Принцип работы цифрового осциллографа

Осциллограф – электронный прибор для измерения электрических сигналов в цепи и наблюдения за ними. Определение формы и параметров колебаний необходимо для отслеживания корректности работы оборудования.

Первые попытки создать прибор для определения электрических колебаний относятся ещё к 1880 году. Их делали французские и русские физики. Первые осциллографы были аналоговыми. С 1980-х годов сигналы стали фиксироваться с помощью цифрового оборудования.

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.

Виды осциллографов

По принципу действия осциллографы бывают цифровыми и аналоговыми. Существуют смешанные аналого-цифровые приборы. Всё чаще выпускают виртуальные. Там в качестве экрана используется другой прибор – монитор компьютера, телевизора.

Работа некоторых моделей основана на электромеханическом принципе:

• электродинамический;
• электростатический;
• выпрямительный;
• электромагнитный;
• магнитоэлектрический;
• термоэлектрический.

Прибор может работать самостоятельно или являться приставкой к другому оборудованию (например, компьютеру). Во втором случае цена ниже, но сам прибор зависим от внешнего устройства.

Виды развёрток

В разных режимах работы осциллографа линейные (создаваемых пилообразным напряжением) развёртки могут различаться:

• Однократная. Генератор запускается один раз, затем блокируется. Такая развёртка нужна для фиксирования неповторяющихся сигналов.
• Ждущая. Запуск происходит сразу после сигнала. Нужна для наблюдения за редкими колебаниями.
• Автоколебательная. Генератор периодически включается при отсутствии сигнала. Удобна для отображения частых периодических импульсов.

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.

Где применяют осциллографы?

Информация, которую даёт осциллограф:

• значения напряжения, временные параметры колебаний;
• сдвиг фаз, искажение импульса на разных участках цепи;
• частота (определяется путем фиксирования его временных характеристик);
• переменная и постоянная составляющие колебаний;
• процессы в цепи.

Осциллографы используют как в практических, так и в научно-исследовательских целях. Для простых измерений можно воспользоваться мультиметром, но в большинстве случаев осциллограф незаменим.

Приборы для измерения колебаний применяют при настройке электронного оборудования. К примеру, для регулировки телевизионного сигнала необходимо получить его осциллографическое изображение. Приборы также используются при ремонте блоков питания, диагностике печатных плат.

При ремонте автомобилей устройство поможет получить данные о положении коленчатого и распределительного валов, датчиков положения. Данные осциллограммы расскажут о наличии импульса на катушке, укажут на неисправность свечей и проводов, диодного моста генератора.

Медицинское оборудование (кардиографы, энцефалографы) тоже работает по принципу осциллографирования. Только электрические колебания, измеряемые ими, происходят в живых организмах.

Методика измерений

Осциллограф измеряет электрическое напряжение и формирует амплитудный график электрических колебаний. Цифровые приборы могут запоминать полученный график, возвращаться к нему.

Колебания отображаются на экране в двухмерной системе координат (напряжение – вертикальная ось, время – горизонтальная ось), формируя график — осциллограмму. Есть ещё третий компонент исследований – интенсивность сигнала (или яркость).

При отсутствии входных импульсов на экране горизонтальная линия – «нулевая», обозначающая отсутствие напряжения. Как только на вход (или входы) прибора подаётся напряжение, на экране становятся видны один или несколько графиков одновременно (зависит от количества измеряемых сигналов).

График электрических колебаний по форме может представлять собой:

• синусоиду;
• затухающую синусоиду;
• прямоугольник;
• меандр;
• треугольники;
• пилообразные колебания;
• импульс;
• перепад;
• комплексный сигнал.

Для получения стабильного графика колебаний в приборе стоит блок синхронизации. Получить цикличное отображение колебаний можно только после установки значения синхронизации. Оно принимается за «стартовое», служит отправной точкой графика. Все скачки отображаются по отношению к этой точке.

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.

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.

Что такое цифровой осциллограф и как он работает

Содержание статьи

Поскольку человек не может увидеть радиоволны и ток, работа со сложной радиоэлектронной аппаратурой требует наличия специального оборудования, способного не только зафиксировать колебания, помехи и искажения сигналов, но и отразить их наглядно. Поэтому в 1985 году были разработаны первые цифровые осциллографы. Данные контрольно-измерительные приборы позволяют исследовать амплитудные и временные параметры.

История создания началась еще в 1893 году, после изобретения французским физиком-инженером магнитоэлектрического прибора, способного регистрировать характеристики электрического сигнала.

Позже, в 1946 году, был создан осциллограф со ждущей разверткой, который начинал функционировать только после определенного импульса.

Аналоговые агрегаты совершенствовались и изменялись, пока в 1985 году и не была представлена эффективная цифровая модель.

Конструкция и принцип работы цифрового осциллографа

Современное устройство включает в себя ПЗУ и ОЗУ, масштабирующий модуль, АЦП, контроллер, органы управления и дисплей.

Измерение цифровым осциллографом позволяет совершать множество операций, получая разнообразные данные:

• напряжение постоянного и переменного тока;
• частоту и период;
• характеристики и сопротивление напряжения;
• звук, шум и соотношение шума к сигналу;
• амплитуду и сдвиг фаз;
• рабочий цикл;
• падение напряжения;
• время подъема и падения.

Наблюдение и контроль периодических сигналов разных форм (треугольной, прямоугольной и синусоидальной) осуществляется посредством прохождения входного сигнала через масштабирующее устройство, где он усиливается и разделяется в аналогово-цифровой преобразователь, отвечающий за визуализацию. После модификации информация сохраняется в блоке памяти. Далее происходит реконструкция и вывод значений на дисплей.

Применение цифрового осциллографа

Широкий диапазон развертки позволяет контролировать даже наносекундные интервалы, наблюдать сигналы в различных точках схемы и измерить время нарастания импульса, что имеет большую важность в работе с цифровой аппаратурой.

Оборудование разных типов помогает осуществлять проверку, настройку и регулировку многообразной радиоэлектроники, электронной техники, ремонт бытовой техники и диагностику ТС. Такие устройства широко применяются в медицине, прикладных, лабораторных и научно-исследовательских сферах.

Разновидности

Типы цифровых осциллографов, в зависимости от конструкции и возможностей, обладают емким сенсорным дисплеем, большим набором измерительных приложений, высокой скоростью обновления показателей на экране и внушительной памятью. Классифицировать их можно по-разному. Например, по принципу действия различают две группы:

• электронные – подразделяются в свою очередь на цифровые и аналоговые приборы (по принципу обработки информации);
• электромеханические – подразделяются на выпрямительные, магнитоэлектрические, электродинамические, электромагнитные, термоэлектрические и электростатические модели.

По количеству лучей и каналов различают однолучевые и многолучевые разновидности (16 и более), а также одноканальные и многоканальные (до 16 каналов) аналоги.

Эти две группы контрольно-измерительных устройств имеют одно существенное отличие.

Многоканальные осциллографы переключатся с одного канала на другой, чтобы наблюдать разные сигналы, из-за чего на высоких скоростях развертки сигналов «рвутся». Благодаря многолучевой трубке такой проблемы не возникает.

В зависимости от характеристик различают:

• аналоговые;
• аналогово-цифровые;
• цифровые – делятся на запоминающие (DSO) и люминофорные (DPO);
• комбинированные;
• виртуальные (на базе ПК).

В последнее время производители выпускают достаточно много портативных аппаратов, сочетающих в себе функции цифрового осциллографа и мультиметра, которые позволяют работать в полевых условиях. По назначению осциллографы подразделяются на 5 видов: специальные, скоростные, запоминающие, стробоскопические и универсальные (моноблочные модели и вариации со сменными блоками).

Отличие аналогового осциллографа от цифрового

Принципиальная разница между этими разновидностями заключается в габаритах, возможностях запоминания, а также в методах обработки. Например, аналоговые осциллографы транслируют сигнал в реальном времени, без возможности записи. Аналогово-цифровые модели позволяют увидеть динамику изменения времени или амплитуды.

Полностью цифровые аналоги, соответственно, способны осуществлять цифровую обработку, оцифровывая синусоиду и передавая полученную информацию на дисплей.

Следует учитывать то, что циклическая память не позволяет хранить большие массивы данных.

Поэтому в случае если пользователю требуется записать сигналы длиной пять-десять минут, потребуется осциллограф с большой глубиной памяти (запоминающий).

Также существуют цифровые осциллографы с режимом сегментированной памяти, позволяющие записывать только определенную информацию, форма которой задается пользователем через меню. Это позволяет исследовать однократные или редко повторяющиеся процессы.

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Цифровой осциллограф для начинающих. Ч1

Что такое осциллограф и для каких целей он нужен, ты можешь узнать из предудщих статей: Как пользоваться осциллографом и для чего он вообще нужен. Часть I и Как пользоваться осциллографом и для чего он вообще нужен. Часть II

Если же тебе их читать лень, то скажу, что главная задача этого прибора в том, чтобы отобразить на экране изменение электрического сигнала с течением времени. Для этого на экране осциллографа размечена координатная система. Обычная декартова система, на которой имеются ось X и ось Y. По оси X отмечается время, а по оси Y — напряжение.

Всякие управляющие ручки и кнопочки, которые расположены вокруг экрана прибора предназначены для того, чтобы можно было настраивать отображение сигнала: масштаб по Х, масштаб по Y, триггеры и курсоры. Таким образом можно как бы отдалить или приблизить сигнал, чтобы рассмотреть его по лучше.

Хочу также заметить, что современный осциллограф отличается от своих предшественников тем, что представляет собой компьютер, который собирает, преобразует, анализирует и манипулирует измеренными значениями сигнала, поданного на вход. Это современный вычислительный комплекс.

Осциллограф очень полезен при:

• Измерении частоты и амплитуды сигнала, что может сильно помочь при отладке создаваемой тобой схемы.
• Определении уровня шума в цепи
• Визуальном контроле формы сигнала
• Определение сдвига фаз между двумя сигналами
• …и другие способы применения. Например, анализ работы датчиков автомобиля.

Осциллографы применяются при создании, наладке, ремонте различных электронных приборов:от сотовых телефонов, до эл. цепей автомобильных двигателей. От гражданских до военных.

Они нужны везде.

В дополнение к описанным выше возможностям, многие современные приборы имеют дополнительные функции, с помощью которых можно быстро узнать частоту сигнала, его амплитуду и многие другие характеристики.

Некоторые приборы уже предоставляют возможность провести с сигналами в реальном времени различные математические преобразования или, например, быстрое преобразование фурье. В целом, осциллограф позволяет наблюдать на экране временные и физические характеристики сигнала.

Вот как выглядит такое меню функций у Siglent SDS 1202X-E (38 параметров!):

На мой взгляд, это очень удобно и полезно. Поэтому следует все таки обращать свое внимание на современный инструментарий. Благодаря хорошим измерительным приборам можно сильно сократить время поиска неисправности.

Особенно это касается осциллографа, который является единственными «глазами», которые позволяют заглянуть внутрь происходящего в электронной цепи и оценить временные и физические характеристики сигналов в этой цепи.

→ Временные характеристики:

Частота и период, скважность и коэфф. заполнения (Duty cycle), время спада и нарастания сигнала.

→ Физические характеристики:

Амплитуда,  максимум и минимум сигнала, средне квадратичное, среднее значение напряжения и т.д.

Принцип работы цифрового осциллографа

Цифровые осциллографы, в отличие от аналоговых, не повторяют получаемый сигнал сразу на экран, а предварительно его преобразовывают в «цифровую» форму.

Для этого входной сигнал замеряется определённое число раз в секунду, затем прибор после некоторых преобразований этих данных реконструирует сигнал и отображает его на экране.

 Оцифровка выполняется помощью блока аналогово-цифрового преобразования. 

Ключевые характеристики цифрового осциллографа

Еще 5-6 лет назад большинство радиолюбителей (а некоторые и по сей день) пользовались приборами, которые остались ещё от СССР. В свое время это были замечательные приборы со своими плюсами и минусами.

Но СССР уже нет более четверти века, а технологии продолжали развиваться, совершенствоваться и дешеветь.

Теперь у нас есть возможность пользоваться современными цифровыми приборами с превосходными характеристиками.

Для того, чтобы научиться пользоваться современным цифровым осциллографом требуется освоить небольшой, но специфичный набор понятий и принципов, на основе которых строится его работа. Это по силам каждому. Приступим.

→ Полоса пропускания

Осциллографы (Oscilloscope, O-Scope) не могут измерять абсолютно любые сигналы. Все приборы имеют ограничения, которые определяют сигналы какой минимальной и максимальной частоты или амплитуды с помощью этого прибора могут быть измерены.

А полоса пропускания — это как раз та характеристика прибора, которая говорит тебе какой диапазон частот может быть измерен этим прибором.

Говоря про полосу пропускания осциллографов обычно имеют ввиду верхнюю границу, так как нижняя граница — это сигнал постоянного тока и его умеют рисовать абсолютно все приборы.

К слову, на самом деле при реальных измерениях диапазон ещё уже, чем заявляет полоса пропускания. В современных цифровых приборах сигнал проходит оцифровку и обработку, прежде чем попадёт на экран прибора.

Существует определенная теоретическая база из-за которой производители советуют выбирать прибор таким образом, чтобы его полоса пропускания была в 3 раза больше, чем измеряемый синусоидальный сигнал в 4 или в 5 раз больше, если сигнал цифровой (т.е.

всякие разные формы и виды прямоугольных сигналов).

Нижняя и верхняя границы полосы пропускания — это частоты среза сигнала. Сигнал начиная с частоты среза начинает ослабляеться в два (или на 3Дб = log102) и больше раз с ростом частоты.

→ Количество каналов

Многие современные осциллографы могут анализировать сразу несколько сигналов, отображая их на экране одновременно. Обычно прибор содержит от двух до четырех каналов.

Тут важно знать как устроен конкретный осциллограф.

Дело в том, что часто каналы разделяют между собой какие-нибудь общие ресурсы, что в итоге сказывается на общей производительности прибора при использовании сразу нескольких каналов.

→ Частота дискретизации (Sampling rate)

Эта характеристика касается только цифровых осциллографов. Она определяет сколько раз в ед. времени осциллограф считывает измеряемый сигнал. Для приборов, имеющих более одного канала, частота дискретизации может уменьшиться, если одновременно используется несколько каналов.

Это зависит от конструкции конкретного прибора, но в большинстве случаев это работает так. В цифровых осциллографах частота дискретизации неразрывно связана с полосой пропускания. Например, у моего Siglent SDS 1202X-E этот параметр равен 1х109.

Чем выше этот параметр, тем лучше, так как осциллограф получает больше информации о сигнале.

Вообще, этот пункт довольно важен. Для того, чтобы понять почему это так следует хотя бы слегка разобраться в процессе аналогово-цифрового преобразования.

А значит пришло время достать из пыльного угла теории теорему Котельникова (теорема отсчетов), которую, на мой взгляд, довольно несправедливо иногда называют теоремой Шенона-Котельникова.

Котельников доказал её в 1933г, когда Шенону было всего 17, а Найквист так и не доказал этой теоремы. Ладно, сосредоточимся на главном.

Важное значение этой теоремы заключается в том, что если проводить замеры сигнала (например, синусоиды) с частотой хотя бы 2 раза выше частоты этой синусоиды, тогда по этим измерениям можно будет восстановить исходный сигнал с минимальной потерей информации. Т.е. если замерять сигнал через интервал Δt, то мы сможем его гарантированно восстановить.

Таким образом частота дискретизации цифрового осциллографа является одним из факторов, определяющих максимальную частоту сигналов, которые мы сможем без потерь увидеть на экране. 

А что если интервал больше необходимого? Тогда получится что-то подобное:

Т.е. после восстановления окажется, что восстановлденный сигнал меньшую частоту, чем измеряемый сигнал. Мы также можем потерять некоторые детали сигнала. Например, краткие всплески. Таким образом получается, что для измерения сигнала 100Мгц требуется прибор с частотой дискретизации хотя бы 200Мгц. Но хватит ли такой частоты выборки на самом деле?

Пока что я рассматривал ситуацию идеального сигнала, который не содержит в себе частотных компонент, превышающих по частоте основную. частоту сигнала.

Как например какой-нибудь прямоугольный сигнал, который содержит всебе множество компонент (гармоник) с частотами значительно выше основной частоты сигнала (но меньшей амплитуды). В таком случае т.

Котельникова говорит нам, что на практике частота дискретизации должна быть в 4-5 раз выше, чем верхняя граница полосы пропускания осциллографа. А значит для прибора с полосой до 200 Мгц частота дискретизации должна быть больше 800Мгц.

У меня Siglent SDS1202X-E с полосой пропускания 200Мгц и частотой выборки 1000Мгц (1Ггц или 1GSa/s) в режиме 1го канала. Так что, если надо посмотреть сигнал близкий к 200Мгц, то прибор в принципе справится. При условии, что будет использован только один канал.

Если же задействовать для измерений сразу два канала, тогда полоса пропускания «сократится» до 100Мгц. Т.е. примерно до этой частоты сохранится соотношение между частотой выборки и частотой сигнала, которое позволит достаточно точно воспроизвести оцифрованный сигнал.

→ Эквивалентная частота дискретизации

Иногда не хватает реальной частоты дискретизации. Например, когда измеряется сигнал с частотой близкой к пределу полосы пропускания, а реальная частота дискретизации уже не соответствует условиям т. Котельникова. Тогда вступает в бой эквивалентная дискретизация.

По факту, это чисто технический трюк, когда итоговая картинка конструируется на основе нескольких последовательных измерений. Но при этом каждое последующее измерение сигнала слегка смещено от предыдущего, чтобы получить больше точек для восстановления исходного сигнала.

Таким образом, если ты измеряешь сигнал 200МГц на осциллографе с полосой до 200МГц и частотой дискретизации 1 миллиард выборок в сек (1GSa/s), то тогда на один период сигнала ты получишь всего 5 измерений.

В принципе, из т.

Котельникова следует, что этого должно хватить, но для лучшей детализации лучше включить эквивалентную дискретизацию и тогда ты получишь вместо 1GSa/s уже 2 GSa/s (хоть и чисто алгоритмическим путем)

Более подробно о эквивалетной дискретизации и джиттере синхронизации вот в этой неплохой статье

→ Глубина памяти

Цифровые осциллограф по праву называются запоминающими (DSO = Digital Storage Oscilloscope), так как запоминают измеренный сигнал.  Точнее они сохраняют во временной памяти измеренные значения сигнала в отдельные моменты времени.

На что влияет данный параметр? Чем больше глубина памяти, тем выше частота дискретизации по мере снижения скорости развертки – время/дел. Дело в том, что ниже скорость развертки, тем больше измеренных значений осциллографу приходится сохранять у себя в памяти для последующей обработки и отображении на экране.

Так что в целом, чем больше глубина памяти, тем лучше. Однако, и здесь есть особый случай. При измерении на медленных значениях развертки может страдать скорость обновления осциллограм на экране, а также прибор может «подтормаживать», медленно реагируя на управление.

Поэтому следует внимательно смотреть руководства и отзывы на желаемую модель прибора перед тем, как его купить. 

Довольна подробная статья по этой теме от Agilent Technologies

→ Cкорость обновления сигналов на экране

Чем выше у прибора скорость обновления сигналов на экране, тем меньше у него величина мертвого времени, т.е. времени, которое требуется на обработку захваченных данных перед тем, как они будут выведены на экран.

Понятно, что чем оно меньше, тем быстрее будут обновляться осциллограммы на экране цифрового осциллографа. Тем выше вероятность, что осциллограф захватит и вовремя покажет на экране какую-нибудь аномалию в сигнале.

Конечно, в нашей радиолюбительской жизни это может и не играет особой роли, но тем не менее параметр довольно важный. 

→ Максимальное входное напряжение

Любая деталь или цепь имеет предельно-допустимое напряжение. Осциллограф не исключение. Если подать на его вход (не приняв доп. мер) напряжение, которое превышает максимально допустимое, то есть высокий шанс того, что прибор юудет поврежден. 

Для моего прибора максимальное напряжение в режиме щупа 1:1 равняется 40 вольт, а в режиме 1:10 около 400. Но, я бы не стал лезть щупом в цепь с напряженим 400В без доп. защиты и себя и прибора. Электричество шуток не любит и премию Дарвина может выписать в милисекунду =)

В этой вводной статье я хотел показать, что ничего страшного в цифровых осциллографах нет, но для того чтобы эффективно их использовать в своей домашней лаборатории следует понимать как они устроены, идеи, на основе которых они созданы, а также понимать какие характеристики прибора являются существенными. На что следует смотреть при покупке осциллографа. В следующей части я продолжу рассказ о цифровых осциллографах. 

Для чего нужен осциллограф и как им выполнять измерения тока, напряжения, частоты и сдвига фаз

Осциллограф — устройство, демонстрирующие силу тока, напряжение, частоты и сдвиг фаз электрической цепи. Прибор отображает соотношение времени и интенсивности электрического сигнала. Все значения изображены при помощи простого двумерного графика.

Для чего предназначен осциллограф

Осциллограф используется электронщиками и радиолюбителями для того, чтобы измерить:

• амплитуду электрического сигнала — соотношение напряжения и времени;
• проанализировать сдвиг фаз;
• увидеть искажение электрического сигнала;
• на основе результатов вычислить частоту тока.

Несмотря на то, что осциллограф демонстрирует характеристики анализируемого сигнала, чаще его используют для выявления процессов происходящих в электрической цепи. Благодаря осциллограмме специалисты получают следующую информацию:

• форму периодического сигнала;
• значение положительной и отрицательной полярности;
• диапазон изменения сигнала во времени;
• длительность положительного и отрицательного полупериода.

Большинство из этих данных можно получить при помощи вольтметра. Однако тогда придётся производить замеры с частотностью в несколько секунд. При этом велик процент погрешности вычислений. Работа с осциллографом значительно экономит время получения необходимых данных.

Принцип действия осциллографа

Осциллограф выполняет замеры при помощи электронно-лучевой трубки. Это лампа, которая фокусирует анализируемый ток в луч. Он попадает на экран прибора, отклоняясь в двух перпендикулярных направлениях:

• вертикальное – показывает исследуемое напряжение;
• горизонтальное – демонстрирует затраченное время.

За отклонение луча отвечают две пары пластин электронно-лучевой трубки. Те, что расположены вертикально,  всегда находятся под напряжением. Это помогает распределять разнополюсные значения. Положительное притяжение отклоняется вправо, отрицательное — влево. Таким образом, линия на экране прибора движется слева направо с постоянной скоростью.

На горизонтальные пластины также действует электрический ток, что отклоняет демонстрирующий показатель напряжения луча. Положительный заряд — вверх, отрицательный — вниз. Так на дисплее устройства появляется линейный двухмерный график, который называется осциллограммой.

Расстояние, которое проходит луч от левого до правого края экрана называется развёрткой. Линия по горизонтали отвечает за время измерения. Помимо стандартного линейного двухмерного графика существует также круглые и спиральные развёртки. Однако пользоваться ими не так удобно как классическими осциллограммами.

Классификация и виды

Различают два основных вида осциллографов:

• аналоговые — аппараты для измерения средних сигналов;
• цифровые — приборы преобразовывают получаемое значение измерений в «цифровой» формат для дальнейшей передачи информации.

По принципу действия существуют следующая классификация:

1. Универсальные модели.
2. Специальное оборудование.

Наиболее популярными являются универсальные устройства. Эти осциллографы используют для анализа различных видов сигналов:

• гармонических;
• одиночных импульсов;
• импульсных пачек.

Универсальные приборы предназначены для разнообразных электрических устройств. Они позволяют измерять сигналы в диапазоне от нескольких наносекунд. Погрешность измерений составляет 6-8%.

Универсальные осциллографы делятся на два основных вида:

• моноблочные — имеют общую специализацию измерений;
• со сменными блоками — подстраиваются под конкретную ситуацию и тип прибора.

Специальные устройства разрабатываются под определённый вид электрической техники. Так существуют осциллографы для радиосигнала, телевизионного вещания или цифровой техники.

Универсальные и специальные устройства делятся на:

• скоростные – применяются в быстродействующих приборах;
• запоминающие — аппараты, сохраняющие и воспроизводящие ранее сделанные показатели.

При выборе устройства следует внимательно изучить классификации и виды, чтобы приобрести прибор под конкретную ситуацию.

Устройство и основные технические параметры

Каждый прибор имеет ряд следующих технических характеристик:

1. Коэффициент возможной погрешности при измерении напряжения (у большинства приборов это значение не превышает 3%).
2. Значение линии развёртки устройства — чем больше эта характеристика, тем дольше временной промежуток наблюдения.
3. Характеристика синхронизации, содержащая в себе: диапазон частот, максимальные уровни и нестабильность системы.
4. Параметры вертикального отклонения сигнала с входной ёмкостью оборудования.
5. Значения переходной характеристики, показывающие время нарастания и выброс.

Помимо перечисленных выше основных значений, у осциллографов присутствуют дополнительные параметры, в виде амплитудно-частотная характеристики, демонстрирующей зависимость амплитуды от частоты сигнала.

Цифровые осциллографы также обладают величиной внутренней памяти. Этот параметр отвечает за количество информации, которую аппарат может записать.

Как выполняются измерения

Экран осциллографа поделён на небольшие клетки, которые называются делениями. В зависимости от прибора каждый квадрат будет равен определённому значению. Наиболее популярное обозначение: одно деление – 5 единиц. Также на некоторых приборах присутствует ручка для управления масштабом графика, чтобы пользователям было удобнее и точнее производить измерения.

Прежде чем начать измерение любого рода следует присоединить осциллограф к электрической цепи. Щуп подключается на любой из свободных каналов (если в приборе, больше чем 1 канал) или на генератор импульсов, при его наличии в устройстве. После подключения на дисплее аппарата появятся различные изображения сигналов.

Если сигнал получаемый прибором обрывистый, то проблема заключается в присоединении щупа. Некоторые из них оборудованы миниатюрными винтами, которые необходимо закрутить. Также в цифровых осциллографах решает проблему обрывистого сигнала фикция автоматического позиционирования.

Измерение тока

При измерении тока цифровым осциллографом, следует узнать какой вид тока необходимо наблюдать. Осциллографы имеют два режима работы:

• Direct Current («DC») для постоянного тока;
• Alternating Current («АС») для переменного.

Постоянный ток измеряется при включённом режиме «Direct Current». Щупы аппарата следует подключить к блоку питания в прямом соответствии с полюсами. Чёрный крокодил присоединяется к минусу, красный — к плюсу.

На экране устройства появится прямая линия. Значение вертикальной оси будет соответствовать параметру постоянного напряжения. Силу тока можно вычислить согласно закону Ома (напряжение поделить на сопротивление).

Переменный ток представляет собой синусоиду, из-за того, что напряжение также переменно. Поэтому измерить его значение можно только в определённый промежуток времени. Параметр также вычисляется при помощи закона Ома.

Измерение напряжения

Чтобы измерить напряжение сигнала понадобится вертикальная ось координат линейного двухмерного графика. Из-за этого всё внимание будет уделено высоте осциллограммы. Поэтому перед началом наблюдения следует настроить экран более удобно для измерения.

Затем переводим аппарат в режим DC. Присоединяем щупы к цепи и наблюдаем результат. На дисплее аппарата появится прямая линия, значение которой будет соответствовать напряжению электрического сигнала.

Измерение частоты

Прежде чем, понять, как измерить частоту электрического сигнала, следует узнать, что такое период, так как эти два понятия взаимосвязаны. Один период – это наименьший промежуток времени, через который амплитуда начинает повторяться.

Увидеть период на осциллографе легче при помощи горизонтальной оси координат времени. Нужно лишь заметить, через какой промежуток времени линейный график начинает повторять свой рисунок. Началом периода лучше считать точки соприкосновения с горизонтальной осью, а концом повторения этой же координаты.

Чтобы удобнее измерить период сигнала, скорость развёртки уменьшают. В таком случае погрешность измерения не так высока.

Частота — это значение обратно пропорционально анализируемому периоду. То есть, чтобы измерить значение, нужно одну секунду времени поделить на количество периодов, происходящих за этот промежуток. Полученная частота измеряется в Герцах, стандарт для России — 50 Гц.

Измерение сдвига фаз

Сдвигом фазы считают — взаимное расположение двух колебательных процессов во времени. Параметр измеряется в долях периода сигнала, чтобы независимо от характера периода и частоты, одинаковые сдвиги фаз имели общее значение.

Первое что необходимо сделать перед измерением: выяснить какой из сигналов отстаёт от другого и затем определить значение знака параметра. Если ток идёт впереди, то параметр сдвига угла отрицательный. В случае, когда напряжение опережает — знак значения положительный.

Чтобы вычислить градус сдвига фаз следует:

1. Умножить 360 градусов на число клеток сетки между началами периодов.
2. Разделить полученный результат на число делений, занимаемых одним периодом сигнала.
3. Подобрать отрицательный или положительный знак.

Измерять сдвиг фазы в аналоговом осциллографе неудобно, потому что выводящиеся на экраны графики имеют одинаковый цвет и масштаб. Для наблюдений такого рода используют либо цифровое устройство, либо двухканальные аппараты, чтобы разместить разные амплитуды на отдельный канал.

Основы цифровой осциллографии и DSO — цифровых запоминающих осциллографов

В настоящее время многие специалисты по КИПиА и наладке используют в своей работе цифровые осциллографы и при этом применяют на практике лишь малую долю возможностей, видимо только из-за того, что у них есть кнопка AUTO или SELF ADJ.

Нажатие такой кнопки означает автоматическую настройку и синхронизацию, что, естественно, очень удобно.

Однако, для того, чтобы использовать полностью все возможности цифровых осциллографов, необходимо знать и понимать как основы цифровой осциллографии, так и терминологию и обозначения на органах управления и дисплее.

Для того, чтобы помочь специалистам осваивать новую технику и использовать ее на 100%, в данной статье мы расскажем об основах цифровой осциллографии.

DSO — Digital storage Oscilloscope. Цифровой запоминающий осциллограф.

Принцип действия относительно не сложен: на входы осциллографа подаются сигналы, которые разбиваются на Waveform (волновые формы, например периоды), которые в свою очередь разбиваются на маленькие отрезки или Samples (сэмплы или выборки).

Длительность этих отрезков обычно устанавливается автоматически, в зависимости от частоты входного сигнала. Каждому сэмплу соответсвует одно цифровое значение амплитуды сигнала в памяти осциллографа. Результат такой оцифровки представлен ниже: 

Примечание. Скорость сэмлирования или частота дискретизации.

Собственно, от длительности сэмпла и зависит частота или скорость дискретизации, которую иногда еще называют частотой сэмплирования, которая измеряется в количестве выборок за секунду или, если проще, измерений в секунду.

У современных DSO скорость дискретизации  может составлять от 250 миллионов до 2 и более миллиардов выборок в секунду. Собственно, этот параметр является определяющим: насколько осциллограф в состоянии «увидеть» быстротекущие процессы и насколько детальной будет картина.

В результате сэмплирования или оцифровки, данные представляют из себя просто набор точек на графике,  что не является удобным и наглядным представлением, поэтому, для начала проводится линеаризация или аппроксимация полученных данных в непрерывные линии: 

После этого для отстройки от помех применяются различные функции и технологии обработки, позволяющие усреднять, либо наоборот выявлять случайные помехи и всплески.  

ACQUIRE — получение, приобретение. В осциллографии данный параметр обычно означает тип преобразования данных в цифровую форму или его разновидность. В разных моделях возможны разные методы, однако основные приведем ниже: 

— Sample – стандартный режим оцифровки. Входной сигнал разбивается на отрезки дискретизации и каждому отрезку соответствует своя точка на дисплее. Подходит для исследования любых форм сигнала. 

— Peak detect – пиковый режим дискретизации, когда оцифровываются и отображаются на дисплее только пиковые значения сигнала. Хорошо подходит для наблюдения за помехами и случайными сигналами:

— Average – усредненная дискретизация, когда на дисплее отображаются усредненные за несколько периодов значения. Обычно можно выбрать количество выборок, по которым происходит усреднение, ниже пример усреднения за 16 периодов. Подходит только для периодических сигналов:

— Equivalent – эквивалентное сэмплирование, имеющее еще название стробоскопического. Применяется для случаев ВЧ сигналов, когда частота входного сигнала значительно превосходит частоту сэмплирования осциллографа.

При этом значение следующей точки выбирается из следующего периода колебаний, а не из текущего, что вполне позволяет отображать на дисплее периодические сигналы, в которых не происходит больших изменений от периода к периоду.

То есть, необходимо использовать тот или иной метод дискретизации и обработки, в зависимости от целей исследования и вида сигнала.

MATH — математические функции осциллографа. Поскольку все процессы в осциллографе носят цифровой характер – то с этим цифрами можно производить практически любые математические действия, например вычитание или сложение сигналов из разных каналов, но есть и более сложные функции.

FFT — Fast Fourier Transform или, как его называют по-русски Быстрое Преобразование Фурье (БПФ). Применяется для разложения сигнала на гармонические составляющие. Если проще – то осциллограф в этом режиме показывает спектр сигнала и уровень всех гармоник, превращая таким образом практически любой осциллограф в анализатор спектра.

На иллюстрации виден исходный сигнал желтого цвета и его спектр красного цвета: 

Кроме того, благодаря цифровой обработке, цифровые осциллографы дают широкие возможности для синхронизации сигнала, то есть получения устойчивой картинки на дисплее, однако, необходимо знать какая синхронизация и для чего применяется: 

TRIGGER – синхронизация. Это могут быть кнопки, регуляторы, надписи на дисплее. Из множества видов настроек, выберем самые необходимые: 
EDGE — край, фронт. Функция синхронизации по фронту сигнала.
EXT — внешний. Обычно вход для внешнего сигнала синхронизации.
FORCE — сила. Принудительный запуск или синхронизация.

FALL — синхронизация по нисходящему фронту.
LEVEL — уровень. Обычно регулировка уровня синхронизации.
RISE — синхронизация по восходящему фронту.
PULSE – синхронизация по параметрам импульсов, например, по длительности.
AC Line – синхронизация с напряжением питания.
Single – однократный запуск по поступлению сигнала на вход.

CH – синхронизация по определенному каналу.

VIDEO – синхронизация по параметрам видеосигнала.