Matavimas osciloskopu

Skaitmeninis osciloskopas, be abejo, yra daug tobulesnis nei įprastas elektroninis, jis leidžia atsiminti bangos formas, gali prisijungti prie asmeninio kompiuterio, turi matematinį rezultatų apdorojimą, ekrano žymeklius ir daug daugiau. Tačiau su visais privalumais šie naujos kartos įrenginiai turi vieną reikšmingą trūkumą - tai yra didelė kaina.

Būtent ji daro skaitmeninį osciloskopą neprieinamą mėgėjų reikmėms, nors yra „kelių kišeninių“ osciloskopų, kurių vertė tik keli tūkstančiai rublių ir kurie parduodami „Aliexpress“, tačiau juos naudoti nėra ypač patogu. Na, tiesiog įdomus žaislas. Todėl, kol mes kalbėsime apie matavimus naudojant elektroninį osciloskopą.

Internete esančios osciloskopo, skirto naudoti namų laboratorijoje, pasirinkimo tema galite rasti pakankamą skaičių forumų. Nepaneigdami skaitmeninių osciloskopų pranašumų, daugelyje forumų patariama pasirinkti paprastus, mažo dydžio ir patikimus buitinius osciloskopus C1-73 ir C1-101 ir panašius dalykus, su kuriais anksčiau susitikome šis straipsnis.

Už gana prieinamą kainą šie įrenginiai leis atlikti daugumą mėgėjų radijo užduočių. Tuo tarpu susipažinkime su bendraisiais matavimų principais, naudojant osciloskopą.

1 paveikslas. Osciloskopas S1-73

Ką matuoja osciloskopas

Išmatuotas signalas tiekiamas į vertikalaus įlinkio kanalo Y įėjimą, kuris turi didelę įvesties varžą, paprastai 1MΩ, ir mažą įvesties talpą, ne didesnę kaip 40pF, kuri leidžia išmatuoti matuojamą signalą kuo mažiau iškraipyti. Šie parametrai dažnai nurodomi šalia vertikalaus įlinkio kanalo įėjimo.

2 paveikslas. Osciloskopas C1-101

Didelė įėjimo varža yra būdinga voltmetrams, todėl galima drąsiai teigti, kad osciloskopas matuoja įtampą. Išorinių įvesties daliklių naudojimas leidžia sumažinti įėjimo talpą ir padidinti įėjimo varžą. Tai taip pat sumažina osciloskopo įtaką tiriamam signalui.

Reikėtų atsiminti, kad yra specialūs aukšto dažnio osciloskopai, kurių įėjimo varža yra tik 50 omų. Radijo mėgėjų praktikoje tokie įrenginiai neranda taikymo. Todėl toliau sutelksime dėmesį įprasti universalūs osciloskopai.

Y kanalo pralaidumas

Osciloskopas matuoja įtampą labai plačiame diapazone: nuo nuolatinės srovės įtampos iki pakankamai aukšto dažnio įtampų. Įtampos svyravimai gali būti gana įvairūs - nuo dešimčių milivoltų iki dešimčių voltų, o naudojant išorinius daliklius - iki kelių šimtų voltų.

Reikėtų nepamiršti, kad kanalo pralaidumas vertikaliojo nuokrypio Y db atžvilgiu ne mažiau kaip 5 kartus didesnis už matuojamo signalo dažnį. Tai yra, vertikalaus nuokrypio stiprintuvas turi praeiti bent penktą tiriamojo signalo harmoniką. Tai ypač reikalinga tiriant stačiakampius impulsus, kuriuose yra daug harmonikų, kaip parodyta 3 paveiksle. Tik tokiu atveju ekrane gaunamas vaizdas su minimaliais iškraipymais.

3 pav. Stačiakampio signalo iš harmoninių komponentų sintezė

Be pagrindinio dažnio, 3 paveiksle pavaizduota trečioji ir septintoji harmonikos. Didėjant harmoniniam skaičiui, jo dažnis didėja: trečiosios harmonikos dažnis yra tris kartus didesnis nei pagrindinės, penktoji harmonika yra penkis kartus, septintoji - septyni ir t. Atitinkamai sumažėja aukštesniųjų harmonikų amplitudė: kuo didesnis harmonikų skaičius, tuo mažesnė jos amplitudė. Tik jei vertikalaus kanalo stiprintuvas be didesnio silpninimo gali praleisti aukštesnes harmonikas, impulsų vaizdas bus stačiakampis.

4 paveiksle parodyta vingiuotojo bangos forma su nepakankamu kanalo Y pralaidumu.

4 pav

Meandrai su 500 KHz dažniu atrodo panašiai OMSh-3M osciloskopo ekrane, kurio pralaidumas yra 0 ... 25 KHz. Tarsi stačiakampiai impulsai būtų praleisti per integruojančią RC grandinę. Tokį osciloskopą sovietinė pramonė pagamino laboratoriniams darbams fizikos pamokose mokyklose. Net šio prietaiso maitinimo įtampa saugumo sumetimais buvo ne 220, o tik 42 V. Visiškai akivaizdu, kad tokio pralaidumo osciloskopas leis stebėti signalą, kurio dažnis ne didesnis kaip 5 kHz, beveik neiškraipant.

Įprastam universaliam osciloskopui dažnių juostos plotis dažniausiai būna 5 MHz. Net turėdami tokią juostą, galite pamatyti signalą iki 10 MHz ir aukštesnį, tačiau vaizdas, gautas ekrane, leidžia spręsti tik apie šio signalo buvimą ar nebuvimą. Apie jo formą bus sunku ką nors pasakyti, tačiau kai kuriose situacijose forma nėra tokia svarbi: pavyzdžiui, yra sinusoidinis generatorius, ir pakanka įsitikinti, ar yra šis sinusoidas, ar jo nėra. Tiesiog tokia situacija parodyta 4 paveiksle.

Šiuolaikinės skaičiavimo sistemos ir ryšių linijos veikia labai aukštais dažniais, šimtų megahercų tvarka. Norint pamatyti tokius aukšto dažnio signalus, osciloskopo pralaidumas turi būti bent 500 MHz. Tokia plati juosta tikrai „išplečia“ osciloskopo kainą.

Pavyzdys yra skaitmeninis osciloskopas U1610A, parodytas ne 5 paveiksle. Jo pralaidumas yra 100 MHz, o kaina yra beveik 200 000 rublių. Sutikite, ne visi gali sau leisti nusipirkti tokį brangų įrenginį.

5 pav

Tegul skaitytojas nelaiko šio paveikslėlio reklama, nes visos pardavėjo koordinatės nėra nupieštos: šio paveikslėlio vietoje gali būti bet kokia panaši ekrano kopija.

Tiriamųjų signalų tipai ir jų parametrai

Labiausiai paplitęs gamtos ir technologijos virpesių tipas yra sinusoidas. Tai yra ta pati ilgai kenčianti funkcija Y = sinX, kuri buvo vykdoma mokykloje trigonometrijos pamokose. Gana daug elektrinių ir mechaninių procesų turi sinusoidinę formą, nors elektroninėse technologijose gana dažnai naudojami kiti signalų pavidalai. Kai kurie iš jų parodyti 6 paveiksle.

6 pav. Elektrinių virpesių formos

Periodiniai signalai. Signalo charakteristika

Universalus elektroninis osciloskopas leidžia tiksliai ištirti periodinius signalus. Jei įvesdami Y siųsite tikrą garso signalą, pavyzdžiui, muzikinę fonogramą, ekrane bus matomi atsitiktinai mirksintys virpėjimai. Natūralu, kad neįmanoma išsamiai ištirti tokio signalo. Tokiu atveju padės naudoti skaitmeninį duomenų kaupimo osciloskopą, kuris leidžia išsaugoti bangos formą.

Svyravimai, parodyti 6 paveiksle, yra periodiniai, pasikartojantys po tam tikro laiko T. Tai gali būti išsamiau apsvarstyta 7 paveiksle.

7 pav. Periodiniai svyravimai

Virpesiai pavaizduoti dviejų matmenų koordinačių sistemoje: įtempis matuojamas išilgai ordinačių ašies, o laikas matuojamas išilgai abscisės ašies. Įtampa matuojama voltais, laikas sekundėmis. Elektrinių virpesių laikas dažnai matuojamas milisekundėmis arba mikrosekundėmis.

Be X ir Y komponentų, bangos formoje yra ir Z komponentų intensyvumas, arba tiesiog ryškumas (8 pav.). Būtent ji įjungia šviesą tolimosios šviesos spinduliui ir užgeso grįžtamojo smūgio laikui. Kai kuriuose osciloskopuose yra įvestis ryškumui valdyti, kuri vadinama įvestimi Z. Jei šiam įėjimui pritaikysite impulsinę įtampą iš atskaitos generatoriaus, ekrane galite pamatyti dažnio etiketes. Tai leidžia tiksliau išmatuoti signalo trukmę išilgai X ašies.

8 pav. Trys tiriamojo signalo komponentai

Šiuolaikiniai osciloskopai, kaip taisyklė, turi laiko kalibravimą, kurie leidžia tiksliai nustatyti laiką. Todėl naudoti išorinį generatorių žymėms kurti praktiškai nereikia.

7 paveikslo viršuje yra sinuso banga. Nesunku pastebėti, kad jis prasideda koordinačių sistemos pradžioje. Laiku T (periodas) atliekamas vienas visiškas svyravimas. Tada viskas kartojasi, kitas periodas. Tokie signalai vadinami periodiniais.

Stačiakampiai signalai rodomi žemiau sinuso bangos: vingio ir stačiakampio impulso. Jie taip pat yra periodiniai su T. periodu. Impulsų trukmė žymima τ (tau). Meandro atveju impulsų trukmė τ yra lygi pauzės trukmei tarp impulsų, tik pusei laikotarpio T. Todėl meandras yra ypatingas kvadratinės bangos atvejis.

Pareiga ir muito norma

Stačiakampiams impulsams apibūdinti naudojamas parametras, vadinamas darbo ciklu. Tai impulsų pasikartojimo laikotarpio T ir impulsų trukmės τ santykis. Meandrai darbo ciklas yra lygus dviem, - reikšmė yra be matmens: S = T / τ.

Anglų kalbos terminologijoje yra visiškai priešingai. Čia impulsai apibūdinami veikimo ciklu, impulsų trukmės ir darbo ciklo laikotarpio santykiu: D = τ / T. Užpildymo koeficientas išreiškiamas %%. Taigi, vingiuotojui, D = 50%. Pasirodo, D = 1 / S, darbo ciklas ir darbo ciklas yra abipusiai atvirkštiniai, nors jie apibūdina tą patį impulsų parametrą. Meandro bangos forma parodyta 9 paveiksle.

9 pav. Meandro bangos forma D = 50%

Čia osciloskopo įvestis yra sujungta su funkcinio generatoriaus išvestimi, kuri iškart parodoma apatiniame paveikslo kampe. Dėmesingas skaitytojas gali užduoti klausimą: „1 V generatoriaus išėjimo signalo amplitudė, osciloskopo įėjimo jautrumas yra 1 V / div., O ekrane rodomi stačiakampiai impulsai, kurių amplitudė yra 2 V. Kodėl?

Faktas yra tas, kad funkcinis generatorius generuoja bipolinius stačiakampius impulsus 0V lygio atžvilgiu, maždaug tiek pat, kiek sinuso banga, su teigiama ir neigiama amplitudėmis. Todėl osciloskopo ekrane stebimi impulsai, kurių diapazonas yra ± 1 V. Kitame paveiksle mes keičiame darbo ciklą, pavyzdžiui, į 10%.

10 pav. Stačiakampis impulsas D = 10%

Nesunku pastebėti, kad impulsų pasikartojimo laikotarpis yra 10 ląstelių, o impulsų trukmė - tik viena ląstelė. Todėl D = 1/10 = 0,1 arba 10%, kaip matyti iš generatoriaus nustatymų. Jei darbo ciklui apskaičiuoti naudojate formulę, gausite S = T / τ = 10/1 = 1 - reikšmė yra be matmens. Čia galime daryti išvadą, kad darbo ciklas impulsą apibūdina daug aiškiau nei darbo ciklas.

Tiesą sakant, pats signalas išliko toks pats kaip 9 paveiksle: stačiakampis impulsas, kurio amplitudė yra 1 V, o dažnis - 100 Hz. Kinta tik užpildymo koeficientas arba darbo ciklas, tarsi kažkas būtų pažįstamas ir patogesnis. Tačiau, siekiant patogiau stebėti 10 paveikslą, skenavimo trukmė yra sumažinta perpus, palyginti su 9 paveikslu, ir yra 1 ms / div. Todėl signalo laikotarpis ekrane užima 10 langelių, todėl gana lengva patikrinti, ar darbo ciklas yra 10%. Kai naudojamas tikrasis osciloskopas, valymo trukmė parenkama maždaug tokia pati.

Stačiakampio impulso įtampos matavimas

Kaip minėta straipsnio pradžioje, osciloskopu matuojama įtampa, t. galimas skirtumas tarp dviejų taškų. Paprastai matavimai atliekami bendro laido, žemės (nulio voltų) atžvilgiu, nors tai nėra būtina. Iš principo galima matuoti nuo mažiausios iki didžiausios signalo vertės (didžiausia vertė, didžiausia ir smailiausia). Bet kokiu atveju matavimo žingsniai yra gana paprasti.

Stačiakampiai impulsai dažniausiai būna vienpoliai, o tai būdinga skaitmeninėms technologijoms. Kaip išmatuoti stačiakampio impulso įtampą, parodyta 11 paveiksle.

11 pav. Stačiakampio impulso amplitudės matavimas

Jei vertikalaus nuokrypio kanalo jautrumas yra 1 V / div, tada paaiškėja, kad paveiksle parodytas impulsas, kurio įtampa yra 5,5 V. Su 0,1V / div jautrumu. Įtampa bus tik 0,5 V, nors ekrane abu impulsai atrodo visiškai vienodi.

Ką dar galima pamatyti stačiakampio impulso pavidalu

Stačiakampiai impulsai, parodyti 9, 10 paveiksluose, yra tiesiog idealūs, nes juos sintezuoja „Electronics WorkBench“. O impulsų dažnis yra tik 100 Hz, todėl problemų dėl vaizdo „kvadrato“ negali kilti. Realiame įrenginyje, esant dideliam pasikartojimo greičiui, impulsai yra šiek tiek iškraipomi, visų pirma, dėl įrengimo induktyvumo atsiranda įvairūs bangos ir sprogimai, kaip parodyta 12 paveiksle.

12 pav. Realus stačiakampis impulsas

Jei nekreipiate dėmesio į tokias "smulkmenas", tada stačiakampis impulsas atrodo taip, kaip parodyta 13 paveiksle.

13 pav. Stačiakampio impulso parametrai

Paveikslėlyje parodyta, kad priekiniai ir galiniai pulso kraštai neatsiranda iškart, tačiau turi tam tikrą pakilimo ir kritimo laiką ir yra šiek tiek pasvirę vertikalios linijos atžvilgiu. Šis nuolydis atsiranda dėl mikroschemų ir tranzistorių dažnio savybių: kuo aukštesnis dažnio tranzistorius, tuo mažiau impulsų „frontų“. Todėl impulso trukmė nustatoma pagal 50% viso diapazono lygį.

Dėl tos pačios priežasties impulso amplitudė nustatoma pagal 10 ... 90% lygį. Impulsų trukmė, taip pat įtampa, nustatoma padauginus horizontalios skalės padalijimų skaičių iš padalijimo vertės, kaip parodyta 14 paveiksle.

14 pav.

Paveikslėlyje pavaizduotas vienas stačiakampio impulso laikotarpis, šiek tiek skiriasi nuo vingių: teigiamas impulsas trunka 3,5 horizontalios skalės padalijimo, o pauzės trukmė - 3,8 padalijimo. Impulsų pasikartojimo laikotarpis yra 7,3 dalijimasis. Toks vaizdas gali priklausyti keliems skirtingiems impulsams su skirtingais dažniais. Viskas priklausys nuo valymo trukmės.

Tarkime, kad nuskaitymo trukmė yra 1ms / div. Tada impulsų pasikartojimo laikotarpis yra 7,3 * 1 = 7,3 ms, o tai atitinka dažnį F = 1 / T = 1 / 7,3 = 0,1428 KHz arba 143 Hz. Jei nuskaitymo trukmė yra 1 µs / div, tada dažnis pasirodys tūkstantį kartų didesnis, ty 143KHZ.

Remiantis 14 paveiksle pateiktais duomenimis, nėra sunku apskaičiuoti impulsų veikimo ciklą: S = T / τ = 7,3 / 3,5 = 2,0857, jis pasirodo beveik kaip vingiuotas. Darbo ciklo darbo ciklas D = τ / T = 3,5 / 7,3 = 0,479 arba 47,9%. Reikėtų pažymėti, kad šie parametrai jokiu būdu nepriklauso nuo dažnio: darbo ciklas ir darbo ciklas buvo apskaičiuojami tiesiog padalijant į bangos formą.

Su stačiakampiais impulsais viskas atrodo aišku ir paprasta. Bet mes visiškai pamiršome apie sinuso bangą. Tiesą sakant, tas pats yra ir jūs: galite išmatuoti įtampą ir laiko parametrus. Vienas sinuso bangų periodas parodytas 15 paveiksle.

15 pav. Sinuso bangos parametrai

Akivaizdu, kad paveiksle parodytam sinusoidui vertikalaus įlinkio kanalo jautrumas yra 0,5 V / div. Likusius parametrus galima lengvai nustatyti padauginus padalijimų skaičių iš 0,5 V / div.

Sinuso banga gali būti kita, kuri turės būti matuojama jautrumu, pavyzdžiui, 5 V / div. Tada vietoj 1 V gausite 10 V. Tačiau ekrane abiejų sinusoidų vaizdas atrodo visiškai vienodas.

Parodyto sinusoidinis laikas nežinomas. Jei darysime prielaidą, kad nuskaitymo trukmė yra 5ms / div, laikotarpis bus 20ms, o tai atitinka 50Hz dažnį. Skaičiai laipsniais laiko ašyje rodo sinusoidės fazę, nors tai nėra ypač svarbu vienam sinusoidui. Dažniausiai reikia nustatyti fazės poslinkį (tiesiogiai milisekundėmis ar mikrosekundėmis) bent jau tarp dviejų signalų. Tai geriausia padaryti naudojant dviejų spindulių osciloskopą. Kaip tai bus padaryta, bus parodyta žemiau.

Kaip matuoti srovę osciloskopu

Kai kuriais atvejais reikia išmatuoti srovės dydį ir formą. Pavyzdžiui, kintamoji srovė, tekanti per kondensatorių, yra ¼ periodo didesnė už įtampą. Tuomet į atvirą grandinę įtraukiamas mažo pasipriešinimo varžos (dešimtosios omo dalys). Toks pasipriešinimas neturi įtakos grandinės veikimui. Įtampos kritimas per šį rezistorių parodys srovės, tekančios per kondensatorių, formą ir dydį.

Maždaug tokiu pačiu būdu yra išdėstytas panašus matuoklio ampermetras, kuris bus įtrauktas į elektros grandinės pertraukimą. Šiuo atveju matavimo rezistorius yra paties ampermetro viduje.

Srovės per kondensatorių matavimo grandinė parodyta 16 paveiksle.

16 paveikslas. Srovės matavimas per kondensatorių

Į serijinę grandinę iš kondensatoriaus C1 ir matavimo rezistoriaus R1 tiekiama sinusoidinė 50 Hz įtampa, kurios amplitudė yra 220 V (iš XFG1 generatoriaus) (raudona sija osciloskopo ekrane). Įtampos kritimas per šį rezistorių parodys srovės per kondensatorių formą (fazę) ir dydį (mėlyna sija). Kaip jis atrodys osciloskopo ekrane, parodyta 17 paveiksle.

17 pav. Srovė, einanti per kondensatorių, yra ¼ periodo didesnė už įtampą

Esant 50 Hz sinuso bangos dažniui ir skenavimo laikui 5 ms / Div, vienas sinuso bangos laikotarpis trunka 4 padalijimus išilgai X ašies, o tai labai patogu stebėti. Nesunku pastebėti, kad mėlynasis spindulys lenkia raudonąjį tiksliai 1 padalijimu išilgai X ašies, tai atitinka ¼ laikotarpio. Kitaip tariant, srovė per kondensatorių lenkia fazinę įtampą, kuri visiškai atitinka teoriją.

Norint apskaičiuoti srovę per kondensatorių, pakanka naudoti Ohmo dėsnį: I = U / R. Kai matavimo rezistoriaus varža yra 0,1 omo, įtampos kritimas per ją yra 7 mV. Tai amplitudės reikšmė. Tada maksimali srovė per kondensatorių bus 7 / 0,1 = 70mA.

Išmatuoti srovės formą per kondensatorių nėra labai skubi užduotis, viskas aišku ir be matavimų. Vietoje kondensatoriaus gali būti bet kokia apkrova: induktorius, variklio apvija, tranzistoriaus stiprintuvo pakopos ir daug daugiau. Svarbu, kad šis metodas galėtų būti naudojamas srovei ištirti, kuri kai kuriais atvejais labai skiriasi forma nuo įtampos.

Borisas Aladyshkinas