Цифровые и аналоговые осцилографы практика измерений

Главная функция осциллографа - регистрация изменения исследуемого сигнала и выводить его на экран для просмотра и анализа.

При измерение осциллографом на экране, для удобства имеется координатная система. Обычная декартова система, на которой существует ось X и Y. По оси X окладывается время, а по оси Y осуществляется измерение напряжения.

Различные управляющие ручки и кнопки измерительного прибора предназначены для того, чтобы можно было легко настраивать отображение сигнала: масштаб по осям Х и Y, курсоры и триггеры. Управление процессом измерения позволяет как бы приблизить или отдалить исследуемый сигнал, чтобы рассмотреть его как можно тщательнее.

Измерение выполняемые при помощи осциллографа

Для измерения различных электротехнических величин необходимо правильно подключать любой осциллограф к исследуемой цепи или схеме, это делается с помощью специального измерительного щупа, обычно состоящего из коаксильного провода, на одном конце которого имеется разъем для подключения к прибору, а на втором щуп и заземление для подсоединения к исследуемой схеме. Любой провод в роли щупа применять нельзя. Только специальные щупы, иначе вместо реальной картины дел увидишь только шумы.

Итак с помощью осциллографа можно измерить:

Осциллограф способен точно измерять как постоянное, так и переменное напряжение. У всех таких измерительных устройств имеются два режима: измерение только переменного напряжения и измерение постоянного и переменного одновременно.

Например, если ты выберешь измерение переменного напряжения и подсоединишь щуп к батарейке, то на дисплее ничего не изменится. А если выберешь другой режим, то линия на экране сместится приблизительно на 1.5 Вольта вверх (величина ЭДС обычной батарейки типа АА). Это необходимо для четкого разделения постоянной и переменной составляющей.

Допустим захотел ты измерить пульсации в источнике постоянного напряжения вольт на 30. Подключаешь к осциллографу, а луч сместился далеко вверх. Для того, чтобы можно было наблюдать сигнал необходимо настроить значение В/дел на клетку. Но тогда пульсаций уже не видно. Что делать? Переключаешь режим входа на измерение переменной составляющей и вращаешь регулятор В/Дел на масштаб поменьше. Постоянная составляющая сигнала не может пройти, поэтому на дисплее будут видны только только пульсации блока питания.

Амплитуду переменного напряжения легко померить зная цену деления В/дел и просто посчитать число клеток по оси У от нулевого значения (среднего), до максимума.

Измерение частоты с помощью осциллографа, а в случае необходимости можно даже сравнить частоты двух сигналов, с помощью фигур Лиссажу

С помощью двухканального осциллографа можно измерить и сдвиг фаз, например, после прохождения через конденсатор или индуктивность фаза тока и напряжения обычно расходятся

Для этого в схему нужно последовательно включить резистор, имеющий значительно более низкое сопротивление, чем сама цепь.

После этого измеряют напряжения по принципу, рассказанному выше. А уже зная номинальное сопротивление резистора и общее напряжение в цепи несложно найти и силу тока, если вы конечно дружите с законом Ома.

Применение осциллографов в радиолюбительской практике

Они применяются при создании, ремонте, наладке различных электронных устройств: от мобильных телефонов, до электронных цепей автомобильных двигателей. От военных до гражданских. Они нужны абсолютно везде.

Использование этих приборов не ограничивается лишь миром электроники, как упоминалось выше. При применении дополнительных преобразователей осциллографы могут контролировать абсолютно любые природные явления.

Ведь как мы уже знаем из курса метрологии, преобразователь – это устройство, генерирующие различный сигналы электрической природы в ответ на физическое воздействие, например звук, ультразвук, давление, механический удар, тепло или свет . Например, хорошо знакомое всем устройство для записи - микрофон это типовой преобразователь звука в электрический сигнал. Автоэлектрики при обслуживании автомобилей применяют осциллографы для фиксации вибраций двигателей . В медтехнике измеряют волны, генерируемые человеческим моз гом, мышечные сокращения сердца и т.п. Возможности измерительного прибора под названием осциллограф бесконечны, как вселенная и параллельные миры.

Большинство современных цифровых осциллографов имеют различные дополнительные функции, с помощью них можно быстро измерить частоту, амплитуду и многие другие характеристики. Некоторые модели позволяют провести в реальном времени различные математические преобразования или, допустим, быстрое преобразование фурье. В целом, этот прибор позволяет наблюдать на дисплее временные и физические характеристики сигнала.

Временными характеристиками при измерении считаются: Частота, скважность, период и коэффициент заполнения, время нарастания и спада.

К Физическим характеристикам можно отнести: максимум и минимум сигнала, амплитуду, средне квадратичное, среднее значение и т.п

Основные характеристики и свойства осциллографа

Ключевым свойством любой осциллографической системы является её возможность точно воспроизводить форму исследуемого импульса сигнала . Она определяется наиважнейшей характеристикой осциллографа, называемой целостность сигнала.

Все узлы и системы этого измерительного прибора, их свойства в зависимости от выбранных режимов работы, вносят свою лепту в способность отражать на дисплее наиболее точную информацию об исследуемом сигнале. Незабываем, что щупы также оказывают существенное воздействие на целостность в любой измерительной системе.

Понятие характеристики целостности нужно учитывать при проектировании различных электронных схем. Раньшьше это в принципе не касалось цифровых разработок на логических схемах, функционирующих по законам булевой алгебры.

Но во времена уже не столь удаленные трудно выделяемые сильно зашумлённые сигналы, стали характерной чертой для схем высокоскоростной обработки , что сразу же стало предметом серьезного беспокойства для разработчиков высокочастотной схемотехники.

Во времена чуть более удаленные, но не столь темные цифровые системы работали на низких тактовых частотах, поэтому форма сигналов была предсказуемой. К сегодняшним реалиям тактовая частота процессоров увеличилась на порядки.

Высокоскоростные устройства ввода-вывода, требуют наличия широкой полосы пропускания. Микропроцессорные схемы обрабатывают данные со скоростями 5-10 Гвыб\с (гига выборок за секунду), а современные на сегодня микросхемы памяти DDR3 работают на частотах более 2 ГГц, с временем нарастания фронта импульса 200 пс. Кроме того тенденция роста быстродействия затрагивает и ИМС общего назначения, используемые в бытовой и автомобильной электронике.

Даже 20 МГц микропроцессоры могут столкнуться с сигналами, которые можно правильно отследить процессорами от 800 МГц и более.

В погрешность измерения вносит коррективы факт рассогласования прибора с пробником, для устранения этого влияния современные осциллографы имеют специальную опцию компенсации влияния измерительной системы на выводимый на дисплей сигнал.

В то же время и компоненты сигнального тракта обладают паразитными свойствами . Слои заземления и питания обладают индуктивными свойствами из-за этого питающие развязки становятся менее эффективными. Электромагнитные помехи возрастают тем сильнее, чем ниже время нарастания.

Кроме того импульсы с малым временем нарастания требуют для своей генерации более высоких токовых уровней, что приводит к возникновению особых требований к заземлению многоразрядных шин, где может случаться параллельное переключение многих сигналов. Вдобавок более высокие токовые значения являются причиной роста электромагнитных помех, а вместе с ними и перекрёстных наводок.

Итак у современного осциллографа имеется множество характеристик, перечислим основные из них.

Основные характеристики цифрового осциллографа

Еще десятилетие назад большинство российских радиолюбителей пользовались приборами, выпущенными еще в СССР. В свое время это были просто замечательные измерительные приборы со своими большими плюсами и небольшими минусами. Технологии ушли вперед и им на смену приходят более функциональные приборы с более продвинутыми характеристиками и свойствами, рассмотрим их более подробно

Что такое осциллограф?

Осциллографом называют измерительный прибор, отображающий электрические сигналы в графической форме, т.е он выводит на свой экран диаграмму электрического сигнала. Диаграмма отражает все изменения электрического сигнала во временном интервале: вертикальная ось (Y) представляет собой значения уровня напряжения, а горизонтальная ось (X) – время . Яркость или интенсивность выведенной на экран картинки называют осью Z.

В осциллографах с цифровым люминофором ось Z представлена различными градациями светового диапазона. Простейшая диаграмма способна многое рассказать об измереном сигнале:

Осциллограф измеряет различные виды колебаний напряжения . Один период колебания представляет собой волну, которая полностью повторяется . Форма волны – есть ни что иное как, графическое отображение колебания. Форма изменения напряжения выражается в виде графика зависимости величины напряжения (по вертикальной рси) от времени (по горизонтальной оси).

Формы волны многое многое может поведать о сигнале . Каждый раз, наблюдая изменения по высоте сигнала, мы видим, что это изменилось значение уровня напряжения . Если мы наблюдаем плоскую горизонтальную линию, то можно сделать вывод, что за этот временной промежуток значение напряжения не изменилось . Прямые диагональные линии говорят о линейном изменении напряжения, т.е . периодический спад или нарастание указывают на резкие изменения. На рисунке ниже представлены наиболее распространенные формы сигналов.

Осциллограф общий принцип работы

Современный цифровой осциллограф отличается от своих аналоговых предшественников только тем, что представляет собой почти полноценный компьютер, который измеряет, преобразует, собирает, анализирует и манипулирует полученными значениями сигнала, поступающего на его входы.

Сегодня существует огромное количество разных осциллографов. Но принципы работы у них один - прибор осуществляет измерение напряжения сигнала и выводит его на дисплей. На картинке ниже представлена обычная панель управления. На которой много всяких кнопок, регуляторов, разъемов и дисплей. Два главных органа управления осциллографом называются "Развертка" или "Длительность", "В/дел".

Что такое "В/дел"? На вход осциллографа можно подавать напряжение разной амплитуды. Нужно подал синусоиду с амплитудой в 1 Вольт, а захотел 0.2В или 10В. Как видно на рисунке выше, экран измерительного устройства разделен на клеточки - по принципу декартовой системы координат. Так вот регулятор "В/дел" (Volts/ Div) позволяет изменять масштаб по оси Y? т.е менять размер одной клеточки в вольтах. Если выбрать 0.1 Вольт и подать синусоиду амплитудой в 0.2 Вольта, тогда вся синусоида займёт на дисплее четыре клетки.

А во время измерений в реальной схеме амплитуда может быть такой, что не помещается на дисплее. Вот тогда и нужно крутить ручку регулировки "В/дел", задавая требуемый масшатаб по оси ординат.

"Длительность". Раньше все осциллографы были аналоговыми. В роли дисплея применялась электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). И в них, ручка "длительность" ("разёртка") использовалась для того, чтобы задать скорость перемещения луча на экране слева на право. Когда луч перемещается слева на право, а входящий сигнал отклоняет его вниз или вверх. Поэтому мы и видишь на экране осциллографа красивую картинку, например синусоиды.

Если частота развертки будет близка с частотой исследуемой импульсной последовательности, то на дисплее мы сможем произвести измерение, т.к получим статичное изображение, а с разверткой будет казаться, что синусоида куда-то двигается.

Все остальные функции современного осциллографа уже являются приятным дополнением. Их наличие сильно упрощает исследование в электронике и схемотехнике.

Принцип работы цифровых осциллографов, в отличие от аналоговых, не повторяют получаемый сигнал сразу на дисплей, а в начале преобразует его в "цифровую" форму. Для этого входной сигнал замеряется некоторое число раз за секунду, далее после ряда преобразований цифровые данные воссоздают сигнал и отображает его на цисплее. Оцифровка измеряемого сигнала происходит в блоке аналогово-цифрового преобразования.

Инструкции аналоговых осциллографов