Een oscilloscoopmeting uitvoeren

Een digitale oscilloscoop is natuurlijk veel perfecter dan een conventionele elektronische, hiermee kunt u golfvormen onthouden, verbinding maken met een pc, wiskundige verwerking van resultaten, schermmarkeringen en nog veel meer. Maar met alle voordelen hebben deze nieuwe generatie apparaten een belangrijk nadeel - dit is een hoge prijs.

Zij is het die de digitale oscilloscoop ontoegankelijk maakt voor amateurdoeleinden, hoewel er "pocket" oscilloscopen zijn die slechts een paar duizend roebel waard zijn, die worden verkocht op AliExpress, maar het is niet bijzonder handig om ze te gebruiken. Nou ja, gewoon een interessant speelgoed. Daarom zullen we het hebben over metingen met behulp van een elektronische oscilloscoop.

Over het kiezen van een oscilloscoop voor gebruik in een thuislaboratorium op internet, kunt u een voldoende aantal forums vinden. Zonder de voordelen van digitale oscilloscopen te ontkennen, wordt het in veel fora geadviseerd om te kiezen voor eenvoudige, kleine en betrouwbare binnenlandse oscilloscopen C1-73 en C1-101 en dergelijke, die we eerder hebben ontmoet in dit artikel.

Met een redelijk betaalbare prijs, kunt u met deze apparaten de meeste amateurradiotaken uitvoeren. Laten we ondertussen kennis maken met de algemene principes van metingen met behulp van een oscilloscoop.

Figuur 1. Oscilloscoop S1-73

Wat een oscilloscoop meet

Het gemeten signaal wordt toegevoerd aan de ingang van het verticale afbuigkanaal Y, dat een grote ingangsweerstand heeft, meestal 1MΩ, en een kleine ingangscapaciteit, niet meer dan 40pF, waardoor minimale vervorming in het gemeten signaal kan worden geïntroduceerd. Deze parameters worden vaak aangegeven naast de ingang van het verticale afbuigkanaal.

Figuur 2. Oscilloscoop C1-101

Hoge ingangsimpedantie is typisch voor voltmeters, dus het is veilig om te zeggen dat de oscilloscoop spanning meet. Door het gebruik van externe ingangsverdelers kunt u de ingangscapaciteit verminderen en de ingangsimpedantie verhogen. Het vermindert ook de invloed van de oscilloscoop op het onderzochte signaal.

Er moet aan worden herinnerd dat er speciale hoogfrequente oscilloscopen zijn, waarvan de ingangsimpedantie slechts 50 Ohm is. In de praktijk van amateurradio vinden dergelijke apparaten geen toepassing. Daarom zullen we ons verder concentreren conventionele universele oscilloscopen.

Kanaal Y bandbreedte

De oscilloscoop meet spanningen in een zeer breed bereik: van DC-spanningen tot spanningen met een voldoende hoge frequentie. De spanningsschommeling kan behoorlijk divers zijn, van tientallen millivolt tot tientallen volt en bij gebruik van externe verdelers tot enkele honderden volt.

Er moet aan worden herinnerd dat de bandbreedte van het kanaal van de verticale afwijking Y db niet minder dan 5 keer hoger dan de frequentie van het te meten signaal. Dat wil zeggen dat de versterker van de verticale afwijking ten minste de vijfde harmonische van het te bestuderen signaal moet passeren. Dit is vooral nodig bij het bestuderen van rechthoekige pulsen die veel harmonischen bevatten, zoals weergegeven in figuur 3. Alleen in dit geval wordt een beeld met minimale vervorming op het scherm verkregen.

Figuur 3. Synthese van een rechthoekig signaal van harmonische componenten

Naast de fundamentele frequentie toont figuur 3 de derde en zevende harmonischen. Naarmate het harmonische getal toeneemt, neemt de frequentie toe: de frequentie van de derde harmonische is drie keer hoger dan de grondtoon, de vijfde harmonische is vijf keer, de zevende is zeven, etc. Dienovereenkomstig neemt de amplitude van de hogere harmonischen af: hoe hoger het harmonische getal, hoe lager de amplitude. Alleen als de versterker van het verticale kanaal zonder veel demping de hogere harmonischen kan missen, is het beeld van de puls rechthoekig.

Figuur 4 toont de golfvorm van een meander met onvoldoende kanaal Y-bandbreedte.

Figuur 4

De meander met een frequentie van 500 KHz ziet er ongeveer zo uit op het scherm van een OMSh-3M-oscilloscoop met een bandbreedte van 0 ... 25 KHz. Alsof rechthoekige pulsen door een integrerend RC-circuit worden geleid. Een dergelijke oscilloscoop werd geproduceerd door de Sovjet-industrie voor laboratoriumwerk in natuurkundelessen op scholen. Zelfs de voedingsspanning van dit apparaat was om veiligheidsredenen niet 220, maar slechts 42V. Het is absoluut duidelijk dat een oscilloscoop met een dergelijke bandbreedte het mogelijk zal maken een signaal met frequenties van niet meer dan 5 kHz te observeren met vrijwel geen vervorming.

Voor een conventionele universele oscilloscoop is de bandbreedte meestal 5 MHz. Zelfs met een dergelijke band kunt u een signaal tot 10 MHz en hoger zien, maar met het op het scherm ontvangen beeld kunt u alleen de aanwezigheid of afwezigheid van dit signaal beoordelen. Het zal moeilijk zijn om iets over de vorm te zeggen, maar in sommige situaties is de vorm niet zo belangrijk: er is bijvoorbeeld een sinusoïde generator en het is voldoende om ervoor te zorgen dat deze sinusoïde aanwezig is of niet. Precies zo'n situatie wordt getoond in figuur 4.

Moderne computersystemen en communicatielijnen werken op zeer hoge frequenties, in de orde van honderden megahertz. Om dergelijke hoogfrequente signalen te zien, moet de bandbreedte van de oscilloscoop ten minste 500 MHz zijn. Zo'n brede band "verhoogt" echt de prijs van de oscilloscoop.

Een voorbeeld is de digitale oscilloscoop U1610A die niet in figuur 5 wordt getoond. De bandbreedte is 100 MHz en de prijs is bijna 200.000 roebel. Mee eens, niet iedereen kan het zich veroorloven om zo'n duur apparaat te kopen.

Figuur 5

Laat de lezer deze foto niet als een advertentie beschouwen, omdat alle coördinaten van de verkoper niet overschilderd zijn: een vergelijkbare screenshot zou in de plaats van deze foto kunnen verschijnen.

Soorten bestudeerde signalen en hun parameters

Het meest voorkomende type oscillatie in de natuur en technologie is een sinusoïde. Dit is dezelfde langdurige functie Y = sinX, die op de school werd gehouden in de lessen trigonometrie. Heel wat elektrische en mechanische processen hebben een sinusvormige vorm, hoewel heel vaak andere vormen van signalen worden gebruikt in de elektronische technologie. Sommigen van hen worden getoond in figuur 6.

Figuur 6. Vormen van elektrische trillingen

Periodieke signalen. Signaal kenmerken

Met een universele elektronische oscilloscoop kunt u periodieke signalen nauwkeurig bestuderen. Als u op ingang Y een echt geluidssignaal verzendt, bijvoorbeeld een muzikaal fonogram, dan zijn willekeurig flikkerende bursts zichtbaar op het scherm. Het is natuurlijk onmogelijk om een ​​dergelijk signaal in detail te onderzoeken. In dit geval zal het gebruik van een digitale opslagoscilloscoop helpen, waarmee u de golfvorm kunt opslaan.

De oscillaties getoond in figuur 6 zijn periodiek, herhaald na een bepaalde tijdsperiode T. Dit kan in meer detail worden beschouwd in figuur 7.

Figuur 7. Periodieke schommelingen

De oscillaties worden weergegeven in een tweedimensionaal coördinatenstelsel: spanning wordt gemeten langs de ordinaatas en tijd wordt gemeten langs de abscisas. Spanning wordt gemeten in volt, tijd in seconden. Voor elektrische trillingen wordt de tijd vaak gemeten in milliseconden of microseconden.

Naast componenten X en Y bevat de golfvorm ook component Z - intensiteit, of gewoon helderheid (figuur 8). Zij is het die de balk aanzet voor de tijd van de voorwaartse balk en dooft voor de tijd van de teruggaande slag. Sommige oscilloscopen hebben een ingang voor het regelen van de helderheid, die ingang Z wordt genoemd. Als u een pulsspanning van een referentiegenerator op deze ingang toepast, kunt u de frequentielabels op het scherm zien. Hiermee kunt u de duur van het signaal langs de X-as nauwkeuriger meten.

Figuur 8. Drie componenten van het onderzochte signaal

Moderne oscilloscopen hebben in de regel tijdgekalibreerde sweeps die nauwkeurige timing mogelijk maken. Daarom is het praktisch niet nodig om een ​​externe generator te gebruiken om tags te maken.

Bovenaan figuur 7 staat een sinusgolf. Het is gemakkelijk te zien dat het begint bij het begin van het coördinatensysteem. Gedurende tijd T (periode) wordt een volledige oscillatie uitgevoerd. Dan herhaalt alles zich, de volgende periode. Dergelijke signalen worden periodiek genoemd.

Rechthoekige signalen worden weergegeven onder de sinusgolf: meander en rechthoekige puls. Ze zijn ook periodiek met periode T. De pulsduur wordt aangeduid als τ (tau). In het geval van een meander is de pulsduur τ gelijk aan de duur van de pauze tussen pulsen, slechts de helft van de periode T. Daarom is de meander een speciaal geval van een rechthoekig signaal.

Invoerrechten en invoerrechten

Om rechthoekige pulsen te karakteriseren, wordt een parameter genaamd duty cycle gebruikt. Dit is de verhouding van de pulsherhalingsperiode T tot de pulsduur τ. Voor de meander is de duty cycle gelijk aan twee, - de waarde is dimensieloos: S = T / τ.

In de Engelse terminologie is precies het tegenovergestelde waar. Daar worden de pulsen gekenmerkt door de duty-cycle, de verhouding tussen de pulsduur en de periode van de duty-cycle: D = τ / T. De vulfactor wordt uitgedrukt in %%. Dus voor de meander is D = 50%. Het blijkt dat D = 1 / S, duty cycle en duty cycle wederzijds omgekeerd zijn, hoewel ze dezelfde pulsparameter kenmerken. De golfvorm van de meander is weergegeven in figuur 9.

Figuur 9. Golfvorm van de meander D = 50%

Hier is de ingang van de oscilloscoop verbonden met de uitgang van de functionele generator, die onmiddellijk in de onderste hoek van de figuur wordt getoond. En hier kan een attente lezer een vraag stellen: “De amplitude van het uitgangssignaal van de 1V-generator, de gevoeligheid van de oscilloscoopingang is 1V / div., En het scherm toont rechthoekige pulsen met een magnitude van 2V. Waarom? "

Het feit is dat de functionele generator bipolaire rechthoekige pulsen genereert met betrekking tot het 0V-niveau, ongeveer hetzelfde als een sinusoïde, met positieve en negatieve amplitudes. Daarom worden pulsen met een bereik van ± 1 V waargenomen op het oscilloscoopscherm. In de volgende afbeelding wijzigen we de duty cycle bijvoorbeeld in 10%.

Figuur 10. Rechthoekig momentum D = 10%

Het is gemakkelijk om te zien dat de pulsherhalingsperiode 10 cellen is, terwijl de pulsduur slechts één cel is. Daarom is D = 1/10 = 0,1 of 10%, zoals te zien is aan de instellingen van de generator. Als u de formule gebruikt om de duty cycle te berekenen, krijgt u S = T / τ = 10/1 = 1 - de waarde is dimensieloos. Hier kunnen we concluderen dat de duty cycle de impuls veel duidelijker karakteriseert dan de duty cycle.

Eigenlijk bleef het signaal zelf hetzelfde als in figuur 9: een rechthoekige puls met een amplitude van 1 V en een frequentie van 100 Hz. Alleen de vulfactor of taakcyclus verandert, het is alsof iemand meer vertrouwd en handig is. Maar voor het gemak van observatie in figuur 10, is de scanduur gehalveerd in vergelijking met figuur 9 en is deze 1ms / div. Daarom duurt de signaalperiode 10 cellen op het scherm, waardoor het vrij eenvoudig is om te verifiëren dat de duty cycle 10% is. Bij gebruik van een echte oscilloscoop wordt de sweep-duur ongeveer hetzelfde gekozen.

Rechthoekige pulsspanningsmeting

Zoals vermeld aan het begin van het artikel, meet de oscilloscoop spanning, d.w.z. potentieel verschil tussen twee punten. Doorgaans worden metingen uitgevoerd ten opzichte van een gemeenschappelijke draad, aarde (nul volt), hoewel dit niet nodig is. In principe is het mogelijk om van minimum tot maximum signaalwaarden (piekwaarde, piek-tot-piek) te meten. In elk geval zijn de meetstappen vrij eenvoudig.

Rechthoekige pulsen zijn meestal unipolair, wat typisch is voor digitale technologie. Hoe de spanning van een rechthoekige puls te meten, wordt getoond in figuur 11.

Figuur 11. Meting van de amplitude van een rechthoekige puls

Als de gevoeligheid van het verticale afwijkingskanaal 1V / div is, blijkt dat de figuur een puls met een spanning van 5,5V toont. Met een gevoeligheid van 0,1 V / div. De spanning zal slechts 0,5 V zijn, hoewel beide pulsen op het scherm er precies hetzelfde uitzien.

Wat valt er nog meer te zien in een rechthoekige impuls

De rechthoekige pulsen weergegeven in figuren 9, 10 zijn eenvoudigweg ideaal omdat ze worden gesynthetiseerd door Electronics WorkBench. En de pulsfrequentie is slechts 100 Hz, daarom kunnen problemen met de "haaksheid" van het beeld niet optreden. In een echt apparaat, bij een hoge herhalingssnelheid, zijn de pulsen enigszins vervormd, allereerst verschijnen verschillende schommelingen en bursts vanwege de installatie-inductie, zoals weergegeven in figuur 12.

Figuur 12. Echte rechthoekige impuls

Als u geen aandacht besteedt aan dergelijke "kleinigheden", ziet de rechthoekige impuls eruit zoals weergegeven in figuur 13.

Figuur 13. Parameters van een rechthoekige puls

De figuur laat zien dat de voor- en achterranden van de puls niet onmiddellijk verschijnen, maar enkele stijg- en daaltijden hebben en enigszins schuin staan ​​ten opzichte van de verticale lijn. Deze helling is te wijten aan de frequentie-eigenschappen van microschakelingen en transistoren: hoe hoger de frequentie-transistor, hoe minder "fronten" van de pulsen. Daarom wordt de pulsduur bepaald door het niveau van 50% van het volledige bereik.

Om dezelfde reden wordt de amplitude van de puls bepaald door het niveau van 10 ... 90%. De pulsduur, evenals de spanning, worden bepaald door het aantal delingen van de horizontale schaal te vermenigvuldigen met de delingswaarde, zoals weergegeven in figuur 14.

Figuur 14.

De afbeelding toont een periode van een rechthoekige puls, iets anders dan de meander: de duur van een positieve puls is 3,5 divisies van de horizontale schaal en de pauzeduur is 3,8 divisies. De pulsherhalingsperiode is 7,3 divisies. Een dergelijk beeld kan tot verschillende pulsen met verschillende frequenties behoren. Alles zal afhangen van de duur van de sweep.

Ga uit van een scanduur van 1 ms / div. Dan is de pulsherhalingsperiode 7.3 * 1 = 7.3ms, wat overeenkomt met de frequentie F = 1 / T = 1 / 7.3 = 0.1428KHz of 143 Hz. Als de scanduur 1 microseconden / div is, zal de frequentie duizend keer hoger blijken te zijn, namelijk 143 KHz.

Met behulp van de gegevens in figuur 14 is het niet moeilijk om de werkcyclus van de puls te berekenen: S = T / τ = 7.3 / 3.5 = 2.0857, het blijkt bijna als een meander. Inschakelduur inschakelduur D = τ / T = 3.5 / 7.3 = 0.479 of 47.9%. Opgemerkt moet worden dat deze parameters op geen enkele manier afhankelijk zijn van de frequentie: duty cycle en duty cycle werden eenvoudig berekend door delingen op de golfvorm.

Met rechthoekige impulsen lijkt alles duidelijk en eenvoudig. Maar we vergaten de sinusgolf helemaal. Eigenlijk is er hetzelfde: u kunt spanningen en tijdparameters meten. Een sinusgolfperiode wordt getoond in figuur 15.

Afbeelding 15. Parameters voor sinusgolven

Vanzelfsprekend is voor de in de figuur getoonde sinusoïde de gevoeligheid van het verticale afbuigkanaal 0,5 V / div. De resterende parameters kunnen eenvoudig worden bepaald door het aantal divisies te vermenigvuldigen met 0,5 V / div.

De sinusgolf kan een andere zijn, die met gevoeligheid moet worden gemeten, bijvoorbeeld 5V / div. Dan in plaats van 1V krijg je 10V. Op het scherm ziet het beeld van beide sinusoïden er echter precies hetzelfde uit.

De timing van de getoonde sinusoïde is onbekend. Als we aannemen dat de scanduur 5 ms / div is, is de periode 20 ms, wat overeenkomt met een frequentie van 50 Hz. De getallen in graden op de tijdas geven de fase van de sinusoïde aan, hoewel dit niet bijzonder belangrijk is voor een enkele sinusoïde. Vaker is het noodzakelijk om de faseverschuiving (direct in milliseconden of microseconden) ten minste tussen twee signalen te bepalen. Dit kan het beste worden gedaan met een oscilloscoop met twee bundels. Hoe dit wordt gedaan, wordt hieronder getoond.

Hoe stroom te meten met een oscilloscoop

In sommige gevallen is meting van de grootte en vorm van de stroom vereist. Wisselstroom die door een condensator vloeit, loopt bijvoorbeeld ¼ periode voor op de spanning. Vervolgens wordt een weerstand met een kleine weerstand (tienden van een Ohm) opgenomen in het open circuit. Een dergelijke weerstand heeft geen invloed op de werking van het circuit. De spanningsval over deze weerstand toont de vorm en de grootte van de stroom die door de condensator vloeit.

Een soortgelijke meter-ampèremeter is op ongeveer dezelfde manier opgesteld, die zal worden opgenomen in het onderbreken van het elektrische circuit. In dit geval bevindt de meetweerstand zich binnen de ampèremeter zelf.

Het circuit voor het meten van de stroom door de condensator is weergegeven in figuur 16.

Figuur 16. Stroommeting door een condensator

Een sinusvormige spanning van 50 Hz met een amplitude van 220 V van de XFG1-generator (rode straal op het oscilloscoopscherm) wordt vanuit de condensator C1 en de meetweerstand R1 aan het seriële circuit geleverd. De spanningsval over deze weerstand toont de vorm, fase en grootte van de stroom door de condensator (blauwe straal). Hoe het eruit zal zien op het oscilloscoopscherm wordt getoond in figuur 17.

Afbeelding 17. De stroom door de condensator loopt de ¼ periode voor op de spanning

Bij een sinusgolffrequentie van 50 Hz en een scantijd van 5 ms / div, neemt een sinusgolfperiode 4 delingen langs de X-as, wat erg handig is voor observatie. Het is gemakkelijk om te zien dat de blauwe straal exact 1 divisie langs de X-as voor de rode staat, wat overeenkomt met ¼ van de periode. Met andere woorden, de stroom door de condensator loopt voor op fasespanning, wat volledig consistent is met de theorie.

Om de stroom door de condensator te berekenen, is het voldoende om de wet van Ohm te gebruiken: I = U / R. Wanneer de weerstand van de meetweerstand 0,1 Ohm is, is de spanningsval erover 7 mV. Dit is de amplitudewaarde. Dan zal de maximale stroom door de condensator 7 / 0,1 = 70 mA zijn.

Het meten van de vorm van de stroom door de condensator is niet een heel dringende taak, alles is duidelijk en zonder metingen. In plaats van een condensator kan er een belasting zijn: inductor, motorwikkeling, transistor versterker podium en nog veel meer. Het is belangrijk dat deze methode kan worden gebruikt om de stroom te bestuderen, die in sommige gevallen aanzienlijk van vorm verschilt van spanning.

Boris Aladyshkin