja mora proći barem petu harmoniku ispitivanog signala. To je posebno potrebno kod proučavanja pravokutnih impulsa koji sadrže mnogo harmonika, kao što je prikazano na slici 3. Samo se u ovom slučaju na ekranu dobiva slika s minimalnim izobličenjem.

Slika 3. Sinteza pravokutnog signala iz harmonskih komponenti

Pored osnovne učestalosti, slika 3 prikazuje treću i sedmu harmoniku. Kako se harmonički broj povećava, povećava se i njegova frekvencija: frekvencija trećeg harmonika tri je puta veća od osnovne, peta harmonika je pet puta, sedma je sedam, itd. U skladu s tim, amplituda viših harmonika se smanjuje: što je veći harmonički broj, niža je i njegova amplituda. Samo ako pojačalo vertikalnog kanala bez većeg slabljenja može propustiti višu harmoniku, slika impulsa bit će pravokutna.

Slika 4 prikazuje valni oblik meandera s nedovoljnom širinom kanala Y.

Slika 4

Meander s frekvencijom od 500 KHz izgleda ovako na zaslonu OMSh-3M osciloskopa s širinom pojasa od 0 ... 25 KHz. Kao da su pravokutni impulsi prolazili kroz integrirajući RC krug. Takav osciloskop proizvela je sovjetska industrija za laboratorijski rad na satovima fizike u školama. Ni naponski napon ovog uređaja iz sigurnosnih razloga nije bio 220, nego samo 42V. Apsolutno je očito da će osciloskop s takvom širinom pojasa omogućiti promatranje signala s frekvencijama ne većim od 5 kHz s gotovo nikakvim izobličenjima.

Za uobičajeni univerzalni osciloskop širina pojasa najčešće je 5 MHz. Čak i kod takvog opsega možete vidjeti signal do 10 MHz i više, ali slika primljena na ekranu omogućuje vam da prosudite samo prisutnost ili odsutnost ovog signala. Teško će biti išta reći o njegovom obliku, ali u nekim situacijama oblik nije toliko važan: na primjer, postoji generator sinusoida i dovoljno je osigurati da li postoji taj sinusoid ili ne. Upravo takva situacija prikazana je na slici 4.

Moderni računalni sustavi i komunikacijske linije djeluju na vrlo visokim frekvencijama, u redovima stotina megaherca. Da biste vidjeli takve visokofrekventne signale, širina pojasa osciloskopa mora biti najmanje 500 MHz. Takav široki pojas stvarno "proširuje" cijenu osciloskopa.

Primjer je digitalni osciloskop U1610A koji nije prikazan na slici 5. Njegov propusni opseg iznosi 100 MHz, a cijena je gotovo 200 000 rubalja. Slažete se, ne mogu svi priuštiti kupnju tako skupog uređaja.

Slika 5

Neka čitatelj ovu sliku ne smatra reklamom, jer sve koordinate prodavatelja nisu naslikane: bilo koji sličan snimak slike mogao bi se pojaviti na mjestu ove slike.

Vrste proučavanih signala i njihovi parametri

Najčešća vrsta oscilacija u prirodi i tehnologiji je sinusoid. To je ista dugotrajna funkcija Y = sinX, koja se u školi održavala na predavanjima trigonometrije. Dosta električnih i mehaničkih procesa ima sinusoidni oblik, premda se vrlo često drugi oblici signala koriste u elektroničkoj tehnologiji. Neki od njih prikazani su na slici 6.

Slika 6. Oblici električnih vibracija

Periodični signali. Karakteristike signala

Univerzalni elektronički osciloskop omogućava vam precizno proučavanje periodičnih signala. Ako na ulazu Y pošaljete stvarni zvučni signal, na primjer, glazbeni fonogram, na ekranu će biti vidljivi nasumično treperavši snimci. Naravno, nemoguće je detaljno istražiti takav signal. U ovom će slučaju pomoći digitalni osciloskop za pohranu, koji vam omogućuje spremanje valnog oblika.

Oscilacije prikazane na slici 6 su periodične, ponavljaju se nakon određenog vremena T. To se može detaljnije razmotriti na slici 7.

Slika 7. Periodična kolebanja

Oscilacije su prikazane u dvodimenzionalnom koordinatnom sustavu: naprezanje se mjeri duž ordinalne osi, a vrijeme se mjeri duž osi apscese. Napon se mjeri u voltima, vrijeme u sekundama. Vrijeme za električne vibracije često se mjeri u milisekundama ili mikrosekundama.

Osim komponenti X i Y, valni oblik sadrži i komponentu Z - intenziteta, ili jednostavno svjetlost (slika 8). Ona se uključuje na gredu za vrijeme prednjeg snopa i gasi se za vrijeme povratnog hoda. Neki osciloskopi imaju ulaz za kontrolu svjetline, koji se naziva ulaz Z. Ako na ovaj ulaz primijenite impulsni napon iz referentnog generatora, na ekranu možete vidjeti oznake frekvencije. To vam omogućuje preciznije mjerenje trajanja signala duž osi X.

Slika 8. Tri komponente ispitivanog signala

Moderni osciloskopi u pravilu imaju vremenski kalibrirane prozore koji omogućuju precizno određivanje vremena. Stoga, korištenje vanjskog generatora za stvaranje oznaka praktički nije potrebno.

Na vrhu slike 7 je sinusni val. Lako je vidjeti da počinje na početku koordinatnog sustava. Tijekom vremena T (razdoblje) provodi se jedno cjelovito oscilacija. Tada se sve ponavlja, iduće razdoblje. Takvi se signali nazivaju periodični.

Ispod sinusnog vala prikazani su pravokutni signali: meander i pravokutni puls. Oni su također periodični s razdobljem T. Trajanje pulsa označava se s τ (tau). U slučaju meandera, trajanje impulsa τ jednako je trajanju pauze između impulsa, samo polovici razdoblja T. Stoga je meander poseban slučaj pravokutnog signala.

Stopa i dužnost

Za karakterizaciju pravokutnih impulsa koristi se parametar zvan radni ciklus. Ovo je omjer perioda T ponavljanja impulsa i trajanja impulsa τ. Za meander je radni ciklus jednak dvije, - vrijednost je bezdimenzijska: S = T / τ.

U engleskoj terminologiji vrijedi upravo obrnuto. Tamo su impulsi karakterizirani radnim ciklusom, omjerom trajanja impulsa prema radnom ciklusu: D = τ / T. Faktor ispunjavanja izražava se u %%. Dakle, za meander je D = 50%. Ispada da su D = 1 / S, radni i radni ciklus međusobno obrnuti, iako karakteriziraju isti parametar pulsa. Valni oblik meandera prikazan je na slici 9.

Slika 9. Valni oblik meandara D = 50%

Ovdje je ulaz osciloskopa spojen na izlaz funkcionalnog generatora, koji je prikazan odmah u donjem kutu slike. I ovdje pažljivi čitatelj može postaviti pitanje: "Amplituda izlaznog signala od 1V generatora, osjetljivost ulaza osciloskopa je 1 V / div., A ekran prikazuje pravokutne impulse veličine 2V. Zašto? "

Činjenica je da funkcionalni generator stvara bipolarne pravokutne impulse u odnosu na razinu 0V, približno jednake sinusoidu, s pozitivnim i negativnim amplitudama. Stoga se na zaslonu osciloskopa opažaju impulsi s rasponom ± 1V. Na sljedećoj slici mijenjamo radni ciklus, na primjer, na 10%.

Slika 10. Pravokutni moment D = 10%

Lako je vidjeti da je vrijeme ponavljanja impulsa 10 ćelija, dok je trajanje pulsa samo jedna ćelija. Dakle, D = 1/10 = 0,1 ili 10%, što se može vidjeti iz postavki generatora. Ako za formulu izračuna radnog ciklusa koristite formulu, dobićete S = T / τ = 10/1 = 1 - vrijednost je bez dimenzija. Ovdje možemo zaključiti da radni ciklus karakterizira impuls mnogo jasnije od ciklusa rada.

Zapravo je sam signal ostao isti kao na slici 9: pravokutni impuls s amplitudom od 1 V i frekvencijom od 100 Hz. Samo se faktor ispunjavanja ili radni ciklus mijenja, to je kao da je netko poznatiji i prikladniji. No, radi praktičnosti promatranja na slici 10, trajanje skeniranja prepolovljeno je u odnosu na sliku 9 i iznosi 1ms / div. Zbog toga razdoblje signala na ekranu traje 10 ćelija, što olakšava provjeru da radni ciklus iznosi 10%. Kada se koristi pravi osciloskop, trajanje metenja bira se približno isto.

Pravokutno mjerenje napona pulsa

Kao što je spomenuto na početku članka, osciloskop mjeri napon, tj. potencijalna razlika između dvije točke. Obično se mjerenja uzimaju u odnosu na zajedničku žicu, zemlju (nulti volti), iako to nije potrebno. U principu, moguće je izmjeriti od minimalne do maksimalne vrijednosti signala (vršna vrijednost, maksimum do vrha). U svakom slučaju, koraci mjerenja prilično su jednostavni.

Pravokutni impulsi najčešće su jednopolni, što je tipično za digitalnu tehnologiju. Kako izmjeriti napon pravokutnog impulsa prikazano je na slici 11.

Slika 11. Mjerenje amplitude pravokutnog impulsa

Ako je osjetljivost kanala vertikalnog odstupanja 1V / div, tada ispada da slika prikazuje impuls s naponom od 5,5 V. S osjetljivošću od 0,1 V / div. Napon će biti samo 0,5 V, iako na ekranu oba impulsa izgledaju potpuno isto.

Što se drugo može vidjeti u pravokutnom impulsu

Pravokutni impulsi prikazani na slikama 9, 10 jednostavno su idealni jer ih sintetizira Electronics WorkBench. A frekvencija impulsa je samo 100 Hz, dakle, problemi s "kvadratnošću" slike ne mogu nastati. U stvarnom uređaju, s velikom brzinom ponavljanja, impulsi su nešto iskrivljeni, prije svega, pojavljuju se različiti navale i pragovi zbog induktivnosti instalacije, kao što je prikazano na slici 12.

Slika 12. Stvarni pravokutni impuls

Ako ne obratite pažnju na takve "sitnice", tada pravokutni impuls izgleda kao onaj prikazan na slici 13.

Slika 13. Parametri pravokutnog impulsa

Na slici se vidi da se vodeći i zadnji rubovi pulsa ne pojavljuju odmah, već imaju neko vrijeme uspona i pada i pomalo su nagnuti u odnosu na okomitu liniju. Taj nagib nastaje zbog frekvencijskih svojstava mikro krugova i tranzistora: što je veći frekvencijski tranzistor, to je manje "čela" impulsa. Stoga se trajanje impulsa određuje razinom od 50% cijelog raspona.

Iz istog razloga, amplituda pulsa određena je razinom od 10 ... 90%. Trajanje impulsa, kao i napon, određuju se množenjem broja podjele vodoravne ljestvice s vrijednošću dijeljenja, kao što je prikazano na slici 14.

Slika 14.

Na slici je prikazano jedno razdoblje pravokutnog pulsa, malo različitog od meandera: trajanje pozitivnog impulsa je 3,5 podjela horizontalne ljestvice, a trajanje pauze 3,8 podjele. Razdoblje ponavljanja impulsa je 7,3 podjele. Takva slika može pripadati nekoliko različitih impulsa s različitim frekvencijama. Sve će ovisiti o trajanju brisanja.

Pretpostavimo trajanje skeniranja od 1ms / div. Tada je razdoblje ponavljanja impulsa 7,3 * 1 = 7,3 ms, što odgovara frekvenciji F = 1 / T = 1 / 7,3 = 0,1428KHz ili 143 Hz. Ako je trajanje skeniranja 1 µs / div, ispadaće da je frekvencija tisuću puta veća, naime 143KHZ.

Koristeći podatke na slici 14., nije teško izračunati radni ciklus pulsa: S = T / τ = 7,3 / 3,5 = 2,0857, ispada gotovo poput meandra. Radni ciklus radnog ciklusa D = τ / T = 3,5 / 7,3 = 0,479 ili 47,9%. Treba napomenuti da ovi parametri ni na koji način ne ovise o učestalosti: radni ciklus i radni ciklus izračunati su jednostavno odjeljenjem na valnom obliku.

Uz pravokutne impulse, čini se da je sve jasno i jednostavno. Ali potpuno smo zaboravili na sinusni val. Zapravo je ista stvar: možete mjeriti napone i vremenske parametre. Jedno sinusno razdoblje prikazano je na slici 15.

Slika 15. Parametri sinusnog vala

Očito je da je za sinusoid prikazan na slici osjetljivost vertikalnog otklona 0,5 V / div. Preostali parametri mogu se lako odrediti množenjem broja podjela sa 0,5 V / div.

Sinusni val može biti drugi, koji će se morati mjeriti osjetljivošću, na primjer, 5V / div. Tada umjesto 1V dobivate 10V. Međutim, na ekranu slika oba sinusoida izgleda potpuno isto.

Vrijeme prikazanog sinusoida nije poznato. Ako pretpostavimo da je trajanje skeniranja 5 ms / div, razdoblje će biti 20 ms, što odgovara frekvenciji od 50 Hz. Brojevi u stupnjevima na vremenskoj osi označavaju fazu sinusoida, mada to nije posebno važno za jedan sinusoid. Češće je potrebno odrediti pomak faze (izravno u milisekundama ili mikrosekundama) barem između dva signala. To je najbolje učiniti osciloskopom s dvije zrake. Kako se to radi prikazat će se u nastavku.

Kako mjeriti struju osciloskopom

U nekim je slučajevima potrebno mjerenje veličine i oblika struje. Na primjer, izmjenična struja koja teče kroz kondenzator je ispred napona od by razdoblja. Zatim se u otvoreni krug uključuje otpornik s malim otporom (desetinama Ohma). Takav otpor ne utječe na rad kruga. Pad napona preko ovog otpornika pokazat će oblik i veličinu struje koja prolazi kroz kondenzator.

Sličan mjerač ampermetra postavljen je na približno isti način, koji će biti uključen u prekid električnog kruga. U ovom se slučaju mjerni otpor nalazi unutar samog ampermetra.

Krug za mjerenje struje kroz kondenzator prikazan je na slici 16.

Slika 16. Mjerenje struje kroz kondenzator

U serijski krug iz kondenzatora C1 i mjernog otpora R1 dovodi se sinusoidni napon od 50 Hz s amplitudom 220 V od generatora XFG1 (crvena zraka na zaslonu osciloskopa). Pad napona preko ovog otpornika pokazat će oblik, fazu i jačinu struje kroz kondenzator (plava zraka). Kako će to izgledati na zaslonu osciloskopa prikazano je na slici 17.

Slika 17. Struja kroz kondenzator je ispred napona za ¼ razdoblje

Kod sinusne frekvencije od 50 Hz i vremena skeniranja od 5 ms / Div, jedno sinusno razdoblje traje 4 podjele duž osi X, što je vrlo pogodno za promatranje. Lako je vidjeti da je plava zraka ispred crvene tačno 1 podjela duž osi X, što odgovara ¼ razdoblju. Drugim riječima, struja kroz kondenzator je ispred faznog napona, što je u potpunosti u skladu s teorijom.

Za izračunavanje struje kroz kondenzator dovoljno je koristiti Ohmov zakon: I = U / R. Kada je otpor mjernog otpora 0,1 Ohm, pad napona preko njega je 7 mV. Ovo je vrijednost amplitude. Tada će maksimalna struja kroz kondenzator biti 7 / 0,1 = 70mA.

Mjerenje struje kroz kondenzator nije neki vrlo hitan zadatak, sve je jasno i bez mjerenja. Umjesto kondenzatora, može biti bilo koje opterećenje: induktor, navijanje motora, stupanj pojačavanja tranzistora i još mnogo toga. Važno je da se ova metoda može koristiti za proučavanje struje, koja se u nekim slučajevima značajno razlikuje od napona.

Boris Aladyskin