Как правильно пользоваться осциллографом
Как пользоваться осциллографом, надо знать каждому, кто желает углубить свои навыки в починке, обслуживании электротехники, в диагностических мероприятиях. Осциллограф предназначен для мониторинга изменений напряжения во времени. Устройство оснащено экраном с движущейся разверткой, показывающую графики, амплитуду, синусоиду колебаний за определенные периоды.
Что такое осциллограф
Осциллографом (O-Scope, Oscilloscope) регистрируют изменения (амплитуды, колебания) напряжений сигналов электроцепи с выводом в виде синусоид, пилообразных и других линий на координатную сетку на мониторе. Прибор применяют для изучения динамики системы во время ее работы. Характерный пример: тестирование импульсных, генераторных устройств (источники питания). Oscilloscope покажет форму напряжения, электросигналов во времени, уровень колебаний, изменения при определенных условиях и факторах (поломки, температура, магнитные поля, помехи, экранирование).
Назначение
O-Scope измеряет такие величины и решает следующие задачи:
- тестовые меры для электросхем, сборок, изделий при их выпуске, починке, в исследовательских учреждениях;
- всегда используется при проверке измерительных устройств;
- электро, теле и радио сфера: свойства сигналов, степень шумов, искажений;
- для узкоспециализированного аппаратного оснащения, для анализа АСУ, исполнительных приспособлений;
- замеры частот и амплитуд при отладке;
- визуальный мониторинг сигналов, фазных сдвигов;
- анализ функционирования датчиков автомобиля.
Если кратко отобразить функции, то аппарат позволяет наблюдать изменения напряжения:
- во времени: частоту, промежутки, скважность, циклы, скачки, спады, всплески;
- на физике: колебания, амплитуды, макс./мин. среднеквадратичные значения.
Осциллограф — это «глаза», позволяющие посмотреть внутрь цепи во время ее работы. Кроме простого измерения электросигнала, современные изделия могут делать математические преобразования в реальном времени (Фурье и пр.).
Где применяется
- всегда в научных, технических лабораториях, исследовательских отделениях на заводах, выпускающих электроприборы, например, производитель должен знать, как реагирует его продукция на помехи;
- при углубленном анализе сборок, при наладке, ремонте электроустройств: от радио и сотовой связи до цепей двигателей машин. Для радиолюбителей прибор незаменим.
Аппарат выдает визуальную информацию о характеристиках сложных сигналов, показывает временные и амплитудные данные изменений, что важно для расчетов и определения, как будет себя вести изучаемый объект за периоды в конкретных условиях.
Что может измерить осциллограф
Осциллограф может измерить:
- покажет по сигналам:
- форму;
- частотность;
- период;
- амплитуду;
- угол сдвига фазы;
- сравнение сигналов;
O-Scope — фактически это вольтметр, но отображающий изменения напряжения онлайн, им можно обозначить форму тока, подключив последовательно к обслуживаемой сети резистор (Rt, «t» — токовый, он же шунтирующий). Его число Ом подбирают намного меньшим, чем у цепи, чтобы отсутствовали влияния на схему. Далее, вычисляют по формуле и, зная величину Rt, можно найти ток.
Виды
У цифровых моделей есть функция записи и архивирования, что расширяет возможности. Для сопоставления результатов онлайн используют аппараты с несколькими каналами. Есть экземпляры, подключаемые к ПК и комбинации с другими измерительными девайсами.
Выбор аналоговых моделей (кроме простых и учебных) подразумевает наличие познаний во множестве настроек, регулировка усложненная. С другой стороны, такие приборы дают углубленную практику.
Цифровые модели — это рекомендованный выбор, на таком аппарате можно быстро освоить основы. Это вычислительные комплексы, с ними получение данных, интерпретация проще и намного быстрее. Есть также модели аналогово-цифровые.
Устройство
Главный узел осциллографа — трубка как у старых телевизоров, электронно-лучевая, осуществляющая визуализацию величин, принимаемых входным делителем, от которого зависят рамки допустимых замеров. Происходит усиление, синхронизация с генератором развертки. Далее, исследуемая величина попадает на оконечный усиливающий узел, на ЭЛТ, затем происходит отображение его онлайн без каких-либо задержек.
Алгоритм, как работает цифровой осциллограф несколько иной: он сначала пропускает сигнал через преобразователь (аналого-цифровой), замеряя его несколько раз в сек. Затем происходит реконструкция и отображение на мониторе. Одновременно данные записываются буферной памятью, есть возможность будущей их обработки.
Работать с цифровым осциллографом удобнее, его преимущества — полная функциональность с дополнительными опциями в маленьком корпусе, простота настроек. Выбор осциллографа в современных условиях обычно осуществляется среди указанных видов. Отдельные аналоговые старые основательные советские экземпляры (дешевле в 4–5 раз) неплохи, но они габаритные, требуют больше навыков по настройке.
Как функционирует осциллограф
Если смотреть на быстро пробегающие объекты, то увидим размытую линию. Но если периодически открывать «окошко», то будут выхватываться статичные кадры. Это принцип стробоскопа, так же, но в электронной форме работает Oscilloscope.
Действие «окошка» синхронизуется (главное условие) со скоростью объектов (сигнала), поэтому при его открытии их место стабильно. В противном случае возникнет рассинхронизация.
Аппарат визуализирует периодические изменения в реальном времени на табло синусоидой или линией другой формы (пила, меандр и прочее). Каждый будущий отрезок схожий с прошедшим, он «останавливается» и показывается (в 1 момент — 1 период).
На что обратить внимание в Oscilloscope, ориентиры для выбора
Рассмотрим основы характеристик O-Scope, которые послужат также ориентирами, как выбрать осциллограф, надежную его модель.
Способы, чтобы проверить осциллограф:
- встроенным генератором (Калибровка), все цифровые модели имеют его. Включают режим и смотрят, есть ли синусоида. Если магазин специализированный, там должен быть внешний генератор для проверки;
- старые осциллографы начинают подвирать со временем, как проверить их есть простой способ: взять эталонный источник, например, ту же батарейку 1.5 В;
- экран должен быть достаточной яркости, луч без артефактов;
- дотронуться до щупа: фаза покажет синусоиду (правда с большими помехами), земля — ровную линию;
- посредством ПК, специальным ПО.
Полоса пропускания
Это минимальная и максимальная частоты, амплитудность, то есть диапазон, который может измерить прибор. Достаточно учесть верхнюю черту; нижнюю рисуют все устройства.
Частота дискретизации (Sampling rate)
У цифровых моделей. Данный параметр связан с предыдущим. Чем выше, тем лучше (например, у Siglent SDS — 1×109). Это число считываний за единицу времени, определяет максимальные частоты без потерь на экране. У приборов с несколькими каналами может уменьшаться при задействовании их всех (при покупке надо учесть).
По теореме Котельникова част. дискр. должна превышать в 2 раза верхнюю рамку пропускания, но на практике потребуется превышение в 4–5 раза. На этом и основывается выбор. Пример для изделия с полосой до 200–800 МГц (важно учесть параметр при использовании 2 и больше каналов).
Число каналов
Многие модели способны обрабатывать больше сигналов вместе, одновременно раздельно показывая их на мониторе. Обычно от 2 до 4. Иногда включение других каналов сказывается на производительности. Выбор осциллографа рекомендовано делать среди изделий с двумя каналами, что позволит сравнивать исследуемые величины, исчислять фазные сдвиги. Три и больше входа, это хорошо, но для обычных задач иногда чрезмерно, цена прибора возрастет многократно.
Эквивалентная частота дискретизации
Когда недостаточно реальной част. дискр., итоговая картинка реконструируется по нескольким последовательным измерениям. Пример: анализируется сигнал 200 МГц на модели с част. дискр. 1 млрд. выборок/сек. (1 GSa/s) — получают всего 5 измерений. По теор. Котельникова этого хватает, но можно детализировать (алгоритмическим методом) и активировать опцию: будет не 1 GSa/s, а уже 2 GSa/s.
Глубина памяти
Всегда есть в цифровых моделях (DSO=Digital Storage Oscilloscope). Чем ниже скорость развертки, тем точнее показатели и тем больше значений приходится сохранять прибору в памяти. Чем глубже память — тем лучше. Но иногда наблюдается негативный момент: при медленных измерениях прибор подтормаживает, выбирая изделие, надо поинтересоваться этим нюансом.
Обновление экрана
Чем чаще обновляется монитор, тем короче «мертвое время», требуемое для обработки захватываемой информации, более оперативно происходит обновление осциллограмм. Больше шансов, что аппарат покажет малозаметный артефакт. Впрочем, это имеет значение только для фанатов-электронщиков.
Максимальное входное напряжение (питание)
Любой прибор имеет предел по мощности питания, при превышении которого без дополнительных мер он просто сгорит, выйдет из строя. Нужно учитывать параметры обслуживаемых цепей. Пример: макс. напр. в режиме щупа 1:1 — 40 В, в режиме 1:10 — 400 В, то есть лезть в цепь с 400 В и больше без предохранительных мер уже небезопасно.
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.
Начало работы
Работа с осциллографом по аналоговому прибору описывается более подробно. В роли объекта изучения можно использовать несложные модели: чрезвычайно простой учебный осциллограф н3013 или популярный С1-83. По цифровому — все то же, но он унифицирует, обобщает некоторые моменты.
В лучевой трубке Oscilloscope пучки электронов, идущие на табло, провоцируют свечение люминофора (светлая точка посередине). Отклоняющие пластины (2 пары) дают возможность гонять ее. Чем выше напряжение на клеммах, тем значительнее она подвигается. Подающееся напряжение на пласт. Х (вертикальные) инициирует пилообразную развертку, луч бегает циклически (это линия развертки или нуля). На пласт. Y подключают исследуемые величины.
Синхронизация
Перед тем, как работать с осциллографом, надо изучить основы (управление, подключение, какие щупы и прочее). Главный пункт взаимодействия — синхронизация. Если старт пилы (самое левое положение луча) и сигнала совпали, то 1 проход развертки покажет 1 или больше периодов и изображение как бы застынет. Изменяя скор. развертки делают так, что на табло будет только 1 отрезок: за 1 пер. пилы пройдет 1 пер. анализируемого сигнала.
- Пила и сигнал синхронизируются, регулируя селектором скорость до остановки синусоиды
- Задается уровень, указывают напряжение на входе для активации генератора. Пила появится, только при выставленном значении, синхронизация автоматическая. Надо учесть помехи: они могут активировать генератор ошибочно (уровень чрезмерно низкий), если очень высокий — сигнал не запустит систему.
Надо знать следующее:
- по горизонтали смещение луча прямо пропорциональное времени;
- по вертикали — пропорционально исследуемому напряжению.
Подключение
В осциллографе нет отдельных двух щупов, как у мультиметра. Есть один кабель с 2 отростками, жилами (напряжение меряют между 2 точками), втыкаемыми в розетку с 2 клеммами. Если на приборе гнезд с ними больше одного, то прибор двух или многоканальный.
- для фазы — подключена к входу усилителя, отклоняющего луч по вертикали;
- общая (земля, минус) — связана непосредственно с корпусом аппарата.
В иностранных приборах провод с «крокодилом» — земля, фаза — игла, которой тыкают в контакты проверяемых схем, в ножки микропроцессоров и прочее. В отечественной продукции часто провода одинаковые. Узнать назначение можно, коснувшись их рукой: минус (земля) — на экране ровная линия, фаза — искаженная синусоида.
Нельзя использовать любой провод для щупа — в осциллографе это только коаксиальные специальные изделия, любой другой кабель покажет чушь.
Упрощенно алгоритм использования, как подключить к анализируемой цепи и провести исследование:
- Осциллограф ставят в удобное место, ручки приводят в нормальное или нейтральное положение.
- Если есть калибратор, то надо откалибровать по инструкции.
- Землю сажают на «−» или общую жилу в исследуемой схеме. Если их невозможно определить — подключают к любому из контактов, между которыми проводят исследование. Сигналом тычут по схеме.
Прибор отображает напряжение на щупе по отношению к общему проводку. На некоторых таких шнурах (прямо на них) есть делители 1:0, 1:100 с тумблерами вкл./выкл., позволяющие воткнуть концы хоть напрямую в 220 В, не рискуя сжечь прибор.
Режим входа
Регулятор с прямой и, ниже нее, волнистой чертой — это режим входа. Верхняя позиция — допустимо подавать любое напряжение. Средняя — позволяет установить развертку. Нижняя позиция — только для переменной величины, при этом подключение идет через встроенный конденсатор.
Пример: надо проанализировать помехи на БП с 12 В, их интенсивность возможна до 0.3 В. На фоне 12 В незаметно. Можно повысить коэфф. по Y, но график выйдет за монитор, а смещения не хватит для наблюдения вершины. Тогда включаем в цепь конденсатор и 12 В осядут там, а в O-Scope пойдет переменная величина — 0.3 В помех, визуализацию усиливают и разглядывают полный масштаб.
Быстрый старт
Экран размечен линиями с делениями Y (вертикаль) и X (горизонталь) – это декартовая система координат, их селекторы (большие и заметные) — главные органы управления:
- Усиление (В/дел, вольт/на деление) — масштабирует по оси Y, чтобы просмотреть весь сигнал, и там же указано, сколько В на деление в итоге отобразится. Пример: если стоит 2 В на деление, а сигнал занимает две клеточки в высоту, то амплитуда равна 4 В; при выборе 1 В и подачи синусоиды ампл. в 0.2 В она займет 4 кл.;
- Длительность (Развертка) — регулировка частоты. Тут деления в мс и мкс. Чем меньший промежуток и больше частота, тем высокочастотный сигнал можно разглядеть и по его ширине можно исчислить, сколько он клеток, а умножив на масш. по линии X, получим его длительность в сек. Можно рассчитать один период, затем — значение частоты — f=1/t. Данная ручка — для выставления скорости луча на табло слева/направо. В цифровых аппаратах — сплошная линия. Поступающий через вход сигнал отклоняет луч вверх/вниз: возникает волнообразная синусоида, пила или иная форма линии, отображая шумы, помехи.
Клавиша развертка и крутилки со стрелочками позволят гонять график по экрану для удобства его восприятия и подгонки нужного участка под квадратики сетки. А изменяя скорость, частотность бега луча (величину частоты развертки), добиваются синхронизации, замирания изображения.
Измеряем напряжение
Для уменьшения погрешности, так как наблюдение визуальное, рекомендовано, чтобы график занимал 80–90 % монитора. Когда делают замеры напряжения и по частоте (есть временный интервал), надо регуляторы усиления и скорости развертки разместить в крайние правые позиции.
Порядок действий
Напряжение измеряется масштабированием по вертикали. Алгоритм:
- Перед началом замыкают сигнал щупа на свой же земляной проводок (иглу на «крокодил») или выставляют тумблер режима входа в позицию «земля».
- Высветится «пульс трупа», если нет, то надо подвигать смещение, стабилизацию и уровень — возможно изображение спряталось, не запустилось.
- Регулируем селекторами смещение полосы на ноль и регулятором «вверх-вниз» выставляем развертку на горизонталь сетки, так можно будет корректно рассчитать высоту осциллограммы. Если осциллограф старый или аналоговый, то надо ему дать прогреться минут 5.
- Выставляем предел измерений по напряжению, рекомендовано брать с запасом, потом можно уменьшить.
- На вход дают сигнал (или его переключатель переводится в одно из рабочих позиций). На мониторе появится график.
- Проиллюстрируем процесс: батарейка имеет 1.5 V, если прикоснуться земляным отростком щупа к ее минусу, а сигнальным — к плюсу, то появится скачок графика на 1.5 Вольта.
Для нахождения высоты графика осциллограмму подвигают селектором, чтобы отметка, по которой исчисляется амплитуда, была на центральной вертикали с долями. Получим чувствительность отклонения — 1 в/дел, размер осциллогр. — 2.6 дел., а отсюда ампл. = 2.6 В.
Ниже иллюстрация на аналоговом аппарате: 3.4 дел. — макс. напряжения. На соседнем рисунке — масштабирование по вертикали. Регулятор «плавно» (часть с зеленой риской) – в правой предельной позиции, черточка тумблера чувствительности — 0.5 в/дел. Множитель по масшт. — ×10. Расчет напряжения:
Измерение частоты
Частота — это временная характеристика, интервалы, периоды сигнала; их измерение — прямое назначение осциллографа. Исследуемое значение всегда обратно пропорционально его периоду, который можно замерить в любой области осциллограммы. Но комфортнее и точнее это сделать в точках пересечения графика с горизонталью по центру (ось времени).
Перед исследованием полосу развертки выставляем на центральную горизонталь. Используя ручку со стрелкой в обе стороны, смещаем начало периода с самой крайней левой полосой на мониторе. В нашем случае промежуток = 6.8 дел., скор. развертки — 100 мкс/дел. Исчисления:
Выше на схожих двух рисунках те же сигналы, но при разной скорости развертки. По первому изображению исчисление частоты (точное значение — 1.459 кГц) имеет большую погрешность, по второму — меньшую, так как большую точность при измерении получают, если растянуть картинку.
На втором рисунке период чуть превышает 6.8 дел. и частота в реальности чуть ниже (1.459 КГц), чем полученная (1,47 КГц). Отклонение меньше 1 %, это допустимо и считается высокой точностью, ее обеспечит цифровой O-Scope (с линейной разверткой). В аналоговых моделях отклонение было бы выше. Характерная закономерность: с увеличением периода снижается частота (пропорция обратная), и наоборот.
Измеряем сдвиг фаз
Иногда бывает, что фазы напряжения и тока расходятся (при проходе через конденсаторы, индуктивность). С двухканальным O-scope возможно посмотреть уровень различий.
Сдвиг фаз покажет два процесса в движении, их положение с колебаниями. Измеряют не в ед. времени (горизонталь), а в долях промежутка сигнала (ед. угла). Одинаковому взаимному размещению сигналов соответствует такой же сдвиг, и он не зависит от периода и частоты. Поэтому измерения достовернее при максимальном растяжении периодов на мониторе.
Порядок действий
Этапы (модель С1-83):
- Крутилками со стрелками 2 каналов (по вертикали) развертку ставят на центральную линию (сигнал на входе отсутствует).
- Усил. (вертикаль) на первом канале устанавливают (ступени и плавно) большую амплитуду, на втором — делают ее меньшей.
- Скор. разв. настраивают, чтобы на табло поместился 1 определенный промежуток.
- Уровнем синхронизации выставляют старт графика с временной линии (развертки, т. А), а селектором с горизонтальной чертой с двумя стрелками — чтобы с крайней левой грани экрана (т. А);
- Скор. разв. (ступени и плавно) добиваются финиша графика на крайней правой вертикальной грани.
- Повторяют описанное, растягивая диаграмму на весь монитор, стартовая и финишная точка должны совпадать с полосой развертки.
- Определяют опережение, угол сдвига (φ) зависит от этого. Ниже на первом рис., ток отстает его старт позже (т. А и Б). На соседнем рисунке (б) он первый, его старт не показывается, поэтому смотрят на финиш первого полупериода: первым к 0 придет диаграмма, начавшаяся раньше (отметка Г подходит быстрее В).
φ — модуль угла, промежуток между начальной и финишной точками периода. Далее, φ узнаем по правилу: 1 промежуток любого колебания = 360° (это стабильная пропорция).
Замеры возможны и по концам периодов (Д и Е), но в правом сегменте монитора линейность плохая, вероятность погрешностей увеличивается.
Пример исчисления с графической иллюстрацией:
Видео по теме
- Главная
- Электропроводка
- Приборы и инструменты
Что такое цифровой осциллограф и как им пользоваться
Цифровой запоминающий осциллограф – прибор для измерения электрических сигналов. Благодаря определению формы и параметров колебаний удается мониторить корректность работы электронной части техники. Кроме измерения прибор записывает показания. Полученные данные можно анализировать в любое время
Применение цифровых осциллографов мультиметров
Приборы используются в мастерских по ремонту электронного оборудования. Они применяются для проектирования цифровых схем, которыми оснащаются все современные устройства. Используются в:
Электронике. С помощью появляющегося на экране изображения анализируется сигнал работающего элемента. Благодаря этому удается определить рабочую частоту, правильно выбрать детали, настроить корректную работу.
Ремонте бытовой техники. Применение этого прибора – один из способов выявить неисправность. Замеры сигнала в разных частях электронной начинки позволяют точно определить вышедший из строя электронный компонент.
Ремонте цифрового авто-оборудования. Операции по диагностике автомобилей производятся цифровыми планшетными осциллографами. Эти приборы компактны, что обеспечивает проверку даже в труднодоступных местах электронных компонентов систем:
- зажигание;
- впрыск горючего;
- диодный мост генератора;
- датчик подачи воздуха;
- положение коленчатого, распределительного валов и т.д.
Практических и научно-исследовательских целях. Для этого подходит обычный мультиметр. Однако осциллограф дает более полную картину, возможность увидеть даже незначительные изменения.
Настройке электронного оборудования. Например, если необходима регулировка телевизионного сигнала, используют устройство для получения осциллографического изображения.
Как работает цифровой осциллограф
Когда прибор запущен, происходит подача сигнала на вход канала вертикального направления. Он обладает высоким входным сопротивлением. Аналогично работает вольтметр, который позволяет измерять напряжение на печатной плате, электропроводке, коннекторах, электронных компонентах. Отличие осциллографа от вольтметра заключается в демонстрации временных колебаний напряжения в виде графика.
После поступления сигнала на вход, его усиливают до определенных значений. На экране он отображается в виде вертикальной оси. Цель усиления – обеспечение работы отклоняющей системы лучевой трубки. Также это требуется для функционирования преобразователя сигнала из «аналога» в «цифру». Путем усиления сигнала удается менять (повышать или понижать) масштаб колебаний на экране.
Типы цифровых осциллографов
Цифровые аппараты популярнее, чем аналоговые. Это объясняется более высокой точностью измерений в цифровых осциллографах. Конструкция последних включает аналого-цифровой преобразователь. Его наличие позволяет превращать «аналог» в «цифру». У электронного прибора есть память для сохранения захваченной выборки
Люминофорные (DPO)
Работают по принципу имитации изменения процессов. Выводят изменения модулированных сигналов на экран, подобно аналоговым моделям. Все получаемые ими сигналы анализируются и записываются в память.
Стробоскопические
Принцип работы – метод последовательного стробирования сигнала. За счет повторяющегося сигнала происходит выборка мгновенного значения в новой точке. Плюсы аппаратов – большая полоса пропускания. С их помощью проводятся процедуры по исследованию коротких периодических сигналов.
Цифровые USB осциллографы
У них масса плюсов:
- легкое подключение к ПК;
- сохранение информации на жесткий диск, работа с ней в текстовом виде;
- быстрая конвертация данных в цифровой текстовый формат;
- удобство использования по причине компактности;
- наличие в одном приборе нескольких: осциллографа, анализатора, генератора сигналов, генератора последовательностей.
Но у устройств отмечены недостатки. Среди них погрешности. Кроме того, хуже характеристики, чем у стационарного оборудования. У многих USB-приборов нет гальванической развязки. Если не соблюдать меры предосторожности, можно вывести из строя ПК.
Цифровые портативные осциллографы
Представлены модифицированными компактными приборами небольшого размера и веса. Потребляют минимум энергии. Используются для проведения научных исследований в сфере промышленности. Подходят для поиска неисправностей машин, а также электрооборудования.
Цифровые запоминающие
Оснащены носителем, способным хранить большие объемы данных. В приборах реализована система считывания информации на высоких скоростях. Они могут воспроизводить имеющиеся события в сигнале в замедленном темпе.
Схема цифрового осциллографа
У прибора есть лучевая трубка, которая обладает чувствительностью к электрическим импульсам. Уровень чувствительности зависит от частоты импульсов – чем выше, тем чувствительнее становится трубка. В ней содержится от 1 до 16 каналов ( зависит от модели). Каждый канал способен принимать электрические импульсы. Чем больше каналов, тем больше графиков одновременно может выводиться на экран.
Особенность прибора цифрового типа — наличие экрана и преобразователя, способного конвертировать аналоговый сигнал в цифровой. Преобразователь имеет память для сохранения данных о колебаниях в виде графиков. Часть информации подвергается анализу автоматически, а затем в обработанном виде отображается на экране.
Развертка – траектория движения луча. Он выполняет функцию улавливателя колебаний, которые выводятся на экран. Развертка может принимать эллиптическую или круговую форму. Регулируется в горизонтальной оси.
Получает энергию устройство от блока питания, подключаемого к бытовой сети 220 Вольт. Есть модели на аккумуляторах – функционируют в автономном режиме.
Измерения в цифровых осциллографах
Любой аппарат рассчитан на измерение электрического напряжения, из которого затем формируется амплитудный график электрических колебаний. Отображение последних производится на экране. Сам экран изготовлен в двухмерной системе координат. На нем есть две оси – вертикальная (для напряжения) и горизонтальная (для времени). Имеется также третий компонент – яркость (интенсивность сигнала).
Если на устройство не поступают входные импульсы, на экране видна лишь горизонтальная линия. Ее еще называют «нулевой». Это свидетельствует об отсутствии напряжения. При подаче на 1 или 2 канала цифрового осциллографа (каналов может быть больше) напряжения, на экране появятся графики (их число зависит от количества каналов).
Форма графиков электрических колебаний:
- синусоида;
- затухающую синусоида;
- прямоугольник;
- меандр;
- треугольник;
- «пила»;
- импульс;
- перепад;
- комплексный сигнал.
Чтобы обеспечить стабильность графика колебаний, внутрь прибора поместили блок синхронизации. Для получения цикличного отображения колебаний следует выставить значения синхронизации. Это значение будет считаться «стартовым» — отправной точкой графика.
Каналы цифрового осциллографа — для чего нужны
Как уже отмечалось, каналы – это измерители. Если их несколько, то можно одновременно анализировать несколько поступающих сигналов. Прием сигналов производится входными аналоговыми каналами, которые затем все оцифровывают. Внутри прибора находится анализатор. Его функция – исследование коррелированных цифровых и аналоговых каналов. Работает с множеством контрольных точек. Метод упрощает операции по декодированию многоразрядных параллельных шин.
Многоканальный прибор не всегда качественно диагностирует. Рассмотрим, для решения каких задач подходит один или несколько каналов:
- Цифровой осциллограф на 4 канала или на 6 хорошо справляется с измерениями и сравнениями временных характеристик сигналов, которые поступают от аналоговых устройств.
- С помощью 8 или 16 каналов удастся произвести отладку цифровой системы, работающей по принципу параллельного экспорта данных.
- Высокочастотные измерения проводятся с помощью комбинированных устройств, у которых есть дополнительные каналы и РЧ вход.
- Работа с гальванической развязкой оптимальна с помощью изолированных каналов.
- 20 каналов – решение для синхронизации регистрации, просмотра сигналов по времени.
Как пользоваться цифровым осциллографом
Если устройство новое и им еще ни разу не пользовались, необходимо его откалибровать. Для этого используют генератор прямоугольных импульсов, который находится на корпусе. Операция выполняется путем подключения щупа к калибровочному выходу. После этого на экране появляется линия в виде зигзагов, напоминающая зубья пилы. В таком состоянии рекомендуется проверка работы всех функций.
На экране осциллографа видны небольшие клетки – это деления. Величина квадратов зависит от типа прибора. Есть устройства с делениями, равными 5 единиц. Некоторые оснащаются ручками. С их помощью меняется масштаб графика. Это обеспечивает удобство использования, позволяет проводить измерения точнее.
Перед началом применения необходимо подсоединить осциллограф к бытовой электрической сети 220 Вольт. Подключение щупа производится на один из свободных каналов (если их более 1) или генератор импульсов (в случае его наличия). После этого на дисплее появятся изображения сигналов.
Если на экране сигнал обрывистого характера, значит следует проверить надежность подключения щупа. Для стабильности соединения в приборах предусмотрены миниатюрные ванты. В некотором оборудовании также предусмотрена функция автоматического позиционирования, которая решает проблему обрывистого сигнала.
Как измерять ток
Перед измерением тока цифровым каналом осциллографа необходимо определить вид тока, который будет наблюдаться. Аппараты рассчитаны на работу в двух режимах:
- Direct Current («DC») – для наблюдения за постоянным;
- Alternating Current («АС») – для наблюдения за переменным.
Для измерения постоянного тока необходимо активировать режим «DC». Затем нужно подключить щупы к линиям питания, учитывая полярность. Черный зажим подсоединяется к минусу, а красный – к плюсу. После этого экран прибора покажет прямую линию. Значение тока — это значение вертикальной оси. Сила тока вычисляется по закону Ома. Для этого потребуется разделить напряжение на сопротивление.
Переменный ток отобразится на экране в виде синусоиды. Измерение его значения возможно лишь в определенный отрезок времени. Сила вычисляется по тому же закону Ома.
Как измерить напряжение
При процедуре измерения напряжения не обойтись без вертикальной оси координат. Необходимо анализировать высоту осциллограммы. Перед этой операцией предстоит выполнить настройку дисплея, чтобы обеспечить удобство измерения. После этого перевести прибор в режим DC. Затем подсоединить щупы к контактам цепи. На дисплее отобразится прямая линия. Ее значение – есть напряжение.
Как измерить частоту
Для начала разберем, что такое период и как он связан с частотой электрического сигнала. Под одним периодом подразумевается наименьший промежуток времени, после прохождения которого происходит повтор амплитуды.
Чтобы облегчить наблюдение за периодом, можно воспользоваться горизонтальной осью. Она отвечает за координаты времени. Достаточно увидеть, спустя какое время линейному графику свойственно повторяться. За начало периода нужно брать точки, в которых происходит соприкосновение с размещенной горизонтально осью. Концом периода будет повторение этой же координаты. Для удобства измерения периода сигнала лучше уменьшить скорость развертки. Тогда погрешность измерения сводится к минимуму.
Частотой называют значение, которое обратно пропорционально анализируемому периоду. Если проще, то для измерения значения необходимо 1 секунду поделить на число периодов, проходящих за это время. Таким образом получается частота, измеряемая в Герцах.
Как измерить сдвиг фаз
Взаимное расположение 2-х колебательных процессов во времени называют сдвигом фазы. Измерение параметра проводится в долях периода сигнала. Делается это с целью получения общего значения одинаковых сдвигов фаз.
Перед процедурой нужно выяснить, у какого сигнала есть отставание от другого. После этого выяснить значение знака параметра. В случае движения тока впереди, сдвиг угла получится с отрицательным параметром. Если напряжение уйдет назад, знак значения станет положительным.
Для выполнения операции предстоит:
- умножить 360-и градусов на количество клеток, которые располагаются между началами периодов;
- полученную цифру поделить на количество делений, которое занимает один период сигнала;
- выполнить подбор отрицательного или положительного знака.
Проводить процедуры на аналоговом осциллографе некомфортно. Связано это с отображением на дисплее графиков одинакового цвета. Масштаб самих графиков тоже одинаковый. Цифровое устройство для таких операций – выход. Если взять осциллограф с двумя цифровыми каналами (для чего нужен такой прибор мы уже рассмотрели), то сделать это станет проще благодаря размещению амплитуд на отдельные каналы.
Различия между цифровым и аналоговым осциллографом
Цифровой прибор отличается от аналогового тем, что способен отображать на дисплее сигналы разной яркости. Аналоговым свойственно выполнение развертки сигнала. Они могут работать с физическими величинами, которым свойственно изменяться (напряжением и др.).
Цифровые работают по принципу выборки характеристик сигналов. Понимают дискретные двоичные числа, представляющие значение напряжения. В основе концепции системы запуска – мониторинг событий, происходящих в исследуемых процессах.
В основе аналоговой системы запуска – функционирование на усилителях. Усилители — источники линейных и нелинейных погрешностей. Это может быть задержка и колебания амплитуды. Их проявление отображается на дисплее. Вид — сдвиги положения запуска.
В основе цифровой системы запуска – функционирование без искажений. Может напрямую работать с отчетами АЦП, а также отображать на экране получаемый сигнал практически без изменений (полностью идентичный).
Особенности цифровых устройств:
- работа с полосой пропускания от 70 ГГц и больше;
- функционирование в режиме эквивалентного и реального времени;
- регистрация поступающих сигналов за счет модулей;
- пониженный уровень шума;
- повторяющийся характер работы (так обеспечиваются идеальные условия для мониторинга за параметрами сигналов).
Цифровое оборудование выдает информацию на экран в виде текста. Эти данные – точнее, чем графики, которые выводит на дисплей аналоговое оборудование. Обработка сигналов выполняется по методу Фурье. Вся поступающая информация сохраняется в памяти и может быть распечатана в любое время.
Обзор цифровых осциллографов
Tektronix TBS2000B
Цифровой запоминающий осциллограф TBS2000B позволяет решать основные задачи – отражать и измерять параметры сигналов. Оснащен увеличенным дисплеем, диагональ которого составляет 9 дюймов. Сам экран поделен на 15 делений по горизонтали. Длина записи в величине 5 миллионов точек – это способ захвата больших временных окон, более тщательный анализ.
Благодаря курсорам с ручным управлением и 32 автоматическим измерениям производительность повышается. Имеет порт 100-BaseT Ethernet и модуль Wi-Fi для соединения с сетью. Так можно добиться высокой скорости обмена данными. Цена аппарата невысока. Подходит для решения задач разной сложности.
TBS2000B отличается удобством и простой применения. За счет новой конструкции входов с высокой частотой дискретизации (2 Гвыб/с) увеличивается точность измерений. При измерениях прибор обеспечивает снижение уровня шумов, увеличение эффективной разрядности.
Наличие 32 автоматических измерений свидетельствует о быстроте, а также высокой точности измерений распространенных параметров. Анализ сигналов может проводиться с помощью экранных надписей новых курсоров, которые привязаны к сигналу.
Keysight U1600
При помощи осциллографа производятся операции по измерению формы и параметров сигналов. Модель рассчитана на работу в неблагоприятных условиях (на промышленных производствах). Это устройство — полноценный осциллограф. Подходит для применения в качестве цифрового-среднеквадратического мультиметра. Максимально отображаемое значение – 6000. Благодаря мультиметру возможны замеры постоянного и переменного напряжения, сопротивления по 2-проводной схеме, силы тока, температуры.
Kesight U1600 – прибор ручного типа. Имеет цветной жидкокристаллический дисплей на 4,5 дюймов. Способен отображать осциллограммы по двум каналам.
Серия U1600 представлена несколькими моделями:
- U1602A/U1602B – с полосой пропускания 20 МГц;
- U1604A/U1604B – с полосой пропускания 40 МГц.
Оборудование позволяет делать выборку данных в реальном времени. Работает на частоте до 200 Мвыб/с. В моделях U1604A и U1604B есть функция математической обработка 2-х каналов и БПФ. Благодаря этому удается быстро анализировать сигналы в области частоты и времени.
У каждого прибора есть цифровой истинно-среднеквадратический мультиметр. Выдает значения до 6000. У него также есть функция автоматического выбора диапазона. За счет этого выполняется гибкое и точное измерение напряжения, а также прочих параметров. Наличие функции регистрации данных позволяет анализировать значения в любое время.
Как подобрать цифровой осциллограф
На радиорынке представлены различные приборы. Среди них не последнее место занимают модели из Китая. При разработке и создании китайцы придерживаются одного правила – устройства должны быть универсальными. Речь идет об осциллографах, у которых имеется генератор сигналов.
Важно понимать, что покупка китайского оборудования связана с рисками. К примеру, частая проблема – шумность. Особенно это касается 1-го канала. Шумы бывают разных спектров — от инфранизких до мегагерцовых. Иногда в цепи питания не ставится развязка.
Другой недостаток осциллографа низкого качества – неприемлемая работа генератора, которому свойственно выдавать «свалку» частот. Это создает трудности при обнаружении основной частоты.
Чтобы выбрать хороший прибор, необходимо обращать внимание на достоверность снимаемых данных. От этого зависит успех поставленных задач. При выборе оборудования нужно руководствоваться:
- стоимостью;
- производителем;
- функциональностью;
- рабочими характеристиками.
Полоса пропускания цифрового осциллографа
От системной полосы пропускания зависит способность прибора измерять сигнал аналогового типа в определенном диапазоне. От величины последнего зависит точность измерений.
На что обратить внимание:
- У устройств начального уровня, максимальная полоса пропускания составляет не более 100 МГц. Они способны показывать амплитуду синусоидальных сигналов частотой до 20 МГц.
- Чтобы захватить цифровой сигнал, прибору необходимо захватывать основную, третью и пятую гармоники. В противном случае осциллограмма лишится важных деталей. Важно помнить правило пятикратного превышения. Достижение погрешности в пределах ±2 % можно добиться, если полоса пропускания с учетом пробника не менее чем в 5 раз превысит максимальную полосу сигнала.
- Только так получится добиться точности в измерениях амплитуды.
- Если планируется работать с высокоскоростными цифровыми сигналами, а также видеосигналами, лучше приобрести осциллограф, у которого полоса пропускания будет выше 500 МГц.
Питание
Прибор работает от аккумулятора, что очень удобно. Такие модели позволяют проводить операции вдали от источников питания. Мастер может совершать выезды на места, где происходит проверка оборудования. Если выезды редкие, лучше брать оборудование, которое работает от бытовой сети. Его преимущества – стабильность работы, а также надежность.
Частота дискретизации
От этого параметра зависят измерения однократных и переходных процессов. Большая величина частоты дискретизации дает более точное изображение на экран.
Что такое цифровой осциллограф и как он работает
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.
1 Структура и принцип действия цифрового осциллографа
На рис. 1 в предельно упрощенном виде показана структурная схема цифрового осциллографа (ЦО).
Рис. 1. Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа (ЦО)
МУ – масштабирующее устройство (усилитель и делитель напряжения); АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; МК – микроконтроллер;
ЗУ – запоминающее устройство; Э – экран; ОУ – органы управления ( кнопки, ручки).
Пройдя через МУ, входное напряжение u(t) преобразуется АЦП в дискретную последовательность кодовых слов Ni , отображающих мгновенные значения ui этого напряжения. Каждое новое кодовое слово записывается в ОЗУ. При этом все предыдущие записанные отсчёты сдвигаются на одну ячейку (регистр сдвига), а самый первый N1 исчезает, как бы «выталкивается». Если ОЗУ состоит из М ячеек, то в нём, постоянно обновляясь, содержится М последних, «свежих», кодовых слов. Так продолжается до тех пор, пока не будет выполнено некое заданное условие, например, когда какое-либо ui впервые превысит заданный оператором уровень («запуск по уровню»). После этого содержимое некоторого количества ячеек ОЗУ переписывается в запоминающее устройство ЗУ, входящее в состав микроконтроллера МК.
Каждой ячейке ЗУ соответствует точка на экране по цвету отличающаяся от фона. Её абсциссу определяет номер ячейки, а ординату кодовое слово Ni, находящееся в этой ячейке. Для хорошего изображения сигнала на экране вполне достаточно 2 точки на 1 мм. Средних размеров экран имеет высоту 100 мм и ширину 120 мм. Следовательно, на экране должны располагаться 200 × 240 = 48 000 точек или более.
Таким образом, для формирования хорошего изображения АЦП должен иметь не менее 8 двоичных разрядов (256 точек по вертикали) и ЗУ должно содержать 256 ячеек.
Но количество ячеек ОЗУ может быть гораздо больше. Зачем?
ЦО позволяет делать замечательную вещь – запоминать в ОЗУ изображение всего сигнала. В ЦО можно видеть предысторию сигнала до появления импульса запуска. Это называют «предзапуском». Частоту дискретизации (частоту «выборок») можно изменять в широких пределах, что соответствует изменению масштаба по горизонтали и аналогично изменению скорости развёртки в аналоговых осциллографах.
Для изменения масштаба по вертикали, как и в аналоговых осциллографах, можно изменять коэффициенты усиления или деления соответственно входного усилителя или делителя напряжения.
ЦО позволяет: растягивать во времени фрагменты записанного в память сигнала, складывать и вычитать сигналы в разных каналах, определять частотный спектр сигнала путём применения быстрого преобразования Фурье и проч.
- Характеристики и функциональные возможности цифровых осциллографов.
Рис. 3
Рис. 4- Временные параметры -частоту (F), период (Т), время нарастания, время спада, скважность импульсов, длительность импульса.
- Амплитудные параметры — максимальное и минимальное значение; размах от пика до пика; средневыпрямленное, среднеквадратичное, амплитудное значения. Одновременно возможно выводить до 5 измеряемых параметров по обоим каналам, т. е. одновременно выводятся 10 результатов измерений.
Рис.5
Рис.6
Рис.7
- Технологии информационного обеспечения жизненного цикла изделий
приборостроения(CALS-технологии): назначение, виды обеспечения.
CALS-технологии (Continuous Acquisition and Life cycle Support — непрерывная информационная поддержка жизненного цикла изделий (маркетинга, проектирования, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), подготовки производства, производства (изготовления), реализации, эксплуатации, утилизации)).Цель примененияCALS — повышение эффективности взаимодействия участников создания, производства и дальнейшего использования продукта. ИПИ (информационная поддержка процессов жизненного цикла изделий) — русскоязычный аналог понятия CALS. На рис. 1 показано аппаратно-программное и информационное обеспечениеCALS. Рис.1. Информационная поддержка процессов жизненного цикла изделий приборостроения на основе CALS. CALS– это автоматизированная система управления, интегрирующая информационные процессы и ресурсы между участниками жизненного цикла изделий в едином информационном пространстве, и управляющая их интегрированным информационным обеспечением. Использование сетевых технологий позволяет организовать процессы проектирования изделий, разработки технологических процессов производства путем взаимодействия распределенных в пространстве аппаратно-программных средств, что можно рассматривать как виртуальное производство при участии организаций различных стран и регионов. Для эффективного взаимодействия участников жизненного цикла изделий на основе CALS структура проектной, технологической, эксплуатационной документации, понятийный аппарат и языки представления данных должны быть стандартизованы. В Россииведется работа по созданию национальных CALS-стандартов — разработан ряд стандартов серии ГОСТ Р ИСО 10303, являющихся аутентичными переводами соответствующих международных стандартовSTEP (Standard for Exchange of Product Data — стандарт для обмена данными о промышленной продукции).