Руководство по работе с осциллографом

Содержание

• 1 Что такое осциллограф
  • 1.1 Назначение
  • 1.2 Где применяется
  • 1.3 Что может измерить осциллограф
• 2 Виды
• 3 Устройство
• 4 Как функционирует осциллограф
• 5 На что обратить внимание в Oscilloscope, ориентиры для выбора
  • 5.1 Полоса пропускания
  • 5.2 Частота дискретизации (Sampling rate)
  • 5.3 Число каналов
  • 5.4 Эквивалентная частота дискретизации
  • 5.5 Глубина памяти
  • 5.6 Обновление экрана
  • 5.7 Максимальное входное напряжение (питание)
• 6 Основы управления
• 7 Начало работы
  • 7.1 Синхронизация
  • 7.2 Подключение
  • 7.3 Режим входа
  • 7.4 Быстрый старт
• 8 Измеряем напряжение
  • 8.1 Порядок действий
• 9 Измерение частоты
• 10 Измеряем сдвиг фаз
  • 10.1 Порядок действий
• 11 Видео по теме

Особенности внутреннего устройства

Несмотря на сложное внутреннее оснащение на базе ЭЛТ, прибор с дисплеем может состоять из нескольких составляющих. К ним относятся:

• Входной стандартный усилитель для наблюдаемых сигналов, чей выход подключается напрямую к пластинам вертикального отклонения.
• Электронно-лучевая осциллографическая трубка. Широко используется в ряде близких по назначению измерительных приборов.
• Далее идёт блок горизонтальной развёртки. Однократный тип или периодический сигнал преобразуется в пилообразную форму. Он направляется к пластинам с горизонтальным типом отклонения ЭЛТ. Помимо этого, в период спадающей фазы создаётся импульс гашения электронных лучей, подаваемый на модуляторы ЭЛТ.
• К вспомогательным или дополнительным частям устройства осциллографа относят калибратор длительности, возможной амплитуды и блок управления яркости.

Экран «А» позволяет чётко отобразить графики каждого поступающего входного сигнала. Цифровые аналоги выводят на цветной или специфический монохромный дисплей желаемое изображение как полностью готовую картинку. Остальные модели используют электронно-лучевую трубку, оснащённую показателями электростатического отклонения. Для таких экранов характерна нанесённая в виде координатной сетки разметка, миссия которой — показывать точное местоположение данных.

Выделяют два базовых типа развёртки: ждущий и автоколебательный, или автоматический. Реже можно встретить модели с дополнительным однократным режимом. Каждый вид имеет свои специфические черты:

Однократный запуск. Характерный механизм запуска — внешнее воздействие. Так, нажатие кнопки и дальнейшее ожидание запуска сходны со ждущим режимом. После запуска развёртывание производится однократно. Повторная развёртка требует ещё одного запуска. Подобная система работы комфортна для изучения функционирования процессов непериодического типа. Недостатком является однократный пробег светящегося пятна по дисплею. Яркость картинки недостаточна, что серьёзно затрудняет процесс наблюдения при быстрой развёртке. Ждущий режим. Недостаточный уровень или отсутствие сигнала вызывает отсутствие развёртки и дальнейшее угасание экрана. Запуск возможен только при достижении сигналами определённого заданного оператором уровня. Возможна настройка запуска как по падающему, так и по нарастающему сигнальному фронту

Важно отметить, что при изучении непериодических типов импульсных процессов такая система гарантирует зрительную неподвижность картинки на экране. Зачастую развёртывание запускается синхронным, несколько опережающим процесс наблюдения сигналом. Автоматическое развёртывание

В этом случае генератор функционирует в автоколебательном типе режима. Благодаря этому даже при отсутствии сигнала в момент окончания цикла произойдёт очередной момент её запуска. Это делает возможным наблюдение изображения на экране даже в ситуации подачи на входе вертикального типа отклонения постоянного напряжения или отсутствия сигнала. Подобный режим характеризуется особым захватом частоты генератора развёртывания наблюдаемым сигналом. Важно, что частота генераторов при этом в целое количество раз меньше частоты исследуемых сигналов.

Как работать с осциллографом

Первоначально выставляются режим работы осциллографа (автоколебательный, ждущий или одиночный). Затем выбирается режим аттенюатора или устанавливается соответствующий делитель напряжения. Это касается аналоговых приборов. Цифровые на входе анализируют сигнал и понижает/повышает его до необходимого уровня. В них на входе стоит аналитический блок, который сам понижает или повышает входной сигнал до требуемого уровня.

Подключение осциллографа

В комплекте с осциллографом идет измерительный шнур или шнуры. Их количество зависит от числа входных каналов конкретной модели. Если канал один, то и шнур один. Может быть два, три и до шестнадцати. Подключать надо столько, сколько собираетесь использовать.

Шнуры для осциллографа трудно спутать с другими. Один конец — со щупом и ответвлением. Это «измерительная» сторона. С другой находится характерный круглый разъем. Эта часть подключается к измерительному входу.

Провод, который идет в сторону от щупа — для подключения к «земле». Он часто бывает снабжен прищепкой или «крокодилом». Его подключать обязательно, вольтаж может быть разный и заземление необходимо.

Измерительные шнуры для осциллографа

Некоторые шнуры для осциллографа имеют на рукоятке переключатель, который работает как небольшой усилитель (на фото справа).

После подключения измерительных шнуров включаем прибор в сеть. Затем, перед работой, переводим в рабочее положение тумблер/кнопку включения прибора. Можно считать что осциллограф готов к работе.

Проверка осциллографа перед работой

Перед началом работы надо проверить осциллограф. Включаем его в сеть, устанавливаем измерительный шнур. К щупу прикасаемся пальцем, на экране появляется синусоида частотой 50 Гц — наводки от бытовой электросети.

Если пальцем прикоснуться к измерительному щупу, на экране появится синусоидальной формы сигнал. Синусоида неидеальна, но если она есть и ее частота 50 Гц, это значит, что осциллограф исправен

Затем берем земляной щуп и прикасаемся им к измерительному (палец продолжаем держать на острие щупа). Сигнал пропадает (отображается прямая). Это значит, что прибор исправен.

Как измерить осциллографом напряжение: переменное, меандра, постоянное

Как уже говорили, напряжение на экране осциллографа отображается по вертикали. Весь экран разбит на квадраты. Цена деления по вертикали выставляется переключателем, который подписан «V/дел». Что и обозначает, Вольт на одно деление

Перед подачей сигнала выставляем луч точно по горизонтальной оси — это важно

Подаем сигнал и считаем, на сколько клеточек от нулевого уровня поднимается или опускается сигнал. Затем умножаем количество клеток на «цену деления», взятую с регулятора. В результате получаем напряжение сигнала. В случае с синусоидой или меандром (положительные и отрицательные прямоугольные импульсы) считается напряжение полуволны — верхней или нижней.

Измерение напряжения осциллографом

Чтобы было понятнее, разберем пример. На фото есть сигнал, полуволна которого понимается и опускается на три клеточки. Цена деления на регуляторе — 5 В. Имеем: 3 дел * 5 V/дел = 15 V. Получается, данный сигнал имеет напряжение 15 вольт.

Если надо измерить постоянное напряжение, снова выставляем луч по горизонтали. Подаем напряжение и смотрим, на сколько клеток «подпрыгнул» или опустился луч. Дальше все точно так же: умножаем на цену деления и получаем значение постоянного напряжения.

Как осциллографом определить частоту

Частота определяется как 1/T, где Т — период сигнала. А период — это время, за которое сигнал проходит полный цикл. Для сигнала на экране это 5,7 клетки. Считаем от места пересечения с горизонтальной осью и до второй аналогичной точки.

Как определить частоту сигнала по осциллографу

Далее определяем частоту деления по переключателю развертки. Положение переключателя стоит на 50 миллисекунд. Берем количество делений и умножаем на количество клеток. Получаем 50 мс * 5,7 = 285 мс. Переводим в секунды. Для этого надо разделить на 1000. Получаем 0,285 сек. Считаем частоту: 1/0,285 = 3,5 Гц

Порядок проведения измерений

Настройка

Для начинающих пользователей обращение с осциллографом в первое время вызывает определённые трудности, поскольку у этого прибора имеется множество всевозможных регуляторов и настроек. Для того чтобы разобраться с функционалом измерительного прибора, следует сначала отстроить его, придерживаясь при этом следующих правил:

• После включения прибора, прежде всего, следует убедиться в наличии на его экране горизонтальной полосы развёртки;

Важно! Если полоса плохо видна и сильно размыта, ручками «Фокусировка» и «Яркость» следует привести её к требуемому виду (она должна быть чёткой, тонкой и хорошо различимой на тёмном фоне).

• При её отсутствии необходимо сначала увеличить яркость луча, а затем попытаться найти его след на экране, вращая ручки перемещения вправо и влево (вверх или вниз);
• Если это не помогает, вращением ручек синхронизации («Уровень», «Стабильность») следует добиться появления устойчивого изображения;
• После этого необходимо отстроить его по масштабной сетке (выставить его по центру), а затем прикоснуться к измерительному острию шнура пальцами и убедиться, что на нём появляются небольшие шумовые всплески.

На этом настройку прибора можно считать законченной.

Измерение

Для того чтобы получить на экране искомое изображение, сначала следует определиться с примерными значениями частоты и амплитуды действующего в цепи напряжения (если это возможно). После этого выполняются следующие операции.

Сначала ручки переключателей «Амплитуда» («Усиление») и «Длительность» выставляются в положение, соответствующее предполагаемому размаху и частоте измеряемого сигнала.

Так, если он имеет ожидаемую амплитуду в пределах единиц Вольта и частоту порядка одного МГц, носик ручки «Усиление» устанавливается напротив деления 1 Вольт (или чуть больше).

Одновременно с этим ручку развёртки устанавливают у отметки 1 Мкс, что соответствует одному мегагерцу (F=1/T = 1/{1/1000000 сек} = 1 МГц).

Дополнительная информация. Выставленные вручную значения амплитуды и частоты определяют «цену» одного деления имеющейся на экране графической разметки (по вертикали и горизонтали, соответственно). При амплитуде исследуемого сигнала 3 Вольта, например, на экране он будет занимать по вертикали 3 клетки.

В том случае, когда эти значения заранее неизвестны, при измерении может появиться «сплошной» сигнал, форму которого сразу определить не удаётся. Для устранения этой неопределённости следует сделать несколько переключений ручкой «Развёртка», после чего в определённом положении сигнал должен будет приобрести удобный для восприятия вид.

Это может быть синусоида, импульс или сложная, но хорошо различимая по форме кривая.

Измерение параметров сигнала

После того, как прибор настроен и откалиброван по разметочной сетке, с полученным изображением можно обращаться как с обычным графическим представлением сигнала. Это значит, что его можно изучать на предмет соответствия формы заданным параметрам (искажение синусоиды, например), а также измерять приблизительные значения его амплитуды и частоты.

В качестве примера возьмём уже рассмотренный ранее режим, когда предел измерений по уровню выбран 1 Вольт, а по частоте он соответствует 1 микросекунде. В этом случае амплитуда сигнала определяются следующим образом:

• Сначала полученное изображение выставляется строго по центру графической сетки;
• Потом регулятор «Усиление» переводится в крайне правое положение, соответствующее точному значению выбранного масштаба (1 Вольт);
• Вслед за этим по шкале отмеряется количество клеток, которые занимает изображение сигнала, после чего оно умножается на цену одного деления.

Так, если изображение по вертикали заняло 3 клетки, то можно сказать, что амплитуда измеряемого сигнала равна трём вольтам.

Обратите внимание! Такие же манипуляции проделываются и с частотой измеряемого синусоидального напряжения, но только в этом случае за масштаб отсчёта по горизонтали берутся показания его развёртки (1 МГц).

При измерении частоты изображение приводится к удобному для восприятия виду, так, чтобы в одной клетке масштаба уместилось заданное количество полных колебаний (при выведенной в правое положение ручке «Развёртка»). Если таких периодов насчитывается три штуки, например, частота сигнала равна трём мегагерцам.

В заключение отметим, что с помощью двухлучевого осциллографа можно определиться с таким показателем, как фаза сигнала, измеренная по отношению ко второму колебательному процессу. Для этого достаточно совместить начальные точки обоих исследуемых процессов и измерить отставание одного из них по горизонтальной шкале разметки.

Применение

Осциллографы по сути своей работы схожи с вольтметрами. Отличием является то, что осциллограф способен не только отображать напряжение, но и исследовать изменение продолжительности его действия.

Осциллографы широко применяются в электронных механизмах для изучения их работы и изменения их параметров. А также для ремонта элементов и узлов в различных электроприборах.

Прибор помогает диагностировать поломки большого количества автомобильных датчиков, положение распредвала и коленвала. А также дефекты работы катушек и свечей зажигания.

Принцип работы осциллографа довольно сложно понять, не зная основных структурных элементов этого прибора и их функций. Эти сведения помогут научиться пользоваться осциллографом для диагностики неисправностей различных приборов. Ведь без использования осциллографа ремонт некоторых сложных устройств не представляется возможным.

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

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.

Проверка осциллографа

В инструкции по эксплуатации обязательно описан процесс калибровки (проверки) устройства. Практически любой осциллограф имеет сзади или сбоку корпуса специальный выход генератора прямоугольных импульсов. Его используют для калибровки прибора. При подключении сигнального щупа к калибровочному выходу на экране должна появиться пилообразная линия. Поставив воспроизведение луча в режим «Авто», нужно проверить работу всех функций, покрутив ручки. Яркость должна регулироваться, фокусировка — фокусировать, луч должен двигаться вверх, вниз при масштабировании. При настройке синхронизации осциллограмма должна останавливаться.

Самый же простой способ убедиться в работоспособности прибора — это коснуться пальцами щупа. Луч должен реагировать на прикосновение.

Основные функции работы и возможности осциллографа, описанные выше? наверняка помогут начинающим. Многие вопросы, возникающие в процессе использования агрегата, можно понять лишь с опытом. Прибор достаточно сложен, но изучив его, легко решаются задачи диагностики и ремонта фактически любых электронных схем.

Блог о электронике

▌Старая статья о аналоговом осциллографе

Рано или поздно любой начинающий электронщик, если не бросит свои эксперименты, то дорастет до схем, где нужно отслеживать не просто токи и напряжения, а работу схемы в динамике. Особенно это часто нужно в различных генераторах и импульсных устройствах. Вот тут без осциллографа делать нечего !

Страшный прибор, да? Куча ручек, каких то кнопочек, да еще экран и нифига не понятно что тут да зачем. Ничего, сейчас исправим. Сейчас я тебе расскажу как пользоваться осциллографом.

На самом деле тут все просто — осциллограф, грубо говоря, это всего лишь… вольтметр ! Только хитрый, способный показывать изменение формы замеряемого напряжения.

Как всегда, поясню на отвлеченном примере. Представь, что ты стоишь перед железной дорогой, а мимо тебя с бешеной скоростью мчится бесконечный поезд состоящий из совершенно одинаковых вагонов. Если просто на них стоять и смотреть, то ничего кроме размытой фигни ты не увидишь. А теперь ставим перед тобой стенку с окошком. И начинаем открывать окошко только тогда, когда очередной вагон будет в том же положении, что и предыдущий. Так как у нас вагоны все одинаковые, то тебе совершенно необязательно видеть один и тот же вагон. В результате картинки разных, но идентичных вагонов будут выскакивать перед твоими глазами в одном и том же положении, а значит картинка как бы остановится. Главное это синхронизировать открытие окошка со скоростью поезда, чтобы при открытии положение вагона не менялось. Если скорость не совпадет, то вагоны будут «двигаться» либо вперед, либо назад со скоростью, зависящую от степени рассинхронизации.

На этом же принципе построен стробоскоп — девайс, позволяющий разглядывать быстро движущиеся или вращающиеся хреновины. Там тоже шторка быстро-быстро открывается и закрывается.

Так вот, осциллограф это тот же стробоскоп, только электронный . А показывает он не вагоны, а периодические изменения напряжения. У той же синусоиды, например, каждый следующий период похож на предыдущий, так почему бы не «остановить» его, показывая в один момент времени один период.

Конструкция Делается это посредством лучевой трубки, отклоняющей системы и генератора развертки. В лучевой трубке пучок электронов попадая на экран заставляет светится люминофор, а пластины отклоняющей системы позволяют гонять этот пучок по всей поверхности экрана. Чем сильней напряжение, приложенное к электродам, тем больше отклоняется пучок. Подавая на пластины Х пилообразное напряжение мы создаем развертку . То есть луч у нас движется слева-направо, а потом резко возвращается обратно и продолжает снова. А на пластины Y мы подаем изучаемое напряжение.

Принцип работы Дальше все просто, если начало появления периода пилы (луч в крайне левом положении) и начало периода сигнала совпадают, то за один проход развертки нарисуется один или несколько периодов измеряемого сигнала и картинка как бы остановится. Меняя скорость развертки можно добиться того, что на экране вообще останется только один период — то есть за один период пилы пройдет один период измеряемого сигнала.

Синхронизация Синхронизировать пилу с сигналом можно либо вручную, подстраивая ручкой скорость так, чтобы синусоида остановилась, а можно по уровню . То есть мы указываем при каком уровне напряжения на входе нужно запустить генератор развертки. Как только напряжение на входе превысит уровень, так сразу же запустится генератор развертки и выдаст нам импульс. В итоге, генератор развертки выдает пилу только тогда, когда надо. В этом случае синхронизация получается полностью автоматической. При выборе уровня следует учитывать такой фактор, как помехи. Так что если взять слишком низкий уровень, то мелкие иголки помех могут запустить генератор когда не нужно, а если взять уровень слишком большой, то сигнал может под ним пройти и ничего не случится. Но тут проще покрутить ручку самому и сразу же все станет понятно. Также сигнал синхронизации можно подать и с внешнего источника.

В топку теорию, переходим к практике. Показывать буду на примере своего осциллографа, спертого когда то давно с оборонного предприятия КБ «Ротор» :). Обычный осцил, не шибко навороченный, но надежный и простой как кувалда.

Мой верный осциллограф

Итак: Яркость, фокус и освещение шкалы думаю не требуют пояснений. Это настройки интерфейса.

Усилитель У и стрелочки вверх вниз. Эта ручка позволяет гонять изображение сигнала вверх или вниз. Добавляя ему дополнительное смещение. Зачем? Да иногда не хватает размера экрана, чтобы вместить весь сигнал. Приходится его загонять вниз, принимая за ноль не середину, а нижнюю границу.

Ниже идет тумблер переключающий ввод с прямого, на емкостный. Этот тумблер в том или ином виде есть на всех без исключения осциллографах.

Важная вещь! Позволяет подключать сигнал к усилителю либо напрямую, либо через конденсатор. Если подключить напрямую, то пройдет и постоянная составляющая и переменная . А через кондер проходит только переменная .

Например, надо нам посмотреть на уровень помех блока питания компа. Напряжение там 12 вольт, а величина помех может быть не более 0.3 вольт. На фоне 12 вольт эти жалкие 0.3 вольт будут совсем незаметны. Можно, конечно увеличивать коэффициент усиления по Y , но тогда график вылезет за экран, а смещения по Y не хватит, чтобы увидеть вершину. Тогда нам нужно лишь врубить конденсатор и тогда те 12 вольт постоянки осядут на нем, а в осциллограф пройдет только переменный сигнал, те самые 0.3 вольта помехи. Которые можно усилить и разглядеть в полный рост.

Далее идет коаксиальный разъем подключения щупа . Каждый щуп содержит в себе сигнал и землю . Землю обычно сажают на минус или на общий провод схемы, а сигнальным тычут по схеме. Осциллограф показывает напряжение на щупе относительно общего провода. Чтобы понять где сигнальный, а где земля достаточно взять за них рукой по очереди. Если возьмешься за общий, то на экране по прежнему будет пульс трупа. А если взяться за сигнальный, то увидишь кучу срача на экране — наводки на твое тело, служащее в данный момент антенной. На некторых щупах, особенно на современных осциллографах, внутри встроен делитель напряжения 1:10 или 1:100 , который позволяет воткнуть осциллограф хоть в розетку, без риска его спалить. Включается и выключается он тумблером на щупе.

Еще почти на каждом осциллографе есть калибровочный выход . На котором ты всегда можешь найти прямоугольный сигнал частотой 1Кгц и напряжением около полувольта . В зависимости от модели осцила. Используется для проверки работы самого осциллографа, ну иногда и в тестовых целях пригождается