Oszcilloszkópmérés elvégzése

A digitális oszcilloszkóp természetesen sokkal tökéletesebb, mint a hagyományos elektronikus, ez lehetővé teszi a hullámformák megjegyezését, a számítógéphez való csatlakoztatást, az eredmények matematikai feldolgozását, képernyőjelölőket és még sok minden mást. De az összes előnye mellett ezeknek az új generációs eszközöknek egy jelentős hátránya van - ez a magas ár.

Ő teszi a digitális oszcilloszkópot amatőr célokra elérhetetlenné, bár vannak néhány ezer rubel értékű „zseb” oszcilloszkópok, amelyeket az Aliexpress-en adnak el, de ezek használata nem különösebben kényelmes. Nos, csak egy érdekes játék. Ezért, míg elektronikus mérőoszlop segítségével mérésekről beszélünk.

Az otcilloszkóp otthoni laboratóriumi használatra történő kiválasztásáról az interneten elegendő fórumot találhat. Anélkül, hogy tagadnánk a digitális oszcilloszkópok előnyeit, sok fórumon javasoljuk az egyszerű, kicsi és megbízható C1-73 és C1-101 oszcilloszkópok és hasonlók választását, amelyekkel korábban találkoztunk ez a cikk.

Meglehetősen megfizethető áron ezek az eszközök lehetővé teszik a legtöbb amatőr rádiós feladat elvégzését. Addig ismerkedjünk meg az oszcilloszkóppal végzett mérések általános elveivel.

1. ábra: S1-73 oszcilloszkóp

Mit mér egy oszcilloszkóp?

A mért jelet az Y függőleges eltérítési csatorna bemenetére táplálják, amelynek nagy bemeneti ellenállása, általában 1MΩ, és kicsi, legfeljebb 40pF bemeneti kapacitása, amely minimális torzítást eredményez a mért jelben. Ezeket a paramétereket gyakran a függőleges eltérítő csatorna bemenete mellett jelzik.

2. ábra: C1-101 oszcilloszkóp

A magas bemeneti impedancia jellemző a voltmérőkre, tehát biztonságos azt mondani, hogy az oszcilloszkóp méri a feszültséget. A külső bemeneti elválasztók használata lehetővé teszi a bemeneti kapacitás csökkentését és a bemeneti impedancia növelését. Emellett csökkenti az oszcilloszkóp hatását a vizsgált jelre.

Emlékeztetni kell arra, hogy vannak speciális nagyfrekvenciás oszcilloszkópok, amelyek bemeneti impedanciája csak 50 Ohm. Az amatőr rádió gyakorlatban az ilyen eszközök nem találnak alkalmazást. Ezért tovább koncentrálunk hagyományos univerzális oszcilloszkópok.

Y-csatorna sávszélessége

Az oszcilloszkóp a feszültségeket nagyon széles tartományban méri: az egyenfeszültségektől a kellően magas frekvenciáig. A feszültségingadozás meglehetõsen változatos lehet, tíz millivolt és tíz volt között, és akár több száz voltig terjedõ külsõ elválasztók használata esetén.

Ne feledje, hogy az Y db függőleges eltérés csatorna sávszélessége legalább öt alkalommal meghaladja a mért jel frekvenciáját. Vagyis a függőleges eltérés erősítőjének át kell haladnia a vizsgált jel legalább ötödik harmonikusát. Ez különösen akkor szükséges, ha téglalap alakú impulzusokat tanulmányoznak, amelyek sok harmonikát tartalmaznak, amint az a 3. ábrán látható. Csak ebben az esetben a képernyőn minimális torzítású kép érhető el.

3. ábra: Téglalap alakú jel szintézise harmonikus komponensekből

Az alapfrekvencián kívül a 3. ábra a harmadik és hetedik harmonikusokat is mutatja. A harmonikus szám növekedésével frekvenciája növekszik: a harmadik harmonikus frekvenciája háromszor nagyobb, mint az alapvető, az ötödik harmonikus ötszörös, a hetedik hét, stb. Ennek megfelelően a magasabb harmonikusok amplitúdója csökken: minél nagyobb a harmonikus szám, annál alacsonyabb az amplitúdója. Csak akkor, ha a függőleges csatorna erősítője nagymértékű csillapítás nélkül elhagyhatja a magasabb harmonikusokat, az impulzus képe téglalap alakú lesz.

A 4. ábra egy olyan kanyar hullámformáját mutatja, amelynek Y csatorna sávszélessége elégtelen.

4. ábra

Az 500 KHz-es frekvenciájú kanyarodó úgy néz ki, mint egy 0 ... 25 KHz sávszélességű OMSh-3M oszcilloszkóp képernyőjén. Mintha a téglalap alakú impulzusok átmentek volna egy integráló RC áramkörön. Egy ilyen oszcilloszkópot a szovjet ipar gyártott laboratóriumi munkára az iskolák fizikaóráin. A készülék biztonsági okokból még a tápfeszültsége sem 220, hanem csak 42 V volt. Teljesen nyilvánvaló, hogy egy ilyen sávszélességű oszcilloszkóp lehetővé teszi a legfeljebb 5 kHz frekvenciájú jel megfigyelését szinte torzítás nélkül.

Hagyományos univerzális oszcilloszkóp esetén a sávszélesség leggyakrabban 5 MHz. Még egy ilyen sávban is láthat egy 10 MHz-es vagy annál magasabb jelet, de a képernyőn kapott kép lehetővé teszi, hogy csak a jel jelenlétét vagy hiányát megítélje. Nehéz lesz mondani valamit a formájáról, de bizonyos helyzetekben a forma nem olyan fontos: például van egy szinuszos generátor, és elegendő annak ellenőrzése, hogy van-e ez a szinuszos vagy sem. Éppen egy ilyen helyzetet mutat a 4. ábra.

A modern számítástechnikai rendszerek és kommunikációs vonalak nagyon magas frekvencián működnek, több száz megahertz nagyságrendben. Az ilyen magas frekvenciájú jelek megtekintéséhez az oszcilloszkóp sávszélességének legalább 500 MHz-nek kell lennie. Egy ilyen széles sáv valóban „kibővíti” az oszcilloszkóp árát.

Példa erre az 5. ábrán nem látható U1610A digitális oszcilloszkóp. Sávszélessége 100 MHz, és ára szinte 200 000 rubel. Egyetértek azzal, hogy nem mindenki engedheti meg magának, hogy ilyen drága készüléket vásároljon.

5. ábra

Hagyja, hogy az olvasó ne tekintse ezt a képet reklámnak, mivel az eladó összes koordinátája nincs átfestve: a kép helyén bármilyen hasonló képernyőkép megjelenhet.

A vizsgált jelek típusai és paraméterei

A természetben és a technológiában a leggyakoribb oszcilláció a sinusoid. Ez ugyanaz a hosszú szenvedésű Y = sinX függvény, amelyet az iskolában tartottak a trigonometria óráin. Elég sok elektromos és mechanikus eljárás szinuszos alakú, bár az elektronikus technológiában gyakran más típusú jeleket használnak. Néhányat a 6. ábra szemlélteti.

6. ábra. Az elektromos rezgések formái

Időszakos jelek. Jeljellemzők

Az univerzális elektronikus oszcilloszkóp lehetővé teszi az időszakos jelek pontos tanulmányozását. Ha az Y bemeneten valódi hangjelet küld, például egy zenei fonogramot, akkor véletlenszerűen villogó sorozat látható a képernyőn. Természetesen lehetetlen ilyen jelet részletesen megvizsgálni. Ebben az esetben segít egy digitális tároló oszcilloszkóp használata, amely lehetővé teszi a hullámforma mentését.

A 6. ábrán bemutatott rezgések periódikusak, egy meghatározott T időtartam után ismétlődnek. Ezt a 7. ábrán részletesebben meg lehet vizsgálni.

7. ábra: Periodikus ingadozások

Az oszcillációk kétdimenziós koordinátarendszerben vannak ábrázolva: a stresszt a ordináta tengelye mentén, az időt az abszcissza tengely mentén mérjük. A feszültséget feszültségben mérik, az időt másodpercben mérik. Az elektromos rezgéseknél az időt gyakran milliszekundumban vagy mikrosekundumban mérik.

Az X és Y komponenseken kívül a hullámforma Z komponens intenzitást is tartalmaz, vagy egyszerűen fényesség (8. ábra). Ő az, aki bekapcsolja a gerendát a gerenda előremeneti löketének ideje alatt, és a visszatérő löket idejekor kialszik. Néhány oszcilloszkópnak van egy bemenete a fényerő szabályozására, amelyet Z bemenetnek hívnak. Ha impulzus feszültséget ad egy referenciagenerátorról erre a bemenetre, láthatja a frekvenciacímkéket a képernyőn. Ez lehetővé teszi a jel időtartamának pontosabb mérését az X tengely mentén.

8. ábra. A vizsgált jel három komponense

A modern oszcilloszkópok rendszerint olyan időkalibrált söprőkkel rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik a pontos időzítést. Ezért gyakorlatilag nem szükséges egy külső generátor használata címkék létrehozásához.

A 7. ábra tetején egy szinuszhullám látható. Könnyű belátni, hogy a koordináta-rendszer elején kezdődik. A T (periódus) alatt egy teljes rezgést hajtunk végre. Aztán minden megismétlődik, a következő időszakban. Az ilyen jeleket periodikusnak nevezzük.

A téglalap alakú jeleket a szinuszhullám alatt látjuk: kanyargós és téglalap alakú impulzusok. Periódikusak a T periódussal is. Az impulzus időtartamát τ (tau) -nak kell jelölni. A meander esetében a τ impulzus időtartama megegyezik az impulzusok közötti szünet időtartamával, csak a T. periódusának felével. Ezért a meander egy téglalap alakú jel különleges esete.

Duty and Duty Rate

A téglalap alakú impulzusok jellemzésére egy, a ciklusnak nevezett paramétert kell használni. Ez a T impulzus ismétlési periódus és a τ impulzus időtartamának aránya. A kanyargók esetében a munkaciklus kettővel egyenlő, - az érték dimenzió nélküli: S = T / τ.

Az angol terminológiában éppen ellenkezőleg igaz. Itt az impulzusokat a működési ciklus jellemzi, az impulzus időtartamának a kötelező ciklus periódusához viszonyított aránya: D = τ / T. A kitöltési tényezőt% -ban fejezik ki. Így a kanyargókhoz D = 50%. Kiderült, hogy D = 1 / S, a működési ciklus és a ciklus kölcsönösen inverz, bár ugyanazt az impulzusparamétert jellemzik. A kanyaró hullámformáját a 9. ábra mutatja.

9. ábra: A kanyar hullámforma D = 50%

Az oszcilloszkóp bemenete itt kapcsolódik a funkcionális generátor kimenetéhez, amelyet közvetlenül az ábra alsó sarkában mutatunk be. És itt egy figyelmes olvasó kérdést tehet fel: „Az 1 V-os generátor kimeneti jelének amplitúdója, az oszcilloszkóp bemenetének érzékenysége 1 V / div. Miért? "

A helyzet az, hogy a funkcionális generátor bipoláris téglalap alakú impulzusokat generál a 0V szinthez viszonyítva, nagyjából ugyanolyan, mint a szinuszhullám, pozitív és negatív amplitúdóval. Ezért az oszcilloszkóp képernyőn ± 1 V tartományú impulzusokat kell megfigyelni. A következő ábrán például a működési ciklust 10% -ra változtatjuk.

10. ábra. Téglalap alakú lendület D = 10%

Könnyű belátni, hogy az impulzus ismétlési periódusa 10 cella, míg az impulzus időtartama csak egy cella. Ezért D = 1/10 = 0,1 vagy 10%, amint az a generátor beállításaiból látható. Ha a képletet használja a működési ciklus kiszámításához, akkor S = T / τ = 10/1 = 1 - az érték dimenzió nélküli. Megállapíthatjuk, hogy a teherciklus sokkal tisztábban jellemzi az impulzust, mint a teherciklus.

Valójában maga a jel ugyanaz maradt, mint a 9. ábrán: téglalap alakú impulzus 1 V amplitúdóval és 100 Hz frekvenciával. Csak a töltési tényező vagy a munkaciklus változik, mintha valaki ismerősebb és kényelmesebb. A 10. ábrán szereplő megfigyelés kényelme érdekében azonban a letapogatás időtartama felére csökkent, mint a 9. ábra, és 1ms / div. Ezért a jelzési idő 10 cellát vesz a képernyőn, ami meglehetősen könnyű ellenőrizni, hogy a munkaciklus 10%. Valódi oszcilloszkóp használatakor a sweep időtartamát körülbelül azonos módon kell kiválasztani.

Téglalap alakú impulzus feszültség mérése

Mint a cikk elején említettük, az oszcilloszkóp méri a feszültséget, azaz potenciális különbség két pont között. A méréseket általában egy közös vezeték földelésével (nulla volt) végezzük, bár erre nincs szükség. Elvileg meg lehet mérni a minimális és a maximális jel értékeket (csúcsérték, csúcs-csúcs). A mérési lépések mindenképpen meglehetősen egyszerűek.

A téglalap alakú impulzusok leggyakrabban egypólusúak, ami jellemző a digitális technológiára. A téglalap alakú impulzus feszültségének mérése a 11. ábrán látható.

11. ábra: A téglalap alakú impulzus amplitúdójának mérése

Ha a függőleges eltérési csatorna érzékenysége 1 V / div, akkor kiderül, hogy az ábra egy 5,5 V feszültségű impulzust mutat. 0,1 V / div érzékenységgel. A feszültség csak 0,5 V lesz, bár a képernyőn mindkét impulzus pontosan azonos.

Mi látható még egy téglalap alakú impulzusban

A 9., 10. ábrán látható téglalap alakú impulzusok egyszerűen ideálisak, mivel ezeket az Electronics WorkBench szintetizálja. És az impulzusfrekvencia csak 100 Hz, ezért a kép "négyzetével" nem merülhetnek fel problémák. Valódi eszközben, magas ismétlési sebességgel, az impulzusok némileg torzulnak, mindenekelőtt a telepítési induktivitás miatt különféle hullámok és frekvenciák lépnek fel, amint azt a 12. ábra mutatja.

12. ábra. Valós téglalap alakú impulzus

Ha nem veszi figyelembe az ilyen "apróságokat", akkor a téglalap alakú impulzus a 13. ábrán láthatóhoz hasonló.

13. ábra: A téglalap alakú impulzus paraméterei

Az ábra azt mutatja, hogy az impulzus vezető és hátsó széle nem jelenik meg azonnal, hanem némi emelkedési és esési idővel rendelkezik, és kissé ferde a függőleges vonalhoz képest. Ez a lejtés a mikroáramkörök és tranzisztorok frekvenciatulajdonságainak tudható be: minél magasabb a frekvencia-tranzisztor, annál kevesebb az impulzus „frontja”. Ezért az impulzus időtartamát a teljes tartomány 50% -a határozza meg.

Ugyanezen okból az impulzus amplitúdóját a 10 ... 90% szint határozza meg. Az impulzus időtartamát, valamint a feszültséget úgy határozzuk meg, hogy a vízszintes skála megosztásainak számát megszorozzuk az osztási értékkel, ahogy a 14. ábra mutatja.

14. ábra

Az ábra egy téglalap alakú impulzus egy periódusát mutatja, kissé különbözik a kanyarodástól: a pozitív impulzus időtartama a vízszintes skála 3,5 osztása, a szünet időtartama 3,8. Az impulzus ismétlési periódus 7,3 osztás. Egy ilyen kép több különböző impulzushoz tartozhat, különböző frekvenciával. Minden attól függ, hogy mennyi ideig tart a söpörés.

Tegyük fel, hogy a szkennelés időtartama 1ms / div. Ezután az impulzus ismétlési periódus 7,3 * 1 = 7,3 ms, amely megfelel az F = 1 / T = 1 / 7,3 = 0,1428KHz vagy 143 Hz frekvenciának. Ha a letapogatás időtartama 1 µs / div, akkor a frekvencia ezerszer magasabb lesz, nevezetesen 143KHZ.

A 14. ábra adatainak felhasználásával nem nehéz kiszámítani az impulzus teljes ciklusát: S = T / τ = 7,3 / 3,5 = 2,0857, szinte kanyargósnak bizonyul. D = τ / T = 3,5 / 7,3 = 0,479 vagy 47,9% üzemi ciklus. Meg kell jegyezni, hogy ezek a paraméterek semmilyen módon nem függenek a frekvenciától: a működési ciklust és a működési ciklust egyszerűen a hullámforma osztása alapján számították ki.

Négyszögletes impulzusokkal minden világosnak és egyszerűnek tűnik. De teljesen elfelejtettük a szinuszhullámot. Valójában ugyanaz a helyzet: mérheti a feszültségeket és az időparamétereket. Az egyik szinuszhullám-periódust a 15. ábra mutatja.

15. ábra. A szinuszhullám paraméterei

Nyilvánvaló, hogy az ábrán látható sinusoid esetében a függőleges eltérítési csatorna érzékenysége 0,5 V / div. A fennmaradó paraméterek könnyen meghatározhatók, ha megosztjuk az osztások számát 0,5 V / div-zal.

Lehet, hogy a szinuszhullám is, amelyet érzékenységgel kell mérni, például 5 V / div. Akkor 1 V helyett 10 V kap. A képernyőn azonban mindkét sinusoid képe pontosan azonos.

A bemutatott szinusz időzítése ismeretlen. Ha feltételezzük, hogy a letapogatás időtartama 5ms / div, akkor az időtartam 20ms, azaz 50Hz frekvenciának felel meg. Az idõ tengelyén mért, fokban megadott számok jelzik a szinusz fázisát, bár ez nem különösebben fontos egyetlen sinusoid esetében. Gyakrabban meg kell határozni a fáziseltolódást (közvetlenül milliszekundumban vagy mikrosekundumban) legalább két jel között. Ezt legjobban kétnyalábú oszcilloszkóppal lehet megtenni. Az alábbiakban bemutatjuk, hogyan történik ez.

Az áram mérése oszcilloszkóppal

Egyes esetekben meg kell mérni az áram nagyságát és alakját. Például a kondenzátoron átáramló váltakozó áram ¼ periódus alatt meghaladja a feszültséget. Ezután egy kis ellenállású ellenállást (egy ohm tizede) beépítenek a nyitott áramkörbe. Ez az ellenállás nem befolyásolja az áramkör működését. Az ellenállás feletti feszültségcsökkenés megmutatja a kondenzátoron átáramló áram alakját és nagyságát.

Körülbelül ugyanolyan módon van elrendezve egy hasonló ampermérő, amely belekerül az elektromos áramkör megszakításába. Ebben az esetben a mérési ellenállás maga az ampermérőn belül helyezkedik el.

A kondenzátoron keresztüli áram mérésének áramköre a 16. ábrán látható.

16. ábra Árammérés kondenzátoron keresztül

Az XFG1 generátortól (Vörös sugár az oszcilloszkóp képernyőjén) 50 Hz-es szinuszos feszültséget 220 V amplitúdóval a C1 kondenzátor és az R1 mérőellenállás táplálja a soros áramkörbe. Az ellenállás közötti feszültségcsökkenés megmutatja a kondenzátoron átmenő áram alakját, fázisát és nagyságát (kék sugarat). Hogy fog kinézni az oszcilloszkóp képernyőn, a 17. ábra mutatja.

17. ábra. A kondenzátoron átáramló áram ¼ periódus alatt meghaladja a feszültséget

50 Hz szinuszhullám-frekvencián és 5 ms / Div letapogatási időnél az egyik szinuszhullám-periódus négy osztódást vesz igénybe az X tengely mentén, ami nagyon kényelmes a megfigyeléshez. Könnyű belátni, hogy a kék sugarat pontosan 1 osztással az X tengely mentén haladja meg a vörös, ami az időszak ¼-nek felel meg. Más szavakkal, a kondenzátoron átáramló áram meghaladja a fázisfeszültséget, amely teljes mértékben összhangban van az elmélettel.

A kondenzátoron keresztüli áram kiszámításához elegendő Ohmi törvényt alkalmazni: I = U / R. Ha a mérőellenállás ellenállása 0,1 Ohm, akkor a feszültségcsökkenés 7 mV-n keresztül. Ez az amplitúdóérték. Akkor a kondenzátoron keresztüli maximális áram 7 / 0,1 = 70mA.

Az áram alakjának a kondenzátoron keresztüli mérése nem nagyon sürgős feladat, minden világos és mérések nélkül. Kondenzátor helyett bármilyen terhelés lehet: induktor, motortekercselés, tranzisztoros erősítő fokozat és még sok más. Fontos, hogy ez a módszer felhasználható az áram vizsgálatára, amely bizonyos esetekben jelentősen különbözik a feszültségtől.

Boris Aladyshkin