Как пользоваться осциллографом

Что такое осциллограф

Осциллограф — это прибор для визуального отображения и измерений параметров сигналов различной формы (процесс называется «осциллографирование»). Сигналы подаются на вход и отображаются на экране. Экран разбит на квадраты, по центру проходят две оси координат.  По горизонтали измеряется время. По вертикали — амплитуда и/или напряжение. Цена деления задается при помощи ручек калибровки. Режим отображения подстраивается под каждый сигнал. Выбирается такой режим, который наиболее удобен в данном случае (в пределах возможностей прибора).

Осциллограф — это не обязательно большая, громоздкая вещь. Есть портативные цифровые модели, есть приставки. Есть даже программы, которые можно с адаптером установить на стационарный компьютер или ноутбук.

По количеству одновременно отслеживаемых сигналов осциллографы есть однолучевые (одноканальные/моноканальные) и многолучевые (многоканальные). Однолучевые могут одновременно принимать только один сигнал, многолучевые — два, три, четыре и больше — до 16. Зависит от прибора.

Какой тип лучше? Многолучевой. Вы одновременно можете отслеживать сигнал в нескольких точках схемы. Изменяя параметры будете видеть реакцию устройства не только на выходе, но и в разных точках схемы.

Устройство и принцип действия прибора

Объясним устройство аналогового осциллографа просто, «для чайников». Прибор состоит из следующих элементов:

• лучевая трубка;
• блок питания;
• канал вертикального / горизонтального отклонения;
• канал модуляции луча;
• устройство синхронизации и запуска развёртки.

Для управления параметрами сигнала и его отображения на экране есть регуляторы. У старых моделей экрана не было. Изображение фиксировалось на фотоленте.

Принцип работы

При запуске прибора сигнал подаётся на вход канала вертикального отклонения. Он имеет высокое входное сопротивление. По тому же принципу работает вольтметр, измеряющий напряжение. Однако вольтметр не показывает временного графика колебаний напряжения.

Сигнал усиливается до необходимого уровня после подачи на вход. Он отображается на экране по вертикальной оси. Усиление требуется для работы отклоняющей системы лучевой трубки или преобразователя сигнала из аналогового в цифровой. Оно позволяет менять масштаб отображения колебаний на экране от крупного до мелкого.

Устройство

Лучевая трубка чувствительна к электрическим импульсам. Чем ниже их частота, тем выше чувствительность. В нынешних трубках количество лучей может составлять от одного до 16. Их количеству соответствует число сигнальных входов и отображающихся одновременно графиков.

Особенность цифрового осциллографа в том, что он имеет экран и преобразователь аналогового сигнала. У него есть память для сохранения данных о полученном графике колебаний. Часть информации анализируется в автоматическом режиме и отображается в обработанном виде. Аналоговый осциллограф не запоминает данные, а только показывает их в реальном времени.

Разверткой называется траектория движения луча, который улавливает колебания и выводит изображение на экран. Она бывает разной формы – эллиптической, круговой. Значение развёртки регулируется в зависимости от исследуемого сигнала по горизонтальной оси (временнóй).

Блок питания подаёт напряжение от сети 220 В на электронные схемы. Есть и аккумуляторные модели, способные работать автономно.

Что такое осциллограф?

В 1893 году французский физик Андре Блондель, внесший большой вклад в развитие науки, придумал новое устройство – осциллограф, заменившее стробоскоп, использовавшийся ранее для отслеживания изменений сигнала во времени. Для названия прибора были использованы два слова: осцилл – качаться (латынь) и графо – писать (древнегреческий). При внимательно рассмотрении становится понятно, что простейший осциллограф это вольтметр, к которому подключен кинескоп. Входной сигнал отображается на экране в виде движущейся светящейся волнообразной кривой. По форме линии, быстроте ее изменения можно судить о форме и поведении сигнала. Линия отображается на сетке, проградуированной в секундах (по горизонтали) и Вольтах (по вертикали).

Таким образом, работающий с осциллографом специалист может не пользоваться вольтметром, частотомером, амперметром, омметром. Необходимые ему параметры можно получить, изучая сигнал и рассчитывая нужную величину по закону Ома и другими физическим формулам.

Понятие и история создания

Под осциллографом принято понимать специализированный прибор, созданный для точного измерения, наблюдения и последующей записи параметров и характеристик электрического сигнала: временных и амплитудных. Подобные сигналы могут как подаваться на вход, так и регистрироваться непосредственно на дисплее или фиксироваться на фотоленту. Скачок современной науки сделал возможным исследование сигнала гигагерцовых частот.

Первая фиксация электрического колебательного процесса делалась на бумаге в ручном режиме. Начальные попытки по автоматизированию записи велись Жюлем Франсуа Жубером. Учёный в 1880 году представил к использованию полуавтоматический пошаговый метод регистрирования сигнала. Следующим шагом в развитии метода стал однограф Госпиталье, который стал полностью автоматическим.

В начале 1885 года русским физиком Робертом Колли был спроектирован и создан осциллометр. Доработав творение Колли, французский физик А. Блондель изобрёл магнитно-электрический осциллоскоп, оснащённый бифилярным подвесом. Невозможность фиксировать процессы с высокой скоростью из-за подвижности регистрирующих частей с большой инерцией была устранена в 1897 году. Дадделл Уильям предложил использовать миниатюрное зеркальце в качестве измерительного элемента.

Во второй половине XX века появились ленточные многоканальные осциллографы с горизонтальной развёрткой. Цифровые модели пришли на смену устаревшим аналогам и заняли лидирующую позицию среди быстрейших аналого-цифровых преобразователей.

Что такое осциллограф

Осциллограф позволяет визуально изучать характеристики сложных сигналов, рассчитывать временные и амплитудные параметры. Аналоговые модели отображают данные в реальном времени, современные цифровые позволяют архивировать информацию и проводить ее анализ. Для сравнения сигналов применяют устройства с несколькими информационными входами. В зависимости от решаемых задач, встречаются модификации в виде приставок к компьютеру или комбинированные с другой измерительной аппаратурой.

Какой выбрать осциллограф для диагностики авто

Рассмотрим наиболее удобные и информативные приборы.

USB Autoscope Постоловского

На первом месте в рейтинге практиков стоит осциллограф Постоловского USB Autoscope IV. Имеет обширные диагностические функции.

Преимущества

• Профессиональные скрипты от Андрея Шульгина.
• Удобный интерфейс.
• Широкий диапазон измерения от 6 до 300 вольт.
• Обработка скриптов в автоматическом режиме.
• Информативный скрипт эффективности по цилиндрам CSS, показывающий работу форсунок, системы зажигания.
• Тест аккумулятора, генератора, стартера. Показывает неисправности в автоматическом режиме. Легкий процесс съема характеристик: достаточно иметь доступ к плюсовой или минусовой клеммам АКБ.
• Тест давления в цилиндре. Показывает метки системы газораспределения, правильно ли стоят фазы. Выявляет провернутый задающий диск.

Полная документация по работе с прибором. Подробно описаны скрипты, схемы подключения. Есть видео инструкция на сайте производителя. Отзывчивая поддержка.

Мотодок 3

Вторым в списке рейтинга осциллографов для диагностики автомобиля любой марки стоит Мотодок 3. Имеет схожие характеристики.

Преимущества и недостатки

• Скрипт Андрея Шульгина эффективности цилиндров. Есть некоторые недостатки по синхронизации с некоторыми автомобилями, имеющими слабый сигнал с датчика коленчатого вала. Но это сглаживается удобством и быстрой работой.
• Подключения на любое расстояние по кабелю RJ 45.
• Качество картинки при диагностике, что не маловажно при работе.
• Подробная документация на сайте производителя.

Для примера приведены только два осциллографа для диагностики авто. Существуют и другие приборы: отличаются ценой, производителем, но принцип измерения одинаков. Самое главное иметь опыт в чтении осциллограмм к каждой марке автомобиля.

Особенности прибора

Аналоговые приборы требуют большого количества специфических настроек и высокой квалификации операторов – от качества калибровки зависит погрешность результатов, велико влияние человеческого фактора. Современные цифровые аппараты лишены этих проблем и позволяют в разы быстрее получать и интерпретировать данные, но их стоимость очень высока.

2. Ограничения двухканального (многоканального) осциллографа

Двухканальный (многоканальный) осциллограф отличается от двухлучевого (многолучевого) тем, что у него одновременное наблюдение разных сигналов обеспечивается быстрым переключением с одного канала на другой, т. к. применяется однолучевая трубка. Из-за чего на высоких скоростях развертки он «рвет» сигналы на экране. Двухлучевой (многолучевой) – имеет трубку с несколькими лучами, поэтому он сигналы не «рвет», но стоит обычно дороже.

Устройство

Осциллограф с дисплеем на базе ЭЛТ состоит из следующих основных частей:

• Осциллографическая электронно-лучевая трубка;
• Блок горизонтальной развёртки. Генерирует периодический или однократный сигнал пилообразной формы (линейно нарастающий и быстро спадающий), который подаётся на пластины горизонтального отклонения ЭЛТ. Во время спадающей фазы (обратный ход луча) также формируется импульс гашения электронного луча, который подаётся на модулятор ЭЛТ;
• Входной усилитель исследуемого сигнала, выход которого подключён к пластинам вертикального отклонения ЭЛТ.

Также содержатся вспомогательные блоки: блок управления яркости, калибратор длительности, калибратор амплитуды.

В цифровых осциллографах чаще всего используются ЖК-дисплеи.

Экран

Осциллограф имеет экран A, на котором отображаются графики входных сигналов. У цифровых осциллографов изображение выводится на дисплей (монохромный или цветной) в виде готовой картинки, у аналоговых осциллографов в качестве экрана используется осциллографическая электронно-лучевая трубка с электростатическим отклонением. На экран обычно нанесена разметка в виде координатной сетки.

Сигнальные входы

Осциллографы разделяются на одноканальные и многоканальные (2, 4, 6, и т. д. каналов на входе). Многоканальные осциллографы позволяют одновременно наблюдать на экране несколько сигналов, измерять их параметры и сравнивать их между собой.

Входной сигнал каждого канала подаётся на свой вход «Y» и усиливается своим усилителем вертикального отклонения до уровня, необходимого для работы отклоняющей системы ЭЛТ (десятки вольт) или аналого-цифрового преобразователя. Усилитель вертикального отклонения всегда строится по схеме усилителя постоянного тока (УПТ), то есть имеет нижнюю рабочую частоту 0 Гц. Это позволяет измерять постоянную составляющую сигнала, правильно отображать несимметричные сигналы относительно нулевой линии, измерять постоянное напряжение. Такой режим работы называется — режим с открытым входом.

Однако, если необходимо отсечь постоянную составляющую (например, она слишком велика и уводит луч за границы экрана), усилитель можно переключить в режим с закрытым входом (входной сигнал подаётся на УПТ через разделительный конденсатор).

Управление развёрткой

В большинстве осциллографов используются два основных режима развёртки:

• автоматический (автоколебательный);
• ждущий.

В некоторых моделях предусмотрен ещё один режим:

• однократный.

Автоматическая развёртка

При автоматической развёртке генератор развёртки работает в автоколебательном режиме, поэтому, даже в отсутствие сигнала, по окончании цикла развёртки — цикла генератора пилообразного напряжения развёртки происходит её очередной запуск, это позволяет наблюдать на экране изображение даже в отсутствии сигнала или при подаче на вход вертикального отклонения постоянного напряжения. В этом режиме у многих моделей осциллографов выполнен захват частоты генератора развёртки исследуемым сигналом, при этом частота генератора развёртки в целое число раз ниже частоты исследуемого сигнала.

Ждущий режим развёртки

В ждущем режиме развёртки напротив, при отсутствии сигнала или его недостаточном уровне (либо при неверно настроенном режиме синхронизации) развёртка отсутствует и экран гаснет. Развёртка запускается при достижении сигналом некоторого настроенного оператором уровня, причем можно настроить запуск развёртки как по нарастающему фронту сигнала, так и по падающему. При исследовании импульсных процессов, даже если они непериодические (например, непериодическое, достаточно редкое ударное возбуждение колебательного контура) ждущий режим обеспечивает зрительную неподвижность изображения на экране.

В ждущем режиме развёртку часто запускают не по самому исследуемому сигналу, а некоторым синхронным, обычно опережающим сам исследуемый процесс сигналом, например, сигналом импульсного генератора, возбуждающего ппроцесс в исследуемой схеме. В этом случае, запускающий сигнал подаётся на вспомогательный вход осциллографа — вход запуска развёртки — вход синхронизации.

Однократный запуск

При однократном режиме генератор развёртки «взводится» внешним воздействием, например, нажатием кнопки и далее ожидает запуска точно также, как и в ждущем режиме. После запуска развёртка производится только один раз, для повторного запуска генератор развёртки необходимо «взвести» снова. Этот режим удобен для исследования непериодических процессов, таких как логические сигналы в цифровых схемах, чтобы последующие запуски развёртки по фронтам сигнала не «замусоривали» экран.

Недостаток такого режима развёртки — светящееся пятно по экрану пробегает однократно. Это затрудняет наблюдение при быстрых развёртках, так как яркость изображения в этом случае мала. Обычно в этих случаях применяют фотографирование экрана. Необходимость фотографирования на фотоплёнку ранее устраняли применением осциллографических трубок с запоминанием изображения, в современных цифровых осциллографах запоминание процесса производится в цифровом виде в цифровой памяти (ОЗУ) осциллографа.

Синхронизация развёртки с исследуемым сигналом

Для получения неподвижного изображения на экране каждые последующие траектории движения луча по экрану в циклах развёртки должны пробегать по одной и той же кривой. Это обеспечивает схема синхронизации развёртки, запускающая развёртку на одном и том же уровне и фронте исследуемого сигнала.

Пример. Допустим, исследуется синусоидальный сигнал и схема синхронизации настроена так, чтобы запускать развёртку при нарастании синусоиды, когда её значение равно нулю. После запуска луч отрисовывает одну или несколько, в зависимости от настроенной скорости развёртки, волн синусоиды. После окончания развёртки схема синхронизации не запускает развёртку повторно, как в автоматическом режиме, а дожидается очередного прохождения синусоидой волны нулевого значения на нарастающем фронте. Очевидно, что последующее прохождение луча по экрану повторит траекторию предыдущего. При частотах повторения развёртки свыше 20 Гц, из-за инерционности зрения будет видна неподвижная картина.

Если запуск развёртки не синхронизирован с наблюдаемым сигналом, то изображение на экране будет выглядеть «бегущим» или даже совершенно размазанным. Это происходит потому, что в этом случае, отображаются различные участки наблюдаемого сигнала на одном и том же экране.

Для получения стабильного изображения все осциллографы содержат систему, называемую схемой синхронизации, которую в зарубежной литературе, не совсем корректно, часто называют триггером.

Назначение схемы синхронизации — задерживать запуск развёртки до тех пор, пока не произойдёт некоторое событие. В примере, событием было прохождение синусоиды через нуль на нарастающем фронте.

Поэтому, схема синхронизации имеет как минимум две настройки, доступные оператору:

• Уровень запуска: задаёт напряжение исследуемого сигнала, при достижении которого запускается развёртка.
• Тип запуска: по фронту или по спаду.

Правильная настройка этих органов управления обеспечивает запуск развёртки всегда в одном и том же месте сигнала, поэтому изображение сигнала на осциллограмме выглядит стабильным и неподвижным.

Во многих моделях осциллографов имеется ещё один орган управления схемой синхронизации, ручка плавной регулировки «СТАБИЛЬНОСТЬ», изменением её положения изменяют время нечувствительности генератора развёртки к запускающему событию («мертвое время» генератора развёртки). В одном крайнем положении генератор развёртки переводится в автоколебательный режим, в другом крайнем положении — в ждущий режим, в промежуточных положениях изменяет частоту запуска развёртки. Обычно в осциллографах, снабжённых этой регулировкой, отсутствует переключатель режима развёртки «ЖДУЩИЙ/АВТОМАТИЧЕСКИЙ»

Как было сказано, почти всегда предусмотрен дополнительный вход синхронизации развёртки, при этом имеется переключатель запуска развёртки «ВНЕШНИЙ/ВНУТРЕННИЙ», при положении «ВНЕШНИЙ» на вход схемы синхронизации развёртки подаётся не сам исследуемый сигнал, а напряжение со входа синхронизации.

Часто имеется переключатель на синхронизацию от питающей сети (в европейских странах и России — 50 Гц, в некоторых других странах — 60 Гц), при синхронизации от сети на вход схемы синхронизации подаётся напряжение с частотой сети. Такая синхронизация удобна для наблюдения сигналов с частотой сети, или сигналов кратных этой частоте, например, сетевых помех, измерении параметров сетевых фильтров, выпрямителей и др.

В специализированных осциллографах имеются и особые режимы синхронизации, например, режим запуска развёртки в момент начала заданной оператором номером строки в кадре телевизионного сигнала, что удобно при измерении параметров телевизионного тракта и отдельных его каскадов в системах телевидения.

В других специализированных осциллографах, применяемых при исследовании цифровых (например, микропроцессорных) устройств, схема синхронизации дополняется компаратором кодов и запуск развёртки производится при совпадении заданного оператором двоичного кода (слова) с кодом на шине, например, адреса. Это удобно для поиска причины сбоев при записи/чтении некоторой ячейки памяти и других диагностик.

4. Цифровой или аналоговый осциллограф?

Выбор «цифровой или аналоговый осциллограф» зависит от характера исследуемых процессов. Цифровой имеет память, широчайшие возможности рассматривать уже зарегистрированные кратковременные сигналы (есть возможность делать их скриншоты), цветной дисплей (что очень способствует восприятию информации), множество способов синхронизации, некоторые возможности обработки сигнала. У аналогового – наименьшие искажения наблюдаемого сигнала, что обычно приводится как основной довод в их пользу. Других, более серьезных доводов обычно не приводят.

Сфера применения

Это научные исследования, тестирование образцов на производстве, проверка качества телевизионных сигналов, выявление дополнительных шумов и искажений. Возможно использование в составе узкоспециализированных программно-аппаратных комплексов, где может применяться для диагностики неисправностей АСУ и исполнительных устройств.

Осциллограф в электронике

Первая мысль, приходящая в голову, что такое устройство непременно будет востребовано в электронике. Глядя на экран дисплея можно не только понять, что какой-то элемент работает, но и наглядно увидеть как именно, с какой частотой, правильно ли подобран его тип, выбран режим работы и так далее. Осциллограф требуется не только для наладки оборудования, но и при разработке, проектировании нового быстродействующего оборудования.

Соединительные шнуры и входы

Работа с осциллографом невозможна без специальных соединительных шнуров, используемых для снятия сигнала с заданной точки контролируемой электронной схемы. Каждый из них необходим для подключения к тому или иному входному гнезду, имеющему определённое функциональное назначение. В комплекте современного осциллографа может быть несколько таких соединителей, рассчитанных на работу с различными схемами. С ответной стороны они подключаются к специальному коаксиальному гнезду, расположенному в нижней части панели управления.

Для их обработки в любом случае потребуются ВЧ шнуры (их иногда ещё называют «концами»). Исключение составляют лишь низкочастотные приборы (НЧ), предназначенные для обработки сигналов с частотами до 1 МГц, в которых могут использоваться простые провода (без экранной оплётки).

Понятно, что двухлучевой осциллограф должен содержать в своём комплекте пару таких шнуров, подсоединяемых к двум различным гнёздам (они обозначаются как «Вход 1» и «Вход 2»). Иногда для внешней синхронизации развёртки к прибору может прикладываться ещё один «конец», подключаемый к входному разъёму под обозначением «Синхронизация».

Как подключить импортный осциллограф

Нужно внимательно ознакомиться с руководством пользователя, подготовить рабочее место для прибора, качественно его заземлить.

Важно! Заземление гарантирует, что при работе на корпусе не будет опасного статического заряда, коснувшись которого рукой можно получить удар.

Далее нужно определить точки для снятия сигнала, нулевую магистраль, посредством щупа произвести их коммутацию с аттенюатором (при неизвестных уровнях сигнала выставить максимальную амплитуду). Включить прибор, дать ему прогреться, выставить необходимые режимы и произвести замеры. Снять показания, замеры повторить несколько раз.

Исследуем RC-цепи с помощью осциллографа

Еще одним практическим упражнением работы с осциллографом может быть исследование RC-цепи с помощью осциллографа. Для этого нам потребуется генератор прямоугольных импульсов. Во многих осциллографах, в частности, и С1-65, есть калибратор. Это генератор постоянного напряжения или прямоугольных импульсов частотой 1 кГц.

Калибратор предназначен для калибровки, но его можно с успехом использовать как лабораторный генератор прямоугольных импульсов при налаживании и ремонте аппаратуры.

Но, есть осциллографы и без калибраторов, если ваш именно такой, то нужно будет взять лабораторный функциональный генератор или самому сделать простой генератор прямоугольных импульсов частотой около 1 кГц, по схеме, показанной на рисунке 1. Это простейший мультивибратор на цифровой микросхеме. Но для наших опытов он подходит.

Далее, мы будем рассматривать работу с калибратором осциллографа в качестве источника импульсов. Если же импульсы берутся от отдельного генератора (например, как на рис.1), нужно будет просто подавать их на исследуемую RC-цепь от него. При этом не забыть общий минус питания генератора соединить с клеммой «корпус» осциллографа.

Рис. 1. Схема простого генератора импульсов.

И так, если мы соединим куском провода гнезда «У» и «Выход калибратора», включим калибратор на генерацию импульсов размахом 5V. При этом ручкой «V/дел» выставим «1», а ручкой «время/дел» выставим «0,2mS», вход переключим на переменное напряжение «~», на экране осциллографа будет видно примерно то, что показано на рисунке 2. То есть, прямоугольные импульсы.

Рис. 2. Импульсы на экране осциллограф.

Для экспериментов с RC-цепью потребуется конденсатор емкостью 0,01 мкФ (часто обозначается как «10п» или «103») и переменный резистор сопротивлением 100 кОм.

Экспериментировать будем с двумя типами цепей, – дифференцирующей и интегрирующей.

Сначала подключаем дифференцирующую цепь, состоящую из резистора R1 и конденсатора С1 (рис. 3). Теперь импульсы

Рис. З. Подключаем дифференцирующую цепь.

от калибратора на вход «У» осциллографа поступают через цепь R1C1. Резистор R1 установить в положение максимального сопротивления. При этом, импульсы на экране осциллографа станут как на рис.4. Их амплитуда немного увеличится, но появится наклон в сторону к спаду.

Рис. 4. Импульсы на экране осциллографа.

Если начать поворачивать рукоятку переменного резистора R1, его сопротивление будет уменьшаться, и при этом, амплитуда импульсов будет увеличиваться, но и наклон в сторону к спаду тоже возрастает. На рисунке 5 уже совсем не похоже на прямоугольные импульсы. Однако амплитуда пиков сильно выросла. При дальнейшем повороте R1, амплитуда пиков будет продолжать расти, а наклоны приобретут параболический вид.

Рис. 5. Это уже не похоже на прямоугольные импульсы.

Но, при дальнейшем повороте R1, амплитуда начинает снижаться, и в самом крайнем положении, когда сопротивление R1 равно нулю, импульсы пропадают (это и не удивительно, ведь R1, в состоянии нулевого сопротивления, фактически замкнул вход осциллографа).

Вывод такой, что в результате дифференцирования прямоугольного импульса, он превращается в остроконечный импульс увеличенной амплитуды. Причем, чем больше R1, тем более импульс похож на прямоугольный.

Связанно это с тем, что от сопротивления R1 зависит время зарядки – разрядки конденсатора. И чем меньше R1, тем меньше это время. К тому же, при переходе от положительной полуволны к отрицательной (и наоборот), накопленное на конденсаторе напряжение добавляется к амплитуде импульса.

Поэтому, амплитуда напряжения на резисторе R1 в пиках увеличивается тем больше, чем быстрее заряжается конденсатор. Но при этом пики тем уже, чем меньше R1. Теперь поменяем детали местами, чтобы получилась схема, показанная на рисунке 6. RC-цепочка стала интегрирующей.

Рис. 6. Новая схема для эксперимента.

Если переменный резистор R1 находится в положении минимального сопротивления, на экране осциллографа будет как на рис. 7. Почти такие же прямоугольные импульсы, только фронты и спады слегка сглажены.

Начинаем поворачивать ручку переменного резистора R1, – фронты и спады еще сильнее сглаживаются и приобретают вид, как на рисунке 8. При этом амплитуда существенно снижается.

Выкручиваем ручку переменного резистора R1 до конца (в положение максимального сопротивления), – амплитуда импульсов сильно снижается, и они уже напоминают скорее треугольники (рис.9).

Рис. 7. Изображение на экране осциллографа для эксперимента.

В интегрирующей цепи осциллограф показывает напряжение на конденсаторе. На него поступают импульсы через резистор R1 и заряжают и разряжают его. Как и в первом случае, скорость заряда -разряда тем больше, чем меньше сопротивление резистора. Но, здесь ситуация обратная, поэтому, чем меньше R1 тем скорее С1 заряжается или разряжается до максимального или минимального значения.

А значит, тем круче фронты и спады импульсов на С1. Вот эти закругления, видимые на осциллограмме на рис. 7 и есть то самое время, в течение которого происходит зарядка и разрядка конденсатора.

И чем быстрее конденсатор заряжается, тем меньше эти участки. Быстрота же зарядки конденсатора зависит от сопротивления резистора R1, через который на него поступают импульсы.

С увеличением сопротивления резистора R1 конденсатор все медленнее и плавней заряжается – разряжается, – закругления, показывающие время зарядки – разрядки увеличиваются. Поэтому фронты и спады сглаживаются, становятся наклонными.

При дальнейшем увеличении сопротивления R1 время, необходимое на зарядку конденсатора до максимального напряжения увеличивается на столько, что уже становится больше длительности полу-периода импульса. Конденсатор просто не успевает зарядиться до максимальной величины, как начинается его разрядка.

Рис. 8. Фронты и спады еще более сглажены.

Рис. 9. Импульсы – треугольники на экране осциллографра.

Поэтому амплитуда импульса уменьшается на столько, на сколько конденсатор не успевает зарядиться. В конечном итоге форма импульсов все более и более становится похожа на треугольную.

Источник: РК-11-2016.

Основы управления

Большинство ручек, кнопок, переключателей осциллографа пригодятся только для профессионалов электронщиков. Поэтому рассмотрим основы, которых достаточно для большинства задач. Все остальные опции по сути, это дополнения, упрощающие исследования.

Интересные факты

• самостоятельное изготовление осциллографа или осциллографической приставки к телевизору или (позднее) персональному компьютеру имело место в практике квалифицированных любителей радиоэлектроники, однако эта потребность в настоящее время не столь актуальна ввиду наличия освоенных технологий массового производства изделий, исполняющих функции осциллографа и имеющих при этом низкую себестоимость, например, Arduino;
• многие радиолюбители используют тракт звукозаписи установленной в компьютере звуковой карты в качестве устройства ввода для измерения низких (20 Гц – 22 кГц) частот; для использования в качестве осциллографа дополнительно требуется программа[9];
• именно экран осциллографа использовался как дисплей для одной из первых видеоигр Tennis For Two, представляющий из себя виртуальный вариант тенниса. Игра работала на аналоговой вычислительной машине и управлялась специальным игровым контроллером paddle[10].

10. Время нарастания входного сигнала

Показатель «Время нарастания входного сигнала» – чем меньше, тем лучше. Это значит, что меньше будет «отгрызаться» начало первого сигнала на экране при внутренней синхронизации, и тем лучше частотные свойства осциллографа.

См. также

• Самописец
• Анализатор спектра

Как пользоваться осциллографом — видео

Уникальная статья на нашем сайте — electricity220.ru.

Как выбрать

Нужно представлять, в каких целях и как часто будет использоваться прибор, для изучения каких сигналов он предназначен. Учитывайте количество точек для одновременного измерения, одиночность или периодичность колебаний. Иногда используются устройства советского производства. Но получить точную настройку с их помощью трудно.

Количество каналов

По количеству каналов осциллографы могут быть одноканальными, простыми (2-4 канала), продвинутыми (до 16 каналов). Несколько каналов позволяют одновременно анализировать поступающие сигналы.

Тип питания

Прибор с аккумулятором можно брать с собой на выезд. Это удобно для мастеров, которые проверяют оборудование по месту его нахождения. Если выезды не производятся, лучше брать работающий от сети осциллограф, поскольку он стабильнее и надёжнее.

Частота дискретизации

Частота дискретизации важна для измерения однократных и переходных процессов. Чем выше этот параметр, тем более точное изображение сигнала на экране удастся получить.

Полоса пропускания

Для простых исследований цифровых схем и усилителей оптимальная звуковая частота – 25 МГц. Для профессионального измерения нужен прибор, у которого этот параметр – до 200 или даже до 500 МГц. Современные линии связи работают на очень высоких частотах. Частота исследуемых сигналов должна быть в 3-5 раз меньше величины полосы пропускания.

Примечания

Где купить цифровой осциллограф

Современные интернет-магазины и точки продажи в магазинах электроники предлагают приборы по ценам, которые значительно превышают прайс на Алиэкспрессе. Иногда такая разница достигает двух- или трехкратного размера, что делает выбор способа и места приобретения осциллографа очевидным. Выше рассматривался прибор марки OWON, однако многие пользователи оставляют положительные отзывы о более функциональном приборе Hantek, купить на Алиэкспресс можно по этой ссылке.

Дальнейшие действия

Когда фаза и минус определены, можно проводить измерения. В том случае, если вы не можете визуально определить общий для всех элементов провод, необходимо подключаться к точкам, между которыми нужно измерить напряжение. Но чаще всего в цепи имеется общий провод, он может даже быть соединен с заземлением. Таким же образом подготавливается и осциллограф ОМШ-2М. Как пользоваться им для измерения величин, будет рассказано ниже. В этом случае земляной провод осциллографа необходимо соединять с ним.

По сути, осциллограф – это вольтметр, который показывает график изменения напряжения на определенном участке времени. Но он позволяет увидеть и форму электрического тока. Для осуществления этого нужно подключить специальное токовое сопротивление. Причем значение его должно быть меньше, нежели полное сопротивление самой цепи. В этом случае резистор не сможет оказывать влияние на работу цепи.

12. Как связаны шумы и погрешность Разрешение экрана

Чем выше разрешение экрана, тем больше детализация. Выбирайте разрешение не менее 640 точек по горизонтали и не менее 480 точек по вертикали, многие современные относительно недорогие осциллографы уже имеют такие экраны. Экран должен быть цветным и с малой инерционностью. Черно-белые экраны с большой инерционностью – прошлый век.

13. Как связаны шумы и погрешность Когда нужен осциллограф с логическим анализатором?

Современная прикладная электроника – это в большинстве случаев «смесь цифры с аналогом». Расшифровка протоколов здесь не главное (хотя и не без нее). Но вот, допустим, имеем сигнал ШИМ, который в свою очередь может перейти во что угодно – ток, напряжение, температуру, магнитное поле, обороты и т. д. и т. п. Регулирование этих величин, допустим, выполняется с помощью микроконтроллера посредством какого-либо ПИД-регулятора. Как отрабатывать все тонкости этих процессов? Вот тут и придет на помощь встроенный в осциллограф логический анализатор. Конечно, все то же самое можно делать и отдельным анализатором, и синхронизировать его с аналоговыми сигналами. Но все это вы будете видеть на разных мониторах и засечь, что и после чего изменяется «от цифры в аналоге» уже будет очень неудобно и непродуктивно.

Таким образом, если вы собираетесь рассматривать цифровой и аналоговый сигналы одновременно, например, цифровой сигнал зависит (синхронизирован) от аналогового или наоборот, то лучшим решением будет осциллограф с логическим анализатором на борту или хотя бы с возможностью докупить логический анализатор позже (но нужно, чтобы у покупаемого осциллографа была такая опция). Отдельный логический анализатор удобен для работы с чистой цифрой.

Ссылки

• Основные принципы настройки осциллографа (видеоролик)
• Объяснение работы с осциллографом «на пальцах»

Настройка осциллографа

Перед использованием нового устройства проводится его калибровка с помощью находящихся на корпусе генератора прямоугольных импульсов. Сигнальный щуп подключают к калибровочному выходу, при этом на экране появляется «пила» – зигзагообразная линия. Нужно проверить работу всех функций и регуляторов.

Сейчас осциллографы регулярно используют в сфере электроники. Есть большой выбор устройств, позволяющих наблюдать за параметрами электрических колебаний. Без осциллографа не обойтись ни инженеру-профи, ни рядовому любителю радиоэлектроники.

Режим входа

При анализе сигналов с большой постоянной составляющей удобно не учитывать ее при выводе значений на экран: итоговая амплитуда может просто выйти за границу шкалы. Для ее отсечки используется режим с закрытым входом. Если нужно учесть низкие частоты и постоянную, работу ведут в режиме открытого входа.

Литература

• Войнаровский П. Д.,. Электрические измерительные аппараты // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Hawkins, Nehemiah. Hawkins Electrical Guide. — 2nd. — Theo. Audel and Co., 1917. — Vol. 6.
• Р. Г. Карпов, Н. Р. Карпов, Электрорадиоизмерения М.: «Высшая школа», 1978
• Green, Leslie O. Analog Seekrets: DC to Daylight. — Future Science Research Press, 2007. — ISBN 9780955506406.

Измеряемые процессы

По принципу работы приборы делят на:

• Специальные. Имеют блоки для целевого использования (например, телевизионные осциллографы).
• Стробоскопические. Чувствительные приборы для исследования кратковременных повторяющихся процессов.
• Скоростные. Используют для фиксации процессов с высокой скоростью (с точностью до нано- и пикосекунд).
• Запоминающие. Сохраняют полученное изображение. Обычно применяют для изучения редких однократных действий.
• Универсальные. Исследуют разные процессы.

Для чего он нужен

Для чего нужен осциллограф? Это просто необходимая вещь при ремонте электронной аппаратуры, при самостоятельной сборке или усовершенствовании каких-либо устройств. Многим хватает тестера или мультиметра. Да. Но для ремонта простых устройств без микросхем и микропроцессоров. Мультиметром вы можете проверить наличие обрыва, короткого замыкания, измерить напряжение и ток. Ни форму сигнала, ни конкретные параметры синусоиды или импульсов не измерить и не увидеть.

Осциллограф нужен для измерения напряжения и визуального отображения сигналов. На фото цифровой двухканальный осциллограф Hantek DSO5102B в рабочем режиме

А ведь бывает так, что все детали, вроде исправны, но устройство не работает. А все потому что некоторые детали требовательны не только к физическим параметрам питания (напряжение, сила тока), но и к форме сигнала. Этим «страдают» некоторые полупроводниковые детали, практически все микросхемы и процессоры. А без них сейчас обходятся только самые элементарные приборы типа кипятильника. Вот и получается, что найти сгоревший резистор, пробитый транзистор можно и мультиметром. Но для чуть более сложную поломку уже не устранить. Вот для этих случаев и нужен осциллограф. Он позволяет видеть форму сигнала, определять есть ли отклонения и находить источник проблемы.

17. Минусы портативных осциллографов

У портативных приборов цены выше, а параметры хуже, это известно. В частности, «настольные» осциллографы давно «доросли» до 1-2 мегасемплов (мегабайт) памяти выборок, а у портативных эта память по-прежнему 1-40 килосемплов (килобайт).

Как проводятся измерения

Работа с осциллографом предусматривает проведение предварительной подготовки: выбор режима синхронизации, входа, шкалы измерений, затем можно приступать к измерениям.

Как измерить напряжение

После снятия с информационного входа данных с помощью регулировки синхронизации развертки получается устойчивое изображение, которое совмещается со шкалой на экране. Проводят несколько замеров, вычисляют среднее значение. Действующее значение выводят согласно шкалы измерений.

Как измерить частоту

Настроив картинку хорошего качества, на которой виден период изменения сигнала, совместив его начало с началом горизонтальной линейки и зная единицы шкалы измерений, можно вычислить частоту, которая обратно пропорциональна периоду.

Как определяется сдвиг фаз

Стабилизировав изображение с двумя сигналами (вот для чего необходим двухлучевой осциллограф), для удобства необходимо разнести значения амплитуд и совместить начала периодов, на экране будет виден сдвиг фаз. Для вычисления значения можно использовать формулу:

где:

• а – расстояние в делениях между точками прохождения нулевой отметки осциллограмм,
• b – период в делениях шкалы.

При наличии только одноканального прибора возможно определение сдвига фаз по фигурам Лиссажу, но это сложнее.

Области применения

Осциллограф предназначен для изучения динамических процессов. Чтобы пользоваться прибором правильно, следует не превышать конструкционные возможности. Ниже представлены примеры решения практических задач.

Наблюдение фигур Лиссажу

При одновременной подаче на входы осциллографа сигналов с приблизительно равными частотами на экране будут видны характерные изображения. Этот метод используют для настройки генератора по эталонному образцу.

Фигура Лиссажу на ЭЛТ аналогового прибора

Курсорные измерения

Для повышения точности измерений на экран выводят вспомогательные координатные полосы (курсоры). При хорошей оснащенности осциллограф индицирует отдельные показатели в цифровом виде.

Математические функции

Некоторые модели современных осциллографов (блоки для подключения к компьютеру) способны обрабатывать сигналы по сложному алгоритму. Необходимый вариант описывают соответствующей математической функцией: сложение, вычитание или др.

Захват строки телевизионного сигнала

В соответствии с названием такой режим предназначен для изучения телевизионного сигнала. Главная особенность – специальная синхронизация, позволяющая выводить на экран необходимое количество строк.

19. Что такое автомобильный диагностический сканер?

Для «общей» автодиагностики применяют диагностический адаптер или CAN-Bus автомобильный диагностический сканер, представляющий собой осциллограф смешанных сигналов – осциллограф со встроенным логическим анализатором, который, используя специальное ПО, выполняет дешифровку протоколов CAN/KWP2000/др. и трактует полученные данные. Система управления современного двигателя, отвечающего строгим нормам токсичности, в качестве главного своего элемента содержит электронный блок управления (ЭБУ). Так вот сканер предназначен именно для работы с ЭБУ, для его «сканирования». А так как сканер работает с блоком, то он позволяет:

• Наблюдать сигналы с датчиков системы, следить за их изменением во времени.
• Проверять работу исполнительных механизмов путем приведения их в действие и визуального или другого контроля.
• Считывать сохраненные системой коды неисправностей.
• Посмотреть идентификационные данные ЭБУ, системы и т. п.