Осциллограф. Устройство и принцип работы. Органы управления.

Назначение, устройство и описание осциллографа

Если спросить профессионального регулировщика электронной аппаратуры или радиоинженера: «Какой самый главный прибор на вашем рабочем месте?» Ответ будет однозначным: «Конечно, осциллограф!». И это действительно так.

Конечно, невозможно обойтись без мультиметра. Измерить напряжение в контрольных точках схемы, замерить сопротивление и ток, «прозвонить» диод или проверить транзистор все это важно и нужно.

Но когда речь заходит о регулировке и настройке любого электронного устройства от простого телевизора до многоканального передатчика орбитальной станции, то без осциллографа обойтись невозможно.

Осциллограф предназначен для визуального наблюдения и контроля периодических сигналов любой формы: синусоидальной, прямоугольной и треугольной. Благодаря широкому диапазону развёртки он позволяет так развернуть импульс, что можно контролировать даже наносекундные интервалы. Например, измерить время нарастания импульса, а в цифровой аппаратуре это очень важный параметр.

Осциллограф – это своего рода телевизор, который показывает электрические сигналы.

Как работает осциллограф?

Чтобы понять, как работает осциллограф, рассмотрим блок-схему усреднённого прибора. Практически все осциллографы устроены именно так.

На схеме не показаны только два блока питания: высоковольтный источник, который используется для вырабатывания высокого напряжения поступающего на ЭЛТ (электронно-лучевая трубка) и низковольтный, обеспечивающий работу всех узлов прибора. И отсутствует встроенный калибратор, который служит для настройки осциллографа и подготовки его к работе.

Исследуемый сигнал подаётся на вход «Y» канала вертикального отклонения и попадает на аттенюатор, который представляет собой многопозиционный переключатель, регулирующий чувствительность. Его шкала отградуирована в V/см или V/дел. Имеется в виду одно деление координатной сетки нанесённой на экран ЭЛТ. Там же нанесены сами величины: 0,1 В,10 В, 100 В. Если амплитуда исследуемого сигнала неизвестна, мы устанавливаем минимальную чувствительность, например 100 вольт на деление. Тогда даже сигнал амплитудой 300 вольт не выведет прибор из строя.

В комплект любого осциллографа входят делители 1 : 10 и 1 : 100 они представляют собой цилиндрические или прямоугольные насадки с разъёмами с двух сторон. Выполняют те же функции, что и аттенюатор. Кроме того при работе с короткими импульсами они компенсируют ёмкость коаксиального кабеля. Вот так выглядит внешний делитель от осциллографа С1-94. Как видим, коэффициент деления его составляет 1 : 10.

Благодаря внешнему делителю удаётся расширить возможности прибора, так как при его использовании становится возможным исследование электрических сигналов с амплитудой в сотни вольт.

С выхода входного делителя сигнал поступает на предварительный усилитель. Здесь он разветвляется и поступает на линию задержки и на переключатель синхронизации. Линия задержки предназначена для компенсации времени срабатывания генератора развёртки с поступлением исследуемого сигнала на усилитель вертикального отклонения. Оконечный усилитель формирует напряжение, подаваемое на пластины «

Y» и обеспечивает отклонение луча по вертикали.

Генератор развёртки формирует пилообразное напряжение, которое подаётся на усилитель горизонтального отклонения и на пластины «X» ЭЛТ и обеспечивает горизонтальное отклонение луча. Он имеет переключатель, градуированный как время на деление («Время/дел»), и шкалу времени развёртки в секундах (s), миллисекундах (ms) и микросекундах (μs).

Устройство синхронизации обеспечивает начало запуска генератора развёртки одновременно с возникновением сигнала в начальной точке экрана. В результате на экране осциллографа мы видим изображение импульса

развёрнутое во времени. Переключатель синхронизации имеет следующие положения:

• Синхронизация от исследуемого сигнала.

• Синхронизация от сети.

• Синхронизация от внешнего источника.

Первый вариант наиболее удобный и он используется чаще всего.

Осциллограф С1-94.

Кроме сложных и дорогих моделей осциллографов, которые используются при разработке электронной аппаратуры, нашей промышленностью был налажен выпуск малогабаритного осциллографа C1-94 специально для радиолюбителей. Несмотря на невысокую стоимость, он хорошо зарекомендовал себя в работе и обладает всеми функциями дорогого и серьёзного прибора.

В отличие от своих более «навороченных» собратьев, осциллограф С1-94 обладает достаточно небольшими размерами, а также прост в использовании. Рассмотрим его органы управления. Вот лицевая панель осциллографа С1-94.

Справа от экрана сверху вниз.

• Ручка: «Фокус».

• Ручка «Яркость».

  Этими регуляторами можно настроить фокусировку луча на экране, а также его яркость. В целях продления срока службы ЭЛТ желательно выставлять яркость на минимум, но так, чтобы показания были видны достаточно чётко.

• Кнопка «Сеть». Кнопка включения прибора.

• Кнопка установки времени развёртки. Грубое переключение коэффициентов развёртки. Можно установить миллисекунды (

  ms) и микросекунды (μs). Напомним, что 1 ms = 1000 μs. Подробнее о сокращённой записи численных величин.

• Кнопка режима «Ждущ-Авт».

  Это кнопка выбора ждущего и автоматического режима развёртки. При работе в ждущем режиме запуск и синхронизация развёртки производится исследуемым сигналом. При автоматическом режиме запуск развёртки происходит без сигнала. Для исследования сигнала чаще используется ждущий режим запуска развёртки.

• Вот этой кнопкой производится выбор полярности запускающего импульса. Можно выбрать запуск от импульса положительной или отрицательной полярности.

• Кнопка установки синхронизации «Внутр-Внешн».

  Обычно используется внутренняя синхронизация, так как для использования внешнего синхросигнала нужен отдельный источник этого внешнего сигнала. Понятно, что в условиях домашней мастерской это в подавляющем случае не нужно. Вход внешнего синхросигнала на лицевой панели осциллографа выглядит вот так.

• Кнопка выбора «Открытого» и «Закрытого» входа.

  Тут всё понятно. Если предполагается исследование сигнала с постоянной составляющей, то выбираем «Переменный и постоянный». Этот режим называется «Открытым», так как на канал вертикального отклонения подаётся сигнал, содержащий в своём спектре постоянную составляющую или низкие частоты.

  При этом, стоит учитывать, что при отображении сигнала на экране он уйдёт вверх, так как к амплитуде переменной составляющей добавиться и уровень постоянной составляющей. В большинстве случаев лучше выбирать «закрытый» вход (~). При этом постоянная составляющая электрического сигнала будет отсечена и не отображается на экране.

Клемма «корпус» служит для заземления корпуса прибора. Это делается в целях безопасности. В условиях домашней мастерской порой нет возможности заземлить корпус прибора. Поэтому приходится работать без заземления. При этом важно помнить, что во включенном состоянии на корпусе осциллографа может быть потенциал напряжения. При касании корпуса может «дёрнуть». Особенно опасно дотрагиваться одной рукой до корпуса осциллографа, а другой рукой до батарей отопления или других работающих электроприборов. В таком случае опасный потенциал с корпуса пройдёт через ваше тело («рука» — «рука») и вы получите электрический удар! Поэтому при работе осциллографа без заземления желательно не дотрагиваться до

металлических частей корпуса. Это правило справедливо и для прочих электроприборов с металлическим корпусом.

• По центру лицевой панели переключатель «развёртка» — Время/дел. Именно этот переключатель управляет работой генератора развёртки.

• Чуть ниже располагается переключатель входного делителя (аттенюатора) — V/дел. Как уже говорилось, при исследовании сигнала с неизвестной амплитудой, необходимо выставить максимально возможное значение V/дел. Так для осциллографа С1-94 нужно установить переключатель в положение 5 (5V/дел.). В таком случае одна клетка на координатной сетке экрана будет равна 5-ти вольтам. Если ко входу «Y» осциллографа подключить делитель с коэффициентом деления 1 к 10 (1 : 10), то одна клетка будет равна 50-ти вольтам (5V/дел. * 10 = 50V/дел.).

Также на панели осциллографа имеются:

• Ручка «Перемещение луча по горизонтали».

  Она служит для корректировки положения луча в горизонтальном направлении. Если покрутить данную ручку, то изображение развёртки будет смешатся либо вправо, либо влево.

• Также есть и ручка «Перемещение луча по вертикали».

  С помощью её можно отрегулировать положение развёртки на экране по вертикали.

  Ручки «Перемещение луча по горизонтали» и «Перемещение луча по вертикали» служат исключительно для настройки комфортного отображения осциллограммы сигнала на экране. Они никак не влияют на настройку работы самого осциллографа.

• А вот ручка «Уровень синхронизации» необходима для того, чтобы «остановить» осциллограмму сигнала на экране.

  Поворотом этой ручки добиваются того, чтобы изображение сигнала «застыло», а не «убегало». Иногда, чтобы поймать изображение с помощью ручки «Уровень» приходится изменить время развёртки переключателем Время/дел.

• Входной разъём «Y» , к которому подключается измерительный щуп или внешний делитель выглядит так.

  Внизу указываются параметры входа, а именно входное сопротивление (1 MΩ) и входная ёмкость (40pF). Чем выше входное сопротивление измерительного прибора, тем лучше. Таким образом при измерении прибор не шунтирует элементы тестируемой схемы и не вносит искажений в измеряемый сигнал. Входная ёмкость прежде всего влияет на возможность исследования высокочастотных сигналов.

В настоящее время, с развитием цифровой техники, стали широко внедряться цифровые осциллографы. По сути это гибрид аналоговой и цифровой техники. Отношение к ним неоднозначное, как к мясорубке с процессором или к кофемолке с дисплеем.

Аналоговая аппаратура всегда была надежной и удобной в работе. Кроме того она легко ремонтировалась. Цифровой осциллограф стоит на порядок дороже и очень сложен в ремонте. Плюсов конечно много. Если аналоговый сигнал с помощью АЦП (аналогово-цифрового преобразователя) перевести в цифровую форму, то с ним можно делать всё что угодно. Его можно записать в память и в любой момент вывести на экран для сравнения с другим сигналом, складывать в фазе и противофазе с другими сигналами. Конечно, аналоговая техника это хорошо, но за цифровой электроникой будущее.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Осциллографы.Виды и особенности.Устройство и работа.Применение

Для любого профессионального настройщика электронных устройств или для инженера по радиоэлектронным устройствам основным рабочим устройством является осциллограф. Без него нельзя обойтись при настройке телевизора, передатчика. Осциллографы служат для контроля и наблюдения за периодическими сигналами различных форм, в том числе синусоидальной. Благодаря широкому интервалу развертки он дает возможность развернуть импульс даже для контроля наносекундных промежутков времени. Осциллограф подобен работе телевизора, который изображает электрические сигналы.

Устройство и принцип действия

Для лучшего понимания действия прибора, разберем блок-схему типового осциллографа, так как все их основные виды имеют аналогичное устройство.

На этой схеме не изображены блоки питания: низковольтный блок, подающий питание для работы узлов, и источник повышенного напряжения, применяющийся для генерирования высокого напряжения, приходящего на электронно-лучевую трубку. Также на схеме нет калибратора для настройки и подготовки прибора к работе.

Тестируемый сигнал поступает на канал вертикального отклонения «Y», далее на аттенюатор, выполненный в виде многопозиционного переключателя, настраивающего чувствительность осциллографа. Его шкала размечена в вольтах на сантиметр или в вольтах на одно деление. Это обозначает одно деление сетки координат на экране лучевой трубки. Там же изображены сами величины. Если амплитуда сигнала неизвестна, то устанавливается наименьшая чувствительность. В этом случае даже большой сигнал на 300 В не повредит прибору.

Обычно в комплекте с осциллографом есть делители, в виде специальных насадок с разъемами. Они работают так же, как аттенюатор. Эти насадки компенсируют емкость кабеля при работе с малыми импульсами. На фото показан делитель. Коэффициент деления равен 1:10.

С помощью делителя возможности прибора расширяются, можно исследовать сигналы в несколько сотен вольт. После делителя сигнал проходит на предварительный усилитель, раздваивается и приходит на переключатель синхронизации и линию задержки, которая служит для компенсации времени сработки генератора развертки. Оконечный усилитель создает напряжение, поступающее на «Y» -пластины, и отклоняет луч в вертикальной плоскости.

Генератор развертки создает пилообразное напряжение, поступающее на пластины «Х» и горизонтальный усилитель, при этом луч отклоняется в горизонтальной плоскости.

Устройство синхронизации создает условия для работы генератора развертки в одно время с появлением сигнала. В итоге на дисплей осциллографа выводится изображение импульса.

Переключатель синхронизации работает в положениях синхронизации от:

• Исследуемого сигнала.
• Сети.
• Внешнего источника.

Первое положение применяется чаще, так как оно более удобно.

Классификация

Осциллографы являются распространенным видом измерительных приборов. Существует несколько видов осциллографов, имеющих разные характеристики, устройство и работу.

Аналоговые осциллографы

Такие осциллографы являются классическими моделями этого типа измерительных приборов. Любые аналоговые осциллографы имеют делитель, вертикальный усилитель, синхронизацию и отклонение, блок питания и лучевую трубку.

Такие трубки имеют больший диапазон частоты. Отклонение луча на экране прямо зависит от напряжения пластин. Горизонтальная развертка работает по линейной зависимости от напряжения горизонтальных пластин.

Нижний предел частоты равен 10 герцам. Верхняя граница определяется емкостью пластин и усилителем. Сегодня аналоговые устройства вытесняются цифровыми приборами со своими достоинствами. Но аналоговые приборы пока не исчезают ввиду их малой стоимости.

Цифровые запоминающие

Если цифровые приборы сравнивать с аналоговыми, у них больше возможностей. Стоимость их постепенно снижается. Цифровой осциллограф включает в себя делитель, усилитель, преобразователь аналогового сигнала, памяти, блока управления и выведения на ЖК панель.

Принцип действия такого вида осциллографов придает им большие возможности. Входящий аналоговый сигнал модифицируется в цифровую форму, и сохраняется. Скорость сохранения определяется управляющим устройством. Ее верхняя граница задается скоростью преобразователя, а нижняя граница не имеет ограничений.

Преобразование сигнала в цифровой код дает возможность увеличить устойчивость отображения, сохранять данные в память, сделать растяжку и масштаб проще. Применение дисплея вместо электронной трубки позволяет отображать любые данные и осуществлять управление прибором. Дорогостоящие приборы оснащаются цветным экраном, что позволяет различать сигналы других каналов, курсоры, выделять цветом разные места.

Параметры цифровых осциллографов намного выше аналоговых моделей, в больших пределах находится растяжка сигнала. Кроме простых схем включения синхронизации, может использоваться синхронизация при некоторых событиях или параметрах сигнала. Синхронизацию можно увидеть непосредственно перед включением развертки.

Применяемые процессоры обработки сигнала дают возможность обработки спектра сигнала с помощью анализа преобразованием Фурье. Информация в цифровом виде позволяет записать в память экран с итогами измерения, а также распечатать на принтере. Многие приборы оснащены накопителями для записи изображения в архив и последующей обработки.

Цифровые люминофорные

Такой тип осциллографов работает на новой структуре построения, основанной на цифровом люминофоре. Он имитирует по подобию с аналоговыми приборами изменение изображения на экране. Люминофорные цифровые типы осциллографов дают возможность наблюдать на дисплее все подробности модулированных сигналов, как и аналоговые типы. При этом обеспечивается их анализ и хранение в памяти.

Люминофорные приборы, как и предыдущая рассмотренная модель, имеет свою память для хранения различной информации, в том числе хранится разница задержки времени между разными пробниками. Возможность люминофорных осциллографов выводить данные с изменяемой интенсивностью значительным образом упрощает поиск повреждений в импульсных блоках. Это выражено при вычислении глубины модуляции сигнала при регулировке напряжения на выходе, приводящее к нестабильному функционированию блоков.

В люминофорных цифровых осциллографах объединены достоинства цифровых и аналоговых устройств, а во многом превосходят их. Люминофорные приборы обладают всеми преимуществами запоминающих осциллографов, обеспечивая возможности аналоговых приборов: быструю реакцию на смену сигнала и его отображение с разной яркостью.

Цифровые стробоскопические

В этом виде осциллографов применяется эффект последовательного стробирования сигнала. При повторении сигнала выбирается мгновенное значение в определенной точке. При поступлении нового сигнала точка выбора смещается по сигналу. Так продолжается до полного стробирования сигнала. Модифицированный таким образом сигнал в виде огибающей линии мгновенных величин сигнала входа, повторяет форму сигнала.

Продолжительность модифицированного сигнала на много больше продолжительности тестируемого сигнала, а значит, имеется сжатие спектра. Это соответствует увеличению полосы пропускания. Стробоскопические виды осциллографов имеют большие полосы пропускания, и дают возможность производить исследования периодических сигналов с наименьшей продолжительностью. Стоимость стробоскопических осциллографов очень высока, поэтому их применяют чаще всего для сложных задач.

Виртуальные осциллографы

Новый вид приборов может быть отдельным устройством с параллельным портом для вывода или ввода информации, а также с портом USB, а также встроенным вспомогательным прибором на базе карт ISA. Программная оболочка виртуальных осциллографов позволяет полностью управлять устройством, и имеет несколько возможностей сервиса: импорт и экспорт информации, цифровая фильтрация, разнообразные измерения, обработка информации математическим способом и т.д.

Осциллографы с применением персонального компьютера могут применяться для широких возможностей измерения. Например, для обслуживания и разработки радиотехнической и электронной аппаратуры, в телекоммуникационной связи, при изготовлении компьютеризированного оборудования, при выполнении диагностических мероприятий средств автотранспорта на станциях технического обслуживания и для многих других случаев, где требуется оценка и тестирование неустойчивых переходных процессов.

Виртуальные модели осциллографов являются хорошим альтернативным вариантом для стандартных запоминающих цифровых осциллографов, так как они обладают достоинствами в виде малой стоимости, простоте применения, компактных размеров и высокого быстродействия. К недостаткам виртуальных осциллографов относится невозможность измерения и отображения постоянной величины сигналов.

Портативные осциллографы

Цифровые технологии быстро развиваются, в результате чего цифровые стационарные приборы модифицируют в портативные устройства с хорошими параметрами габаритных размеров и массы, а также низким расходом электрической энергии.

При этом портативные осциллографы с питанием от гальванических элементов не уступают по характеристикам стационарным приборам по количеству функций, имеют большие возможности использования в разных областях научных исследований, промышленном производстве.

Похожие темы:

Осциллограф. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Осциллограф представляет прибор, используемый для исследования временных и амплитудных параметров электрического сигнала, который подается на его вход, или непосредственно на экране, или записываемого на фотоленте. На сегодняшний день это один из самых распространенных типов контрольно-измерительных приборов, который наряду с мультиметрами позволяет производить производственные и научные исследования.

На сегодняшний день промышленность не стоит на месте. Создаются современные приборы, которые позволяют значительно сокращать время исследований и разработок. Они обладают значительным набором измерительных приложений, емкостным сенсорным дисплеем, глубокой памятью и высочайшей скоростью обновления сигналов на экране.

Виды

Всего имеется несколько типов приборов, которые различаются по характеристикам:

• Аналогово-цифровые.

• Цифровые запоминающие.

• Устройства смешанных сигналов.

• Виртуальные устройства.

По количеству лучей осциллограф может быть:

• Однолучевой.
• Двулучевой и так далее.

Число лучей может быть 16 и более (n-лучевой прибор имеет n сигнальных входов, в том числе может отображать на экране одновременно n графиков входных сигналов).

Приборы также классифицируются по принципу действия:

• Электронный: аналоговый и цифровой.
• Электромеханический: электродинамический, выпрямительный, электростатический, термоэлектрический, электромагнитный, магнитоэлектрический.

По развертке их можно поделить:

• Специальный.
• Запоминающий.
• Стробоскопический.
• Скоростной.
• Универсальный.

Имеются также приборы, которые совместимы с иными измерительными устройствами. Это может быть не только автономное устройство, но и приставка, к примеру, компьютер, карта расширения или вовсе подключение к внешнему порту.

Устройство

Конструкция аналоговых устройств базируется на применении систем аналоговой горизонтальной развертки и электронно-лучевых трубок. Одним из главных блоков данных приборов являются генераторы линейно меняющегося напряжения пилообразной формы.

Аналоговый осциллограф

 имеет:

• Отклонение луча на экране определяется напряжение пластин. Трубки выделяются большим диапазоном частоты. Горизонтальная развертка функционирует от напряжения горизонтальных пластин по линейной зависимости. Верхняя граница частоты определяется усилителем и емкостью пластин. Нижний предел соответствует 10 герцам.
• Для визуализации характеристик и формы в аналогово-цифровых приборах исследуемого сигнала используются системы аналоговой горизонтальной развертки, электронно-лучевые трубки, в том числе генераторы линейно изменяющегося напряжения. К тому же в конструкции приборов имеются встроенные запоминающие модули, которые используются для хранения изображения.
• Запоминающие цифровые приборы применяют высокоскоростную оцифровку аналоговых сигналов, обеспечивают их хранение и выводят на жидкокристаллический индикатор, который применяется вместо электронно-лучевой трубки. Цифровой осциллограф имеет преобразователь аналогового сигнала, усилитель, делитель, блок управления, память и блок выведения на ЖК панель.
• Устройства смешанных сигналов быстро оцифровывают аналоговые сигналы, в том числе имеют функцию ввода цифровых последовательностей. Вся необходимая информация сохраняется в запоминающий модуль и выводится на жидкокристаллический монитор при необходимости.

Принцип действия

Аналоговые устройства для создания изображения на экране применяют электронно-лучевую трубку. В ней напряжение, которое подается на оси X и Y, заставляет точку передвигаться по экрану. На горизонтали можно наблюдать зависимость от времени, тогда как по вертикали идет отображение пропорциональное входному сигналу. В целом же сигнал усиливается и направляется на электроды, которые отклоняют по оси Y электронно-лучевой трубки с применением аналоговой технологии.

Цифровой

 осциллограф работает несколько по-другому:

• Выполняется модификация входящего аналогового сигнала в цифровую форму.
• Затем происходит его сохранение. Скорость сохранения зависит от управляющего устройства. Верхняя граница определяется скоростью преобразователя, при этом у нижней границы нет ограничений.
• Преобразование сигнала в цифровой код позволяет повысить устойчивость отображения, сделать масштаб и растяжку проще, сохранить данные в память.
• Использование дисплея вместо электронной трубки дает возможность отображать любые данные, в том числе выполнять управление прибором. У дорогостоящих приборов установлены цветные экраны, благодаря чему они дают возможность выделять цветом различные места, различать курсоры и сигналы иных каналов.
• Синхронизацию можно наблюдать прямо перед включением развертки. Используемые процессоры обработки сигнала позволяют обрабатывать сигнал при помощи анализа преобразованием Фурье.
• Информация в цифровом виде дает возможность записать экран с итогами измерения в память, в том числе распечатать на принтере. Большинство приборов имеют накопители, чтобы можно было записать изображения в архив и в дальнейшем произвести их обработку.

Применение

Осциллограф

 представляет измерительный прибор, при помощи него можно:

• Определить значения напряжения сигнала (амплитуду) и временные параметры.
• Измерив временные характеристики сигнала, удастся определить его частоту.
• Наблюдать сдвиг фаз, происходящий при прохождении разных участков цепи.
• Выяснить переменную (AC) и постоянную (DC), которые составляют сигнал.
• Наблюдать искажение сигнала, который вносит определенный участок цепи.
• Выяснить соотношение сигнал/шум, определить стационарность шума или его изменение по времени.
• Понять процессы, которые происходят в электрической цепи.
• Выяснить частоту колебаний и так далее.

Эти устройства преимущественно применяются в электронике и радиотехнике. Особенно важным элементом прибор используется в электромеханических сферах производства. Данное устройство выступает в качестве фиксирующего прибора, который наглядно отображает все колебания электрического тока, происходящие в определенном электрическом механизме. С помощью прибора можно найти помехи, а также искажения прохождения электрического импульса в самых разных узлах схемы.

Применение в диагностике и ремонте автомобилей

Применяются эти приборы и в других областях. Так они часто используются для определения неисправностей в системе исполнительных механизмов и иной диагностике. При помощи них даже можно диагностировать механические неисправности двигателя.

К примеру, осциллограф способен:

• Выявить неисправный катализатор.
• Определить соответствие установки задающего шкива коленвала по отношению к датчику положения коленчатого вала.
• Выявить сильный подсос воздуха.
• Наблюдать сигналы с датчиков системы, отслеживать их изменение.
• Считывать коды неисправностей, сохраненные системой.
• Указать идентификационные данные системы, ЭБУ.
• Выполнить проверку работу исполнительных механизмов и так далее.

Естественно, что такой прибор должен иметь логический анализатор, специальное программное обеспечение и уметь выполнять дешифровку протоколов.

Как выбрать осциллограф

На рынке представлено множество самых разных моделей. Поэтому перед покупкой следует определиться:

• Следует узнать, где будет применяться прибор?
• Какова амплитуда измеряемых сигналов?
• Сигналы в скольких точках схемы будет нужно измерять одновременно?
• Необходимость измерения одиночных и периодических сигналов?
• Необходимость сигналов в частотной области, функции быстрого преобразования Фурье и так далее?

При выборе следует обратить внимание на следующие параметры:

• Количество каналов. Они будут влиять на число отображаемых независимых сигналов на дисплее. Их одновременное наличие позволит наблюдать за несколькими графиками, проводить их сравнение и анализировать. Для работы с простой техникой хватит 2-4 каналов. Наиболее продвинутыми являются приборы с функцией логического анализатора и 16 каналами.
• Частота дискретизации будет влиять на число выборок сигнала в секунду, то есть на качество разрешения изображения на экране. Большее количество точек сигнала позволит построить более точное изображение. Данный параметр важен при измерении переходных и однократных процессов.
• Тип питания. При работе с прибором на выезде или вдали от сети лучше покупать модель с аккумулятором. В остальных случаях лучше покупать измерительные приборы, работающие от сети.
• Полоса пропускания. Следует учесть, что полоса пропускания должна в 3-5 раз быть выше значения частот исследуемых сигналов. Для простых усилителей звуковой частоты и цифровых схем достаточно параметра в 25 МГц. Для профессиональных исследований и радиочастотных схем будет нужно устройство с полосой пропускания порядка 100-200 МГц.

Почему не стоит использовать советские приборы

Сегодня вполне можно купить устройства, выпущенные 30-40 лет назад. Однако такой осциллограф лучше не использовать, ведь:

• Для калибровки необходимо использовать подстроечники, которых полно и сверху и сбоку. Обеспечить точную настройку будет затруднительно.
• Высохшие электролиты.
• Вес.
• Габариты и так далее.

Похожие темы:

Что такое осциллограф и как им пользоваться

Начинающим подробно о осциллографе, о том что это за измерительный прибор, как он работает и как используется в радиоэлектронике.

Как работает осциллограф

Осциллограф, в прямом смысле слова, является глазами радиолюбителя. Он позволяет не только оценить какие-то основные физические характеристики сигнала (напряжение, частота, сила тока), но и буквально увидеть график функции исследуемого сигнала, увидеть какие-то отклонения сигнала от нормы, искажения его формы, наличие помех и паразитных импульсов или сигналов.

Экран осциллографа представляет собой координатную плоскость с осями X и Y, а поступающие на его вход сигналы отображаются на этой плоскости как алгебраические функции.

В настоящее время существует множество типов осциллографов, как обычных аналоговых, отображающих сигналы на экране электронно-лучевой трубки, так и цифровые и компьютерные.

Как бы не был устроен осциллограф, и каким бы способом, электронным аналоговым или цифровым, программным не происходило построение функции, всегда одно и тоже, — на экране отображается зависимость сигнала Y от сигнала X, или от сигнала Y от шкалы времени, выложенной на ось X.

Рис. 1. Схематическое изображение электронно-лучевой трубки.

В основе обычного осциллографа лежит электронно-лучевая трубка, — вакуумный прибор, состоящий из экрана, покрытого слоем люминофора и электронной пушки, создающей электронный луч, направленный на этот экран. В месте попадания луча на экран люминофор светится, и мы видим светящуюся точку. Еще есть пластины горизонтального и вертикального отклонения. Ма рисунке 1 изображена схематически электронно-лучевая трубка, направленная экраном на вас, уважаемый читатель.

Рис. 2. Как отклоняется луч, если подать напряжение на пластины Y.

Круг -это корпус трубки, прямоугольник — экран, покрытый люминофором, а четыре черточки, обозначенные Х1, Х2, Y1, Y2 — это пластины горизонтального (X) и вертикального отклонения (Y). Точка в центре — «отпечаток» электронного луча на люминофоре.

Как уже было сказано, пушка электроннолучевой трубки создает поток электронов (электронный луч), который направлен в сторону экрана. Когда на этот луч не воздействуют никакие электрические или магнитные поля он летит себе в центр экрана.

Отколоняющие платины расположены с четырех сторон от луча, и если на них подать какое-то напряжение луч отклонится в сторону пластины под положительным потенциалом. Величина этого отклонения будет пропорциональна величине этого потенциала.

Рис. 3. Как отклоняется луч, если подать напряжение на пластины Х.

На рисунке 2 показано как отклоняется луч, если подать напряжение на пластины Y, причем, на Y2 — отрицательный полюс, а на Y1 — положительный. Если сменить полярность, — отклонение будет в другую сторону от среднего положения. Аналогичным образом отклоняется луч и при подаче напряжения на пластины X (рис. 3). А вот на рис. 4 показано что будет, если под напряжением будут и горизонтальные (X) и вертикальные (Y) пластины.

Так, изменяя напряжение на пластинах вертикального и горизонтального отклонения можно «гонять» луч как угодно по экрану, и вырисовывать им любые фигуры. При быстром перемещении луча, благодаря известному свойству человеческого зрения, и послесвечению люминофора электроннолучевой трубки, точка превратится в линию, и на экране появится геометрическая фигура.

Рис. 4. Что будет если под напряжением горизонтальные (X) и вертикальные (Y) пластины.

Теперь понятно, что изменяя напряжение между пластинами X можно перемещать луч по горизонтали, а изменяя напряжение между пластинами Y -по вертикали.

Для подачи сигналов на каналы вертикального и горизонтального отклонения у осциллографа есть входы «У» и «X». Но, обычно, необходимо видеть не зависимость одного сигнала от другого, а зависимость сигнала, поданного на вход «У» от шкалы времени, выложенного на ось X.

Чтобы это было возможно в осциллографе есть генератор горизонтальной развертки, который вырабатывает напряжение, изменяющееся по «пилообразному» закону (рис. 5). Это напряжение подается на пластины горизонтального отклонения (X).

Рис. 5. Напряжение, изменяющееся по пилообразному закону.

Пилообразное напряжение плавно и равномерно возрастает, перемещая луч по горизонтали от одного края экрана до другого, а затем резко возвращает луч обратно. При обратном перемещении специальная схема гасит луч. В результате, на экране луч постоянно перемещается слева — направо, а быстрота перемещения луча зависит от степени «наклона» пилообразного напряжения (то есть, от его частоты).

При частоте развертки более 20 Гц мы уже видим на экране не перемещающийся луч, а горизонтальную линию (рис. 6). Причем положение этой линии по вертикали зависит от напряжения, поданного на вход У (на вертикальные пластины).

Например, если масштаб оси У установить 1V на деление (на экране осциллографа обычно нанесена масштабная сетка), то при подаче на вход У постоянного напряжения величиной, например, +2V, линия переместится вверх на два деления (рис. 7).

Рис. 6. Горизонтальная линия на экране осциллографа.

Рис. 7. Горизонтальная линия на экране осциллографа смещенная вверх.

Рис. 8. График функции напряжения от времени на экране осциллографа — синусоида.

Рис. 9. График функции напряжения от времени на экране осциллографа — прямоугольные импульсы.

Если на вход У подать переменное напряжение или импульсы, горизонтальная линия изогнется, нарисовав на экране график функции этого напряжения от времени (рис.8 и рис.9.). По масштабной сетке по вертикали можно определить амплитуду сигнала, а по горизонтальной — его период.

Промышленный осциллограф

А сейчас перейдем к изучению конкретного прибора, — осциллографа С1-65. Это довольно старый и громоздкий прибор, в недавнем прошлом модель С1-65 (и С1-65А), можно сказать, была «хитом» радиоэлектронной промышленности. Ими оснащались практически все советские предприятия, производящие электронную технику военного и гражданского назначения.

Затем, после модернизации или закрытия, перепрофилирования, переоборудования предприятий, а так же, по истечении установленного срока эксплуатации, осциллографы С1-65 списывались и попадали к радиолюбителям или на радиорынки самым разными путями. Как бы там ни было, но С1-65 стал одним из самых распространенных осциллографов, доступных радиолюбителям. Следующим, в «списке популярности», был сервисный осциллограф С1-94, а далее «игрушки» -ОМ Л-2 и Н-313.

Обладателем какого бы осциллографа вы не являлись, все сказанное далее в отношении С1-65 будет в значительной степени справедливо и для вашего прибора.

На рисунке в тексте приводится схематическое изображение фронтальной панели С1-65. Панель осциллографа — светло-серого цвета зонирована по функциям синими тонкими линиями (на рисунке эти линии черные).

Для регулировки параметров луча есть ручки регулировки яркости и фокуса. Регулятором яркости регулируется не яркость всего экрана (как в телевизоре), а яркость только луча, или линии которую он выресовывает. Луч зеленого цвета. Регулятором фокуса добиваются чтобы линия (или точка) была наиболее тонкой.

Регулятор подсветки управляет яркостью лампочки, которая подсвечивает координатную сетку, расположенную перед экраном. Питание включается тумблером в нижнем правом углу.

Включив осциллограф первый раз вы можете не обнаружить на экране луча. Это может быть из-за того, что луч находится в зоне за пределами экрана или включен ждущий режим.

Чтобы выключить ждущий режим переключатель ждущего режима должен быть в крайне верхнем положении. «Поймать» луч и установить в центр экрана можно регулятором баланса (в других осциллографах он может быть обозначен как регулятор сдвига по вертикали) и регуляторами сдвига по горизонтали. Для регулировки луча по горизонтали есть две ручки — «грубо» (верхняя) и «точно» (нижняя). Этими ручками можно сдвигать влево или вправо путь, по которому движется луч.

Скорость, с которой движется луч по экрану зависит от положения ручки регулировки развертки («время/деление»). Ручка сделана в виде пирамидки из двух ручек, — большой, изменяющей период развертки скачкообразно, и маленькой для плавной регулировки.

Если вы обе эти ручки повернете налево в крайние положения период развертки будет минимальным и на экране будет видна перемещающаяся слева направо точка (но это при условии, что переключатель развертки, распложенный над эими ручками переключен в крайне левое положение). Поворачивая эти ручки направо уменьшаем период развертки и скорость движения луча увеличивается. На отметке «5mS» (5 миллисекунд) точка превращается в линию.

Регулируя развертку нужно учесть, что значения, подписанные на шкале вокруг ручки скачкообразной регулировки развертки верны только тогда, когда ручка плавной регулировки находится в крайне правом положении.

Уменьшить период развертки в десять раз можно переключив переключатель, расположенный над ручками регулировки развертки, в среднее положение. А если его переключить в правое положение, перемещением луча по горизонтали будет управлять не блок развертки осциллографа, а внешний сигнал, поданный на вход X.

Обычно требуется видеть функцию зависимости напряжения от времени. В этом случае развертка должна быть включена, а входной сигнал подают на вход Y, который может иметь три состояния, переключаемых переключателем входа Y.

В его крайне левом положении переключателя входа Y, вход непосредственно соединен с разъемом «вход Y». Так осциллограф будет показывать как постоянную, так и переменную составляющую исследуемого сигнала. В среднем положении вход Y выключен, а в крайне правом — он подключен через конденсатор, поэтому постоянную составляющую прибор, в этом положении переключателя, не показывает.

Рис. 1. Схематическое изображение фронтальной панели осциллографа С1-65.

Усиление усилителя вертикального отклонения регулируют двумя ручками, -переключателем V/деление и регулятором чувствительности Y, которые расположены одна на другой «пирамидкой». Например, если мы установим переключатель в положение «1V/дел.», а ручку регулировки повернем в крайне правое положение, то при подаче на вход Y напряжения 1V луч переместится вверх на одно деление.

Теперь, когда все работает, давайте попробуем посмотреть наводки в вашем теле. Установите переключатель «время/деление» на «5 mS», переключатель «V/деление» — на «2V». Подключите к входу Y щуп (или просто всуньте в разъем кусок проволоки) и прикоснитесь к нему пальцами.

На экране появится синусоида, возможно искаженная (её форма зависит от того, какие наводки есть в вашем теле). Если синусоида будет смещаться по горизонтали или будет иметь вид нескольких хаотически движущихся синусоид, нужно повернуть ручку «уровень» так, чтобы изображение стабилизировалось.

По клеткам на экране, зная сколько вольт на деление приходится по вертикали, и сколько миллисекунд на деление приходится по горизонтали, можно примерно вычислить амплитуду и период сигнала, частоту.

В правой части фронтальной панели, вверху, расположены органы управления синхронизацией. Синхронизация может быть внутренней (то есть, от входного сигнала, поданного на вход Y), от электросети или от внешнего источника, поступающего на вход X. Выбор — переключателем вида синхронизации.

В нашем случае, переключатель в верхнем положении (внутренняя). Ниже расположен калибратор, он представляет собой источник импульсов частотой 1 кГц или постоянного напряжения строго заданного уровня. Хотите увидеть как выглядят прямоугольные импульсы, — включите щуп, подключенный к входу Y в гнездо калибратора (переключатель калибратора должен быть в положении «1кГц»).

Переключите «время/деления» развертки так, чтобы были видны отдельные импульсы (например, в положение 0,2mS). Затем, поворотом ручки «уровень» добейтесь неподвижности изображения. Если нужно, измените масштаб по вертикали (V/деление).

Амплитуду импульсов калибратора можно регулировать от 20mV до 50V переключателем калибратора.

Продолжение:

1. Осциллограф для начинающих, эксперименты с усилительным каскадом
2. Практические упражнения по работе с осциллографом (RC-цепочки)
3. Как работать с осциллографом, проверяем усилитель низкой частоты

Литература: 1. РК-07-2003, РК-08-2007.

Принцип действия цифрового осциллографа — Осциллографы

Цифровой осциллограф — это конструктивное объединение аналогового осциллографа и электронно-вычислительной машины. С его помощью можно не только отображать характеристику напряжения в реальном времени, но и выполнять различные математические операции: складывать и вычитать сигналы в разных каналах, растягивать во времени фрагменты записанного в память сигнала, определять частотный спектр сигнала путём применения быстрого преобразования Фурье и прочее.

Входной сигнал u(t) проходит через масштабирующее устройство (усилитель и делитель напряжения) и попадает в аналогово-цифровой преобразователь. Задача этого звена – это заменить полученную зависимость дискретной последовательностью кодовых слов Ni (мгновенных значений ui этого напряжения). Полученное кодовое слово записывается оперативным запоминающим устройством, 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. После этого, содержимое некоторого количества ячеек ОЗУ переписывается в запоминающее устройство, где каждой ячейке соответствует точка на экране, отличающаяся от фона. Координата Х определяется номером ячейки, а координата Y кодовым словом Ni, которое находится в этой ячейке.

В отличие от аналоговых осциллографов, цифровые осциллографы, позволяют запоминать в оперативном запоминающем устройстве много кодовых слов, а потом «вытягивать» их порциями, соответствующими ширине экрана.

Также ещё одно принципиальное отличие от аналоговых осциллографов состоит в том, что на цифровом осциллографе можно видеть предысторию сигнала, до появления импульса запуска, это называют «предварительным запуском». Кодовые слова переписываются из оперативного запоминающего устройство в запоминающее устройство так, что в момент появления импульса запуска первой ячейкой запоминающего устройства будет та, что даёт точку на вертикальной линии, проходящей через центр экрана, последующие точки располагаются направо от неё, предыдущие – налево. Положение первой ячейки можно смещать влево или вправо от центра и тем самым соответственно уменьшать или увеличивать видимый интервал предыстории.

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.

Благодаря выше изложенным преимуществам цифровые осциллографы заняли прочные позиции в производстве контрольно – измерительных приборов и почти вытеснили из рынка аналоговые осциллографы. По данным компании Frost & Sullivan, доля продаж цифровых осциллографов на мировом рынке в 2007 году составляла 87,4%, в то время как для аналоговых приборов названа цифра 2,8%. На сегодняшний день в мире существует немало фирм, которые занимаются разработкой цифровых осциллографов достаточно давно и предлагают хорошую, сертифицированную, многофункциональную продукцию. Но с потребительской точки зрения весомым недостатком этих проборов является достаточно высокая их стоимость. В этом ракурсе вопроса потенциальные покупатели обращают внимание на, возможно, менее известные бренды, которые, тем не менее, могут предложить хорошее качество. Например, не так давно на мировой рынок вышла китайская компания по производству контрольно-измерительных приборов RIGOL. Именно эта компания, благодаря размещению в мировой зоне с низкими затратами на производство и хорошим идеям по поводу решения конструкторских задач, предлагает потребителям бюджетные цифровые осциллографы с отличным соотношением цена-качество.

Например, бюджетная серия RIGOL DS1000 цифровых запоминающих осциллографов предоставляет исключительные возможности для наблюдения и измерений параметров формы сигнала. Приборы серии компактны и легки. Осциллографы этой серии идеально подходят для: испытаний продукции, исследований и разработки, любых проверок и выявления неисправностей в аналоговых/цифровых схемах, а также для процесса обучения и практики.

Основы осциллографов. Принципы работы и методики измерений

Введение

 

Любое движение в природе происходит в форме синусоидальных волн, будь то океанские волны, землетрясение, ударная волна, взрыв, звук через воздух или же естественная частота тела в процессе перемещения. Энергия, вибрирующие частицы и иные невидимые глазу силы пропитывают нашу физическую вселенную. Даже белый свет, состоящий из частиц и волн, обладает фундаментальными частотами, который могут быть различимы как цвета.

 

Сенсоры способны конвертировать эти явления в электрические сигналы, которые можно рассматривать и исследовать при помощи осциллографа.  Осциллографы предоставляют возможность учёным, инженерам, техникам, учителям и иным специалистам «увидеть» события, изменяющиеся во времени. 

 

Осциллографы – чрезвычайно важный инструмент для специалиста, занимающегося разработками, производством или ремонтом электронного оборудования. В современном бурно развивающемся мире инженерам требуются самые эффективные приборы для решения задач измерений быстро и с высокой точностью. Выполняя роль «всевидящего ока» инженера, осциллографы являются ключом в решении сложных задач получения достоверных данных от объекта под тестированием.  

 

Полезность осциллографа не ограничена одним лишь миром электроники. При наличии надлежащего сенсора осциллограф способен измерять характеристики любого природного и физического явления. Сенсор (чувствительный элемент) представляет собой устройство, генерирующее электрический сигнал как реакция на физические факторы, как то: звук, механическое воздействие, давление, свет или тепло.  Микрофон является таким сенсором, конвертирующим звук в электрический сигнал. На рис. 1 показан пример как посредством осциллографа происходит сбор научных данных. 

 

Осциллографы применяются всеми, от физиков до техников-ремонтников. Автомеханики задействуют осциллографы для выявления соотношения аналоговых данных от сенсоров с цифровыми данными последовательной передачи от устройства управления двигателем. Врачи-диагностики используют осциллографы для измерения волн головного мозга человека. Возможности прибора безграничны.

 

В настоящем Курсе для начинающих даются общие понятия, освоение которых формирует отличную стартовую площадку в понимании инженером-новичком что такое осциллограф и как он работает.

 

 

 

Рис.1 Пример научных данных, собранных осциллографом

 

Глоссарий, расположенный в конце Курса, содержит толкования незнакомых терминов. Словарь и многоуровневые письменные упражнения по теории осциллографов и задачам его управления превращают настоящий Курс в очень эффективный учебник для самостоятельного пользования. При этом для понимания всего изложенного нет необходимости в каких-то специальных знаниях в области математики или электроники. 

 

После изучения настоящего Курса вы будете способны:

• Представлять себе как функционирует осциллограф

• Понимать разницу между различными типами осциллографов

• Понимать разницу между различными типами электрических форм сигналов

• Управлять основными органами контроля осциллографом

• Самостоятельно осуществлять простые измерения

Инструкция по эксплуатации, поставляемая с каждым осциллографом, предоставит вам больше специфической информации о том, как применять этот прибор в своей повседневной деятельности. Некоторые производители осциллографов также предоставляют описания решений для множества прикладных задач, что поможет вам оптимизировать свой осциллограф под конкретные приложения. 

 

Целостность Сигнала

 

Значимость целостности сигнала 

 

Ключевым фактором для любого хорошего осциллографа или осциллографической системы является их способность в точности воспроизводить форму сигнала, что собственно и обозначает термин «целостность сигнала». Любой осциллограф аналогичен по своим функциям фотографической камере, которая захватывает образы сигналов, которые впоследствии можно рассматривать и изучать. Три ключевых фактора лежат в основе термина «целостность сигнала»:

 

• Когда вы фотографируете картинку, то соответствует ли эта картинка в точности тому, что произошло?

• Картинка имеет ясное изображение или размытое?

• Какое количество ясных и точных картинок вы можете сделать за секунду?

Все вместе различные системы осциллографа, его функции и работоспособность вносят кумулятивный вклад в способность прибора формировать наивысшую из возможной целостность измеряемого сигнала. Пробники также воздействуют на уровень целостности сигнала, генерируемого всей системой измерений. 

 

Целостность сигнала влияет на большинство научных дисциплин, связанных с электронными разработками. Но до недавнего времени это не составляло большой проблемы для разработчиков цифровых систем. Разработчики при проектировании логических цепей могли полагаться на то, что они и будут функционировать как логические схемы. Различного рода шумы и паразитные сигналы считались чем-то таким, что больше присуще для схем с высокоскоростной передачей данных – то есть явлений, которые должны больше волновать разработчиков РЧ устройств. Коммутации в цифровых системах происходили относительно медленно, а сами сигналы предсказуемо стабилизировались. 

 

С тех времён тактовая частота процессоров увеличилась на порядки. Компьютерные приложения, как-то графика 3D, видео и серверные вводы-выводы требуют наличия широких полос пропускания. Практически всё современное телекоммуникационное оборудование цифровое, соответственно также требует наличия массивных полос пропускания. Это же напрямую относится к цифровому ТВ высокого разрешения. Все современные семейства микропроцессорных устройств имеют скорости передачи данных 2, 3, 5 GS/s (гига самплов в сек), в то время как устройства памяти DDR3 задействуют тактовую частоту свыше 2 GHz и сигналы с 35 ps временем нарастания фронта импульса.

 

Лавинообразное нарастание скоростей присутствует во всех IC устройствах на автомобилях, бытовой электроники, контроллерах и пр. цифровых устройствах. 
 

Процессор с тактовой частотой в 20 MHz может вполне работать с сигналами со скоростью переключения, присущим процессорам с 800 MHz тактовой частоты. Разработчики цифровых устройств давно перешагнули ранее установленные пороги производительности, что означает, что практически каждая схема высокоскоростная. 

 

Без принятия определённых мер предосторожности, проблемы, присущие высокоскоростным цепям, так или иначе могут просочиться в обычные цифровые схемы. Если цепь периодически испытывает сбои в своей работе или сталкивается с неполадками при экстремальных значениях напряжения и температуры, то велика вероятность того, что там присутствуют проблемы, связанные с согласованностью сигналов. Всё это может привести к задержкам вывода на рынок новой продукции, проблемам с её надёжностью, требованиям к электромагнитной совместимости и т.д. Такого рода «высокоскоростные» проблемы могут воздействовать на целостность потока последовательной передачи данных в цифровой системе, что потребует принятия определённых мер для корреляции специфических шаблонов данных при возможности изучения характеристик высокоскоростных сигналов. 

 

Почему целостность сигнала представляет собой проблему?

 

Давайте рассмотрим некоторые специфические причины деградации сигнала в современных цифровых схемах. Почему эти проблемы сегодня значительно превалируют, чем это было ранее? 

 

Ответ: скорость. В «добрые старые медленные времена» поддержка допустимой целостности цифровых сигналов означала необходимость обращения внимания на такие детали как распределение значений синхросигналов, схема тракта сигнала, вносимые шумы, воздействие нагрузок, воздействие х-к тракта передачи, х-к клемм шины передачи данных, распределение развязок и мощностей и т.д. Все эти правила актуальны, но…

 

Время цикла каналов передачи информации в настоящее время в 1000 раз выше, чем это было, скажем, 20 лет назад. Микросекундные транзакции стали наносекундными. Это привело к тому, что граничные скорости тоже увеличились: они в 100 раз быстрее, чем 20 лет назад. 

 

Всё это замечательно, однако, определённые физические реалии удерживают технологии пр-ва печатных плат от того, чтобы соответствовать существующим скоростям. Время прохождения сигнала по каналам чипов осталось почти неизменным за десятилетия. Геометрические размеры печатных плат, конечно же, скукожились, но остаётся необходимость в наличии на платах физических площадей для уст-в интегральных микросхем (IC), коннекторов, пассивных компонентов и, конечно же, самих трактов передачи данных. Эти физические площади предполагают существование расстояний, а расстояние означает время – враг скорости.
 

Очень важно не забывать, что граничная скорость-время нарастания цифрового сигнала может нести значительно более высокие частотные составляющие, чем это предполагает его частота повторения. По этим причинам некоторые разработчики отчаянно нуждаются в таких устройствах IC (интегр. микросхемы), которые имели бы относительно низкие характеристики времени переключения цифровых сигналов. 

 

Схемы с сосредоточенными параметрами всегда являлись базисом для большинства расчётов, делавшихся для предсказания поведения того или иного сигнала при его прохождении по цепи. Но когда граничные скорости более чем в 4-6 раз выше задержки сигнала при его прохождении по тракту, то такие схемы более не работают.  

 

Траки печатных плат 6 дюймов длиной становятся линиями передачи, когда управляются с сигналами, демонстрирующими граничные скорости ниже 4-6 наносекунд, вне зависимости от скорости цикла. В результате создаются новые сигнальные траки. Такого рода «нематериальные» соединения не присутствуют на схеме, но темнее менее, обеспечивают среду, где сигналы непредсказуемо влияют друг на друга.

 

Порой даже естественные погрешности как результат комбинации пробник/прибор могут оказать значительное влияние на характеристики измеряемого сигнала. Однако, применяя формулу «квадратный корень суммы квадратов» к измеряемому значению, становится возможным определить, находится ли устройство под тестированием близко к состоянию сбоя как результат несоответствия характеристик времени нарастания и падения фронта импульса. Следует добавить, что современные осциллографы задействуют специальную фильтрацию для де-встраивания воздействия измерительного прибора на сигнал, отображая на экране его временные и иные х-ки.  
 
В то же самое время выделенные траки сигналов не работают таким образом, как они для того предназначались. Заземляющие слои и энергетические слои как то траки передачи сигналов становятся индуктивными и работают как трансмиссионные каналы; развязка питания гораздо менее эффективна. Электромагнитные помехи (EMI) увеличиваются, поскольку высокие пороговые скорости продуцируют более короткие длины волн относительно длины канала передачи импульсов. Перекрёстные помехи увеличиваются.   

 

Следует добавить, что высокие пороговые скорости требуют более высоких значений токов для их же (скоростей) генерации. Более высокие токи имеют тенденцию вызывать скачки общего потенциала схемы, что особенно характерно на широких каналах передачи, где происходит множество одновременных коммутаций сигналов. Более того, высокие токи повышают количество излучаемой магнитной энергии, а вместе с этим и перекрёстные помехи. 

 

Аналоговые источники цифровых сигналов. Обзор. 

 

Что же в целом имеют все эти характеристики? Все они – классический аналоговый феномен. Для решения проблем целостности сигнала, разработчикам цифровых устройств необходимо шагнуть в их аналоговый домен. А чтобы сделать такой шаг, этим самым разработчикам необходим инструментарий, показывающий как взаимодействуют между собой цифровые и аналоговые составляющие сигнала.

 

Погрешности на «цифровом поле» обычно имеют своё происхождение из проблем целостности на аналоговой составляющей сигнала. Для точного отслеживания неполадок «цифры», часто необходимо обратиться к осциллографу, который представит на экране все детали формы сигнала, его края и шумы, выявит и покажет переходные характеристики, поможет точно измерить соотношения синхронизации, как то время установки и время удержания. Современные осциллографы способны помочь в упрощении процедур отладки тестируемого объекта через выставление режима на захват специфических явлений при параллельной или последовательной передаче данных и отображении аналогового сигнала, соответствующего по времени конкретному событию. 

 

Понимание каждой функции в составе своего осциллографа и как их правильно применять гарантирует максимально эффективное использование прибора при решении специфических задач измерений.  
 

Осциллограф

 

Что такое осциллограф и как он работает? Данный раздел отвечает на эти основополагающие вопросы.

 

По большому счёту осциллограф – устройство, в графическом виде отображающее результаты измерений – прибор рисует графы электрических сигналов. В большинстве применений графы демонстрируют как сигналы изменяются во времени: вертикальная ось (Y) представляет собой напряжение, горизонтальная ось (X) представляет время. Интенсивность или яркость экранного отображения иногда соотносится с осью Z, как это показано на рис. 2.

 

 

В осциллографах DPO (цифровых люминесцентных) ось Z может соотноситься с цветоразностной х-кой дисплея, как это представлено на рис. 3.

 

• Эта простейшая графика может многое рассказать о сигнале, как то:

• Значения времени и напряжения сигнала

• Частота колебательного сигнала

• Перемещающиеся участки” цепи, представленной сигналом

• Частота, с которой определённый участок сигнала проявляется относительно других его участков

• Происходит ли искажение сигнала как результат воздействия на него неисправного компонента 

• Какую часть сигнала составляет постоянный ток (DC) или переменный ток (AC)

• Какую часть сигнала составляет шум и изменяется ли этот шум во времени

 

Понятия о формах волны и их измерениях

 

Обобщающий термин характеристики (явления), которое повторяется во времени – это волна: звуковые волны, мозговые волны, океанские волны и волны напряжения – все они имеют повторяющиеся характеристики.

 

Осциллограф измеряет волны напряжения. Как ранее уже упоминалось, такие физические явления как вибрации или температура или электрические явления как то: ток или мощность могут быть конвертированы в показатели напряжения с помощью сенсора. Один цикл волны является частью повторяющейся волны. Форма волны является графическим представлением волны как явления. Сигнал напряжения представлен по оси времени (горизонтальная) и по оси со значениями напряжения (вертикальная). 
 

 

Формы сигналов раскрывают множество подробностей об их природе. Каждый раз, когда происходит изменение в высоте формы сигнала, это значит, что х-ка напряжения изменилась. Каждый раз, когда присутствует прямая горизонтальная линия, то понятно, что на протяжении всей длины этой линии никаких изменений х-к сигнала не происходило. Прямые, диагональные линии означают наличие линейных изменений – нарастание либо падение напряжения с устойчивой скоростью. Острые углы на форме сигнала указывают на внезапные изменения. На рис. 4 представлены существующие формы сигналов, а на рис. 5 ссылки на источники таких сигналов.
 
Типы волн

 

Можно классифицировать большинство волн по следующим типам:

• Синусоиды

• Квадратичные и прямоугольные волны

• Пилообразные и треугольные волны

• Пошаговые и пульсирующие волны

• Периодические и непериодические 

• Синхронные и асинхронные 
• Комплексные волны.

 

Продолжение следует…

 

 

По материалам компании Gtest (ООО «Контентус»)

что это, какие бывают, что измеряют, как пользоваться

Чтобы отремонтировать современную электронную технику одного мультиметра порой недостаточно. Им можно определить целостность радиодеталей. Но определить работает или нет микросхема мультиметром не получится. Для этого нужен осциллограф. Что это за прибор, что он делает? Об этом и будет статья.

Содержание статьи

Что такое осциллограф

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

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

Так выглядит цифровой осциллограф Tektronix DPO 3054. На дисплее отображает сигнал, регуляторами выбираются параметры

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

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

Для чего он нужен

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

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

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

Виды осциллографов

По принципу преобразования сигнала осциллографы бывают аналоговыми и цифровыми. Есть еще смешанный тип — аналогово-цифровой. Принципиальная разница между ними — в методах обработки сигналов и в возможности запоминания. Аналоговые модели транслируют «живой» сигнал в режиме реального времени. Записывать его на таком приборе нет возможности.

Аналогово-цифровые и цифровые уже имеют возможность записи. На них можно «открутить» время назад и просмотреть информацию, увидеть динамику изменения амплитуды или времени.

Еще одно отличие цифровых осциллографов от аналоговых — размеры. Цифровые приборы имеют значительно меньшие габариты

Цифровые осциллографы сначала оцифровывают синусоиду, записывают эту информацию в запоминающее устройство (ЗУ), а затем передают на экран монитора. Но не все цифровые модели имеют долговременную память — в таком случае запись ведется циклически. Это когда вновь пришедший сигнал записывается поверх предыдущего. В памяти хранится то, что появлялось на экране, но промежуток времени не такой большой. Если вам необходима запись длиной пять-десять минут, нужен запоминающий осциллограф.

Что измеряет осциллограф

На экране осциллографа отображается двухмерная картинка сигнала, который подали на измерительный вход. На экране есть две оси координат. Горизонтальная — ось времени, вертикальная — напряжение. Эти параметры и измеряют. А уже из них высчитывают остальные.

На экране осциллографа отображаются сигналы, которые подаются на его входы. Это например, двухлучевой аналоговый осциллограф, который показывает форму сигнала на входе (синусоида) и выходе (прямоугольный) импульсного преобразователя напряжения

Вот что можно измерить и отследить при помощи осциллографа:

• Напряжение (амплитуду).
• Временные параметры, по которым можно рассчитать частоту.
• Отслеживать сдвиг фаз.
• Видеть искажения, которые вносит элемент или участок цепи.
• Определить постоянную и временную составляющие сигнала.
• Увидеть наличие шума.
• Рассчитать соотношение сигнал/шум.
• Видеть/определить параметры импульсов.

Сигнал, который показывает осциллограф, довольно информативен. Видны искажения, которые вносит та или иная деталь, можно отследить, как меняется форма/амплитуда/частота в каждой точке схемы, после каждой детали.

Кроме наблюдения за формой сигнала, осциллограф можно использовать для определения целостности сопротивлений, конденсаторов, катушек индуктивности (см. видео ниже).

Устройство и принцип работы

Рассмотрим блок-схему и алгоритм работы аналогового осциллографа. Как уже говорили, изменять изображения можно по горизонтали и по вертикали. Приборы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) для этого имеют две пары пластин. Одна пара для изменения масштаба по вертикали (амплитуда или напряжение). Вторая — для растягивания или сжатия по горизонтали (временные параметры).

Устройство аналогового осциллографа: блок-схема

Отслеживаемый сигнал подается на входной усилитель, где усиливается или уменьшается до заданных значений. Значение задается переключателями. Коэффициент усиления обычно от 100 до 1000. Усиленный сигнал идет на пластины вертикальной развертки электронно-лучевой трубки.

Горизонтальная развертка формируется на основе пилообразного сигнала, который генерируется в соответствующем блоке (генератор развертки). Его параметры также задаются соответствующим переключателем. Отображение на экране ЭЛТ идет в режиме реального времени, с некоторой задержкой. Величина задержки прописывается в технических характеристиках прибора.

Основные блоки аналогового осциллографа

Для работы осциллографа важен блок синхронизации. Он обеспечивает появление картинки в момент поступления потенциала на вход. За счет этого на экране мы видим сигнал за некоторый промежуток времени. Есть разные типы синхронизации. Они выбираются переключателем. Чаще всего выбирают синхронизацию от самого исследуемого сигнала. Есть еще от сети и внешнего источника.

Режимы работы осциллографа

Осциллографом исследуют различные типы сигналов. Они могут быть постоянными (напряжение в сети), периодическими (шумы, помехи, звуки и т.д.). Периодические могут возникать случайно или с определенным интервалом. В зависимости от того, как часто или редко возникает сигнал, выбирают тот или иной режим работы.  Чаще всего в осциллографе есть два режима: автоматический (автоколебательный) и ждущий. Еще может быть однократный.

Выбор режима работы осциллографа

Если мы не знаем, как часто возникают импульсы, выбирают обычно автоматический режим. В нем даже при отсутствии потенциала на входе или при его недостаточном уровне экран светится. Отображается «нулевой» сигнал — прямая линия, которая должна идти по горизонтальной оси на экране (выставляется по линии регуляторами со стрелочками). При появлении потенциала на входе, он отображается на экране. Картинка при этом периодически обновляется и мы видим развертку сигнала по времени.

Так выглядит экран осциллографа в автоколебательном (авторежиме) при отсутствии сигнала

Ждущий режим хорош для редко появляющихся сигналах. Пока на входе ничего нет, экран не светится. При появлении каких-либо изменений он загорается, запускается генератор развертки и сигнал отображается на экране. Запуск можно настроить как по восходящему фронту импульса/синусоиды, так и по нисходящему. Можно настроить запуск не на исследуемый сигнал, а на то событие, которое ему предшествует (если такое есть).

Одиночный режим настраивает осциллограф на принятие одного сигнала. Когда на вход приходит потенциал нужного уровня, сигнал отображается на экране. После этого прибор переходит в неактивное состояние. И, даже если на входе будет следующий потенциал (или пять, или сто пять) он его не зарегистрирует. Для приема другого импульса нужно заново «взвести» прибор.

Делитель (аттенюатор)

Исследуемый сигнал может иметь напряжение от десятых долей до сотен вольт. Есть осциллографы со встроенным регулятором чувствительности — аттенюатором. Выглядит он как переключатель с градуировкой. Она задает «вес» одного деления на экране и определяет, во сколько раз понижается входной сигнал. Если ожидается малый уровень, мы просто выставляем на 1 или на 0,1. В таком случае одно деление на экране по вертикали будет 1 В и 0,1 В соответственно. И «понижать» сигнал будут в 1 раз (то есть, передадут как есть) или усилят в 10 раз перед подачей на вход (это если стоит 0,1).

Не все осциллографы имеют встроенный делитель (аттенюатор). В комплекте с таким прибором  идут внешние делители на 1:10 или 1:100. Это прямоугольные или цилиндрические насадки с разъемами с обоих сторон. Они устанавливаются во входной разъем и через них подается напряжение на вход, но уже пониженное в соответствующее количество раз.

Примерно так выглядит делитель. Он устанавливается во входное гнездо, а к нему уже подключается измерительный шнур

Ставить делитель необязательно. Необходимость определяется по ожидаемому уровню сигнала. В характеристиках указывается максимальное входное напряжение, которое может подаваться на прибор без делителя и с делителем. По уровню ожидаемого сигнала и ставим насадку.

Если уровень неизвестен, сначала выставляют самый большой делитель (или самое большое деление на аттенюаторе). Это предохранит прибор от перегорания если потенциал будет высоким. По результатам первого замера выбирается оптимальный режим.

Особенности цифровых моделей

Цифровой осциллограф работает иначе — аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму. В таком виде он записывается в ЗУ и передается на монитор, где из цифрового формата переводится снова в аналоговую форму. Отображение на экране начинается только в тот момент, когда уровень на входе превысит определенное значение (задается настройками).

Периодичность смены картинки зависит от выбранного режима работы: автоматический, одиночный и обычный. Обычный — это аналог ждущего.

Упрощенная блок-схема цифрового осциллографа

Чем лучше цифровые модели? Во-первых, такое преобразование делает изображение более стабильным. Во-вторых, проще увеличивать и уменьшать масштаб. В-третьих, есть возможность записи. Ну, и габариты. Самый небольшой аналоговый осциллограф — С1-94 — имеет размеры 100*190*300 мм и вес 3,5 кг. А цифровые при размерах 100*50-60*13-20 мм имеют вес порядка 150-300 граммов. И это вместе с аккумуляторами.

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

Полоса пропускания осциллографа: что это и на что влияет

При выборе осциллографа смотрят на следующие параметры:

• Полоса пропускания.
• Максимальное входное напряжение.
• Режимы развертки.
• Источники синхронизации.

Обо всех параметрах, кроме полосы пропускания, уже рассказали. Полоса пропускания — это чуть ли не важнейший показатель. Она определяет максимальную частоту сигнала, который будет отображаться без искажений. Например, при полосе пропускания 20 Гц — 20 МГц, все что имеет более высокую частоту будет подавляться.

Там, где полоса пропускания заканчивается, частоты жестко подавляются

Как же выбирать частоту пропускания? Зависит от того, какие сигналы вы собираетесь изучать и насколько «глубоко» вам надо их исследовать. Для аналоговых сигналов все просто — верхний предел должен быть больше чем максимальная частота. С меандрами все сложнее. На самом деле они состоят их суммы нечетных гармоник сигнала. Чем больше гармоник, тем больше форма похожа на квадрат, а не на сглаженное что-то. Но гармоники высокого порядка имеют очень высокую частоту. Если надо исследовать фронты, их отклонение, то верхний предел полосы пропускания — это десятки гигагерц. А такие приборы очень дорогие. Для обычной синусоиды достаточно 10-20 МГц, что значительно дешевле.

Как работает осциллограф?

Современные цифровые осциллографы делятся на один из трех классов: осциллографы с цифровой памятью (DSO), осциллографы с цифровым люминофором (DPO) и стробоскопические осциллографы. У всех трех есть вертикальная, горизонтальная, захватывающая и пусковая системы.

Вертикальная система — это точка входа для сигналов, поступающих от датчика. Он оптимизирует амплитуду входящего сигнала до диапазона напряжений последующих цепей, в частности аналого-цифрового преобразователя (АЦП).Он не должен вносить никаких изменений в сигнал, кроме преднамеренной регулировки амплитуды и смещения.

Система сбора данных включает элементы временной развертки (или горизонтальные) плюс фактические элементы оцифровки и хранения. Он производит выборку напряжения сигнала, собирая множество точек данных для его отображения. В цифровом осциллографе горизонтальная система содержит часы выборки, которые дают каждой выборке напряжения точную временную (горизонтальную) координату. Тактовая частота дискретизации управляет аналого-цифровым преобразователем (АЦП), выходной сигнал которого сохраняется в памяти сбора данных.Емкость этой памяти называется длиной записи. За последние несколько лет были достигнуты огромные успехи в архитектуре подсистемы сбора данных, в том числе такие прорывы, как технология сбора данных DPX ™, используемая в осциллографах с цифровым люминофором.

Система запуска определяет указанное пользователем условие во входящем сигнальном потоке и применяет его в качестве эталона времени в записи формы сигнала. Отображается событие, соответствующее критериям запуска, а также данные формы сигнала, предшествующие или следующие за событием.В каждом случае можно наблюдать положение триггерного события во времени. Система запуска гарантирует, что на экране будет отображаться стабильная согласованная форма сигнала. Система запуска ищет пороговые значения напряжения, ширину импульса, логические комбинации (на нескольких входах) и многие другие условия, чтобы квалифицировать сбор данных.

Что такое осциллограф? »

Изучение осциллографов по осциллографам »

Как работает осциллограф?

Обзор осциллографов

Рисунок 1: Цифровой осциллограф в действии

Глядя на такие формы сигналов, вы можете понять, как цепь работает. Это может помочь вам определить потенциальные проблемы со схемой, охарактеризовать ее работу или просмотреть целостность сигнала по линии передачи. Эта статья поможет вам лучше понять основы осциллографа: Что такое осциллограф?

Самым популярным современным осциллографом является цифровой запоминающий осциллограф (DSO).Прежде чем мы рассмотрим, как работает DSO, давайте взглянем на его скромное начало.

Одной из первых попыток автоматизации системы преобразования электрических сигналов в отображение был Hospitalier Ondograph в начале 1900-х годов. Это устройство, показанное на рисунке 3, основывалось на разряде конденсатора в гальванометр, на конце которого была ручка. При изменении напряжения перо двигалось вперед и назад, рисуя форму волны на листе бумаги с прокруткой.

Рисунок 3: Госпитальный ондограф

К сожалению, большинство электрических сигналов менялись слишком быстро для механической системы ондографа.В результате, для точного рисования на бумаге требовалось множество выборок сигнала.

В конце 1800-х годов ученые обнаружили, что субатомные частицы (теперь известные как электроны) будут двигаться по прямым линиям от катодного конца трубки Крукса. В результате ученые окрестили эти частицы «катодными лучами». В последующие годы другие ученые обнаружили, что эти лучи можно искривлять, прикладывая электрическое или магнитное поле.

В 1897 году немецкий физик и изобретатель Карл Фердинанд Браун построил первую электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) осциллографа, подав напряжение на вертикальные пластины над и под электронным пучком.Электронный луч попадет на люминофорную пластину на противоположном конце и раскрасит яркую точку. При изменении напряжения на пластинах точка будет танцевать вверх и вниз, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4: Электронно-лучевая трубка с одним набором пластин

Джонатан Зеннек, физик и инженер-электрик из Королевства Вюртемберг ( теперь часть Германии), добавил в 1899 г. набор горизонтальных пластин к ЭЛТ, что позволило электронному лучу перемещаться вперед и назад по экрану. Имея возможность управлять вертикальным и горизонтальным движением, теперь мы можем построить график электрического сигнала на экране в реальном времени.

В следующем видео показано, как аналоговый осциллограф можно использовать для измерения напряжения в цепи:

Теперь, когда мы увидели, как появились аналоговые осциллографы, давайте остановимся на их работе. На рисунке 5 показано внутреннее устройство такой области (в виде блок-схемы) вместе с описанием каждого из компонентов.

Рисунок 5: Блок-схема аналогового осциллографа

Пробник: Элемент, который подключается к проверяемой цепи. Большинство пробников имеют два наконечника, поскольку осциллографы измеряют разность электрических потенциалов (напряжение) между двумя точками.

Усилитель / аттенюатор: Часто электрический сигнал необходимо усиливать (увеличивать по амплитуде) или ослаблять (уменьшать по амплитуде) для эффективного отображения пользователю или во избежание повреждения внутренних схем осциллографа.

Система запуска: Запуск — это определяемое пользователем условие (например, пороговое значение напряжения), которое определяет, когда осциллограф должен начать рисовать сигнал. Это может быть чрезвычайно полезно при обнаружении спорадических импульсов в цепи или синхронизации дисплея с повторяющимся шаблоном, например синусоидальной волной, чтобы он постоянно отображался на экране.

Генератор развертки: Для управления горизонтальными пластинами ЭЛТ генератор развертки создает повторяющуюся диаграмму пилообразного напряжения. Это заставляет луч перемещаться с одной стороны на другую в ЭЛТ. Частота и запуск генератора развертки устанавливаются пользователем.

Горизонтальный усилитель: Подобно усилителю, установленному после пробника, горизонтальный усилитель увеличивает амплитуду пилообразной волны от генератора развертки, чтобы он мог управлять горизонтальными пластинами в ЭЛТ.

CRT: Электронная пушка выстреливает непрерывным потоком электронов на покрытый люминофором экран, который производит яркую точку. Два набора пластин контролируют отклонение балки. Вертикальные пластины напрямую контролируются напряжением, наблюдаемым на зонде, а горизонтальные пластины контролируются генератором развертки. Поскольку отклонение луча быстро изменяется, на экране появляется сплошная линия. Эта линия на дисплее отображает напряжение (как видно на датчике), изменяющееся во времени.

В 1980-х годах компания Nicolet Test Instrument создала первый цифровой запоминающий осциллограф (DSO), использующий относительно медленный (1 МГц) аналого-цифровой преобразователь (ADC). По мере развития цифровых технологий цифровые осциллографы становились быстрее, меньше и популярнее.

Современные DSO — это, по сути, компьютеры с высокопроизводительными АЦП, используемыми для измерения напряжения. Однако многие функции и интерфейс такие же, как и в старых аналоговых осциллографах, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6: Использование современного цифрового запоминающего осциллографа

На Рисунке 7 показано внутреннее устройство цифрового запоминающего осциллографа.

Рисунок 7: Блок-схема цифрового запоминающего осциллографа

Пробник: Осциллографу требуется способ измерения напряжения между двумя точками в проверяемой цепи. У большинства пробников есть два наконечника, которые вы прикрепляете к разным узлам в вашей цепи.

Усилитель / аттенюатор: Большинство осциллографов имеют схемы, которые усиливают или ослабляют захваченные электрические сигналы, чтобы их можно было эффективно отобразить для пользователя и избежать повреждения компонентов внутри осциллографа.

Выбор триггера: Многие современные осциллографы позволяют выбирать между внутренним или внешним сигналом (от отдельного источника) для запуска отображения формы сигнала.

Управляющая логика: Логика или программное обеспечение, которое позволяет пользователю настраивать способ захвата и отображения сигналов. Логика управления аналогична горизонтальным элементам управления аналогового осциллографа, но часто предлагает больше возможностей.

ADC: Аналого-цифровой преобразователь производит выборку электрического сигнала из тестовой схемы через равные промежутки времени, заданные управляющей логикой.Эти выборки преобразуются в двоичные числа, которые хранятся в памяти.

Память: Цифровая информация, представляющая дискретизированный сигнал, хранится в памяти. Эта информация используется для восстановления близкого приближения к исходному электрическому сигналу на дисплее в графическом формате.

Развертка времени: Как установлено логикой управления, развертка времени управляет горизонтальной осью на дисплее. Пользователь может установить одну или несколько точек запуска, чтобы настроить временную развертку для захвата спорадических сигналов или удержания периодических сигналов, таких как синусоидальные волны, на дисплее.

Дисплей: Осциллограф берет данные из памяти, объединяет их с информацией из временной развертки и отображает форму сигнала на экране. Часто эта форма волны будет близким представлением первоначально дискретизированного сигнала с напряжением по оси Y и временем по оси X. В некоторых старых цифровых осциллографах в качестве дисплеев используются ЭЛТ, тогда как в большинстве современных цифровых осциллографов используются ЖК-дисплеи.

Эволюция осциллографов

С момента своего изобретения осциллографы превратились в более умное и мощное испытательное оборудование.Осциллографы на базе ПК очень портативны и используют вычислительную мощность компьютера для анализа и отображения сигналов. Осциллографы с цифровым люминофором (DPO) добавляют функции, имитирующие способность аналогового осциллографа отображать частоту появления сигнала.

Осциллографы открыли путь для логических анализаторов, которые специализируются на отображении цифровых сигналов. В конце концов, эти две мощные части оборудования будут объединены в осциллограф смешанных сигналов (MSO). MSO могут отображать аналоговые сигналы так же хорошо, как осциллограф, при анализе цифровых сигналов, как логический анализатор.

Как работают осциллографы — объясните, что интересного

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 29 ноября 2020 г.

Blip … blip … blip … blip … woooooooooooooooo …. «Быстро медсестра, она разбилась … весла! »Никакая телевизионная больничная драма не быть полным без взгляда и звука кардиомонитора со стороны у постели больного. Мы все видели эти ярко освещенные следы прыгает вверх и вниз — но вы когда-нибудь задумывались, как именно они работают? Подобные кардиомониторы основаны на чем-то вроде электронного машина для рисования графиков, называемая осциллографом, которая очень похожа на старомодный телевизор.Давайте подробнее рассмотрим эти удобные инструменты и узнайте, как они работают!

Фото: Взрыв из прошлого! Представьте, что вы пытаетесь построить компактный осциллограф до того, как миниатюрные электронные компоненты были легко доступны. Это была проблема, которую ученые из Национального Бюро стандартов и Бюро аэронавтики ВМС США (BuAer) столкнулись еще в 1950-х годах до того, как они могли заполучить транзисторы. То, что они придумали, — это удивительно компактный прибор, Субминиатюрный радарный индикатор-осциллограф, который был выпущен в 1954–1956 годах.Фото любезно предоставлено Национальным институтом стандартов и технологий цифровых коллекций, Гейтерсбург, Мэриленд 20899.

Что такое осциллограф?

Фото: Типичная диаграмма / график. Это показывает устойчивый рост электронной коммерции в последние годы. Ось X (время) проходит горизонтально по странице; ось Y (доход) проходит вертикально вверх по странице. Предоставлено Бюро переписи населения США.

Вы почти наверняка рисовали диаграммы в школе и видели их в газеты.Многие из них показывают, как определенное количество чего-то (например, пульс, цена акций корпорации или обменный курс страны) меняется со временем: у них есть количество нанесен в вертикальном направлении (известном как ось Y) и период времени, нанесенный в горизонтальном направлении (ось x). Проблема с такими диаграммами в том, что на их создание могут уйти годы. сюжет — если, конечно, вы не осциллограф! Это удобный маленький гаджет, который автоматически рисует диаграммы, используя сигналы, которые вы ему подаете. зонды, подключенные к электронной схеме, научному прибору, или часть медицинского оборудования для наблюдения.

Для чего можно использовать осциллографы?

Фото: Электрик ВМС США использует осциллограф для проверки работоспособности электродвигатель на борту авианосца. Фото Паоло Баяса любезно предоставлено ВМС США.

Мы можем использовать осциллографы для просмотра всех видов сигналов во всех виды способов. Если вы когда-нибудь изучаете электронику, вы будете использовать осциллографы, чтобы наблюдать за изменением сигналов в цепях с течением времени; ты также могут найти неисправности в сломанных телевизорах, радиоприемниках и т. д. виды аналогичного оборудования.Пробники на типичном осциллографе позволяют вы подаете электрический ток через коаксиальные кабели, но это не значит, что осциллограф может измерять только электричество. Подключите преобразователь (который преобразует один вид энергии в другой), и вы можете использовать осциллограф для измерения практически всего. Например, вы можете использовать микрофон (тип преобразователя, который преобразует звуковую энергию в электрический сигнал) для изучения звука сигналы с осциллографа; вы можете использовать термопару ( преобразователь, преобразующий тепло в электричество) для измерения температуры изменения; или вы можете использовать пьезоэлектрический преобразователь (который генерирует электричество, когда вы его сжимаете) для изучения вибраций, таких как сердцебиение человека.

Одна из действительно полезных особенностей осциллографов — это то, как они превращают невидимые сигналы в то, что мы можем видеть и понимать. Так, например, вы не можете слышать ультразвук — звук за пределами диапазона человеческого слуха — по определению. Но вы можете очень легко увидеть и изучить его с помощью осциллографа. Точно так же осциллографы предоставляют людям с нарушениями слуха очень полезный способ видеть и изучать звуки. они могут быть не в состоянии оценить другими способами.

Фото: Сделать звук видимым.Вы можете использовать осциллографы как звуковые «визуализаторы». Фактически, это след от компьютерного визуализатора, в который я загрузил фрагмент Бетховена, но ничто не мешает вам делать аналогичные вещи с физическим осциллографом, подключенным к Hi-Fi (или приложением на вашем телефоне). .

Как работает осциллограф

Традиционный осциллограф работает почти так же, как традиционное (с электронно-лучевой трубкой) телевидение; действительно, вы иногда увидите осциллографы, называемые электронно-лучевыми осциллографами или CRO.В телевизоре электронные лучи заставляются сканировать вперед и назад через экран с покрытием на спине специальными химическими веществами, называемыми люминофором. Каждый раз Луч попадает на экран, от него загораются люминофоры. За меньшее время чем нужно моргнуть, электронные лучи проходят через весь экран и создайте картинку, которую вы можете видеть. Затем они это делают все сначала. И опять. И опять. Итак, вы видите движущееся изображение вместо неподвижного. (Взгляните на нашу телевизионную статью, чтобы увидеть диаграмму, показывающую Вы, как все это работает на практике.) В осциллографе электрон лучи работают точно так же, но вместо построения изображения они рисуют граф. Когда вы смотрите на линию на экране осциллографа, что вы на самом деле это электронный луч, качающийся вверх и вниз!

Вот что нужно отметить: электрические сигналы, поступающие в соединения x и y, эффективно становятся значениями x и y на вашей экранной диаграмме. Поскольку есть индивидуальный соответствие между этими двумя вещами, традиционный осциллограф аналоговое устройство.(Другой способ смотреть это значит, что след на экране — это аналог того, что вы изучения или измерения.)

Фотография: осциллограф рисует кривую (график) некоторой величины (нанесенной на ось y), которая изменяется со временем (нанесена на ось x). Один из распространенных паттернов, который вы увидите, — это плавно волнистая, змееподобная восходящая и нисходящая линия, которая называется синусоидальной волной или синусоидальной волной (зеленая верхняя линия). Другой довольно распространенный паттерн — это пилообразная волна (синяя ступенчатая кривая, показанная под синусоидой).Это демонстрационный снимок экрана с Oscium, подключаемого осциллографа, который воспроизводит некоторые функции традиционного осциллографа на вашем смартфоне или планшете.

Графики электронные

Как на самом деле осциллограф рисует кривую? Представьте, что вы осциллограф! Представьте, что вы держите карандаш в руке в нулевой точке на кусочке. миллиметровой бумаги. Теперь предположим, что ваша рука привязана к двум электродвигатели, один из которых может перемещать его на точное количество по вертикали (y) направление (то есть вверх и вниз по странице), а другой может переместите его в горизонтальном (x) направлении (поперек страницы из стороны в боковая сторона).Двигатели подключены к электронной схеме, которая может дискретизировать сигналы разных типов.

Для начала предположим, что мы подключить x-цепь к электронному кварцу Часы. Каждый раз часы тикают, он посылает сигнал на двигатель x, который перемещает вашу руку немного правее. Итак, в течение нескольких секунд ваша рука постепенно перемещается вправо, рисуя горизонтальную линию по мере продвижения. Теперь предположим, что мы подключили Y-цепь к какой-то электронной прибор, определяющий сердцебиение человека.Если схемы x и y связаны одновременно, ваша рука будет перемещаться по странице, как и прежде, но подпрыгивайте вертикально каждый раз, когда сердце бьется, рисуя классический след сердцебиения, который вы видите в сериалах о больницах. Замените карандаш и миллиметровку электронным луч и экран телевизора, и вы можете точно увидеть, как осциллограф рисует его следы. Каждый раз, когда сигнал проходит через цепь y, электронный луч подпрыгивает. Все это время сигнал времени подает кривая перемещается слева направо по горизонтальной оси (x).

Иллюстрация: Как осциллограф рисует синусоидальную волну. 1) Внутри электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) электронная пушка (желтая) выпускает пучок электронов (зеленые точки) в направлении люминофорного экрана. 2) При отсутствии сигнала, подключенного к осциллографу, схема синхронизации питает катушки электромагнита (синие), которые заставляют электронный луч медленно перемещаться по экрану слева направо (эффективно запитывая ось x графика). 3) Когда вы подаете волнообразный сигнал (оранжевый) на щупы осциллографа, другая схема питает перпендикулярную пару катушек (красный), которые заставляют луч качать вверх и вниз.4) Действуя вместе, катушки заставляют электронные лучи перемещаться по восходящей и нисходящей, извивающейся дорожке (синусоидальная волна).

Как пользоваться осциллографом?

Все просто! Вы подключаете сигнал, который хотите изучить, к y-схему и используйте x-схему (иногда называемую временной разверткой), чтобы изучите, как сигнал меняется со временем. В качестве альтернативы вы можете подключить второй сигнал для x-цепи, а затем изучите, как y и x сигналы меняются вместе. Когда осциллограф включен и подключен в сигнал вы увидите след, образующийся на фоне экранная «миллиметровка» (известная как сетка, отмечены квадратами, называемыми делениями).

Если след слишком мал для правильного отображения, необходимо отрегулировать калибровка осей x и y — как при использовании другого размера масштабировать, когда вы рисуете диаграмму на бумаге. Если вы включите Контроль времени / деления (часто обозначается как Time / Div или Secs / Div), вы изменяете каждое деление экрана по оси X поэтому входящему сигналу требуется больше времени для прохождения. Например, если сердцебиение делает пульс каждую секунду и экран настроен до одной секунды на деление, вы получите пульс, появляющийся на каждом деление (линия) экрана.Если вы включите время / деление так что он установлен на 0,5 секунды на деление, импульсы будут распространяться на вдвое больше горизонтальной комнаты (потому что одна секунда времени сейчас представлен двумя делениями экрана). Вы можете настроить ось Y таким же образом (часто обозначается как «Вольт / деление» или «Вольт / деление»). Как правило, идея состоит в том, чтобы растянуть след и заполнить весь экран, чтобы вы могли использовать сетку для точных измерений.

Типы осциллографов

CRO и ЖК-дисплей

Фото: Типичный полноразмерный цифровой осциллограф.фото Брайан Рид любезно предоставил ВМС США.

Как мы уже видели, осциллографы изначально основывались на электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), которые относительно громоздкие, тяжелые, энергоемкий, ненадежный и дорогой. Так же, как у ЭЛТ-телевизоров сейчас во многом заменен на более удобный LCD технологии, поэтому многие осциллографы с ЭЛТ были заменены плоскими ЖК-экранами. Вместо использования движущихся электронных лучей для рисования следов ЖК-дисплей осциллографы используют цифровую электронику, чтобы нарисовать кривую вместо этого — эффективно имитируя то, что происходит со старшими технология.ЖК-осциллографы, как правило, намного дешевле и дороже. компактные: их можно положить даже в карман!

Фото: Цифровые осциллографы намного меньше и портативнее, чем старомодные аналоговые. Это портативный осциллограф Fluke, который используется для проверки сигналы связи в стойке с электронным оборудованием сзади. Фото Эндрю Ли любезно предоставлено ВВС США.

В отличие от традиционных осциллографов, в которых используются полностью аналоговые технологии (отображение различных сигналов на экране, которые точно соответствуют к сигналам, которые вы в них подаете), ЖК-осциллографы обычно цифровой: они используют аналого-цифровые преобразователи для включения входящих (аналоговые) сигналы в числовую (цифровую) форму, а затем вместо этого выводят эти числа на экран.

Осциллографы с подключаемым модулем

(USB)

Поскольку на вашем компьютере, планшете или смартфоне уже есть ЭЛТ- или ЖК-дисплей, нет необходимости не покупайте осциллограф для случайного использования в хобби. Такие компании, как Cleverscope, продают недорогие съемные осциллографы. (с USB-разъемами или эквивалентными выводами для мобильных устройств), которые имитируют схему в традиционном осциллографе и отображают кривую на вашем ПК или экране мобильного телефона. Как это удобно!

Приложения осциллографа

Поищите в своем любимом магазине приложений, и вы найдете немало совпадений по запросу «осциллограф», начиная от простых демонстрация трасс сигнала вплоть до полнофункциональных осциллографов, принимающих сигналы от подключаемых пробников.Основные приложения использовать микрофон как источник очень грубого сигнала. С помощью переходного кабеля USB для вашего мобильного телефона и вставного зонда, Ваш мобильный телефон мгновенно превращается в карманный осциллограф! Oscium производит самые известные съемные пробники осциллографов для iPhone / iPod Touch и Android, и, несомненно, они доступны и от других производителей.

Фото: вот скриншоты двух типичных приложений осциллографа. 1) Очень простое приложение Oscillo (доступное в обычных магазинах приложений) рисует простой график амплитуды любого звукового сигнала, который в настоящее время подается через микрофон вашего мобильного устройства.Это отличный способ продемонстрировать детям, как звуки разного тона и высоты создают волны разной формы. Здесь я напеваю один тон в свой мобильный телефон, чтобы сгенерировать приблизительную синусоидальную волну — и я могу изменять громкость и высоту звука и наблюдать, что происходит со следом, когда я это делаю. Что произойдет, если я свистну, напеваю или пытаюсь сделать свой голос похожим на трубу или флейту? Это отличное введение в осциллографы и гораздо более интересный интерактивный способ изучения волн, чем вы найдете в традиционных научных книгах.2) Немного более сложное приложение Sound Oscilloscope (от Denis Bolshoiden для Android) может рисовать ту же амплитудную кривую или, альтернативно (как показано здесь), частотную характеристику (FFT) звукового сигнала с вашего микрофона, что добавляет дополнительное измерение. к деятельности.

Как работают осциллографы — объясните, что такое

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 29 ноября 2020 г.

Blip … blip … blip … blip … woooooooooooooooo …. «Быстро медсестра, она разбилась… весла! »Никакая телевизионная больничная драма не быть полным без взгляда и звука кардиомонитора со стороны у постели больного. Мы все видели эти ярко освещенные следы прыгает вверх и вниз — но вы когда-нибудь задумывались, как именно они работают? Подобные кардиомониторы основаны на чем-то вроде электронного машина для рисования графиков, называемая осциллографом, которая очень похожа на старомодный телевизор. Давайте подробнее рассмотрим эти удобные инструменты и узнайте, как они работают!

Фото: Взрыв из прошлого! Представьте, что вы пытаетесь построить компактный осциллограф до того, как миниатюрные электронные компоненты были легко доступны.Это была проблема, которую ученые из Национального Бюро стандартов и Бюро аэронавтики ВМС США (BuAer) столкнулись еще в 1950-х годах до того, как они могли заполучить транзисторы. То, что они придумали, — это удивительно компактный прибор, Субминиатюрный радарный индикатор-осциллограф, который был выпущен в 1954–1956 годах. Фото любезно предоставлено Национальным институтом стандартов и технологий цифровых коллекций, Гейтерсбург, Мэриленд 20899.

Что такое осциллограф?

Фото: Типичная диаграмма / график.Это показывает устойчивый рост электронной коммерции в последние годы. Ось X (время) проходит горизонтально по странице; ось Y (доход) проходит вертикально вверх по странице. Предоставлено Бюро переписи населения США.

Вы почти наверняка рисовали диаграммы в школе и видели их в газеты. Многие из них показывают, как определенное количество чего-то (например, пульс, цена акций корпорации или обменный курс страны) меняется со временем: у них есть количество нанесен в вертикальном направлении (известном как ось Y) и период времени, нанесенный в горизонтальном направлении (ось x).Проблема с такими диаграммами в том, что на их создание могут уйти годы. сюжет — если, конечно, вы не осциллограф! Это удобный маленький гаджет, который автоматически рисует диаграммы, используя сигналы, которые вы ему подаете. зонды, подключенные к электронной схеме, научному прибору, или часть медицинского оборудования для наблюдения.

Для чего можно использовать осциллографы?

Фото: Электрик ВМС США использует осциллограф для проверки работоспособности электродвигатель на борту авианосца.Фото Паоло Баяса любезно предоставлено ВМС США.

Мы можем использовать осциллографы для просмотра всех видов сигналов во всех виды способов. Если вы когда-нибудь изучаете электронику, вы будете использовать осциллографы, чтобы наблюдать за изменением сигналов в цепях с течением времени; ты также могут найти неисправности в сломанных телевизорах, радиоприемниках и т. д. виды аналогичного оборудования. Пробники на типичном осциллографе позволяют вы подаете электрический ток через коаксиальные кабели, но это не значит, что осциллограф может измерять только электричество.Подключите преобразователь (который преобразует один вид энергии в другой), и вы можете использовать осциллограф для измерения практически всего. Например, вы можете использовать микрофон (тип преобразователя, который преобразует звуковую энергию в электрический сигнал) для изучения звука сигналы с осциллографа; вы можете использовать термопару ( преобразователь, преобразующий тепло в электричество) для измерения температуры изменения; или вы можете использовать пьезоэлектрический преобразователь (который генерирует электричество, когда вы его сжимаете) для изучения вибраций, таких как сердцебиение человека.

Одна из действительно полезных особенностей осциллографов — это то, как они превращают невидимые сигналы в то, что мы можем видеть и понимать. Так, например, вы не можете слышать ультразвук — звук за пределами диапазона человеческого слуха — по определению. Но вы можете очень легко увидеть и изучить его с помощью осциллографа. Точно так же осциллографы предоставляют людям с нарушениями слуха очень полезный способ видеть и изучать звуки. они могут быть не в состоянии оценить другими способами.

Фото: Сделать звук видимым.Вы можете использовать осциллографы как звуковые «визуализаторы». Фактически, это след от компьютерного визуализатора, в который я загрузил фрагмент Бетховена, но ничто не мешает вам делать аналогичные вещи с физическим осциллографом, подключенным к Hi-Fi (или приложением на вашем телефоне). .

Как работает осциллограф

Традиционный осциллограф работает почти так же, как традиционное (с электронно-лучевой трубкой) телевидение; действительно, вы иногда увидите осциллографы, называемые электронно-лучевыми осциллографами или CRO.В телевизоре электронные лучи заставляются сканировать вперед и назад через экран с покрытием на спине специальными химическими веществами, называемыми люминофором. Каждый раз Луч попадает на экран, от него загораются люминофоры. За меньшее время чем нужно моргнуть, электронные лучи проходят через весь экран и создайте картинку, которую вы можете видеть. Затем они это делают все сначала. И опять. И опять. Итак, вы видите движущееся изображение вместо неподвижного. (Взгляните на нашу телевизионную статью, чтобы увидеть диаграмму, показывающую Вы, как все это работает на практике.) В осциллографе электрон лучи работают точно так же, но вместо построения изображения они рисуют граф. Когда вы смотрите на линию на экране осциллографа, что вы на самом деле это электронный луч, качающийся вверх и вниз!

Вот что нужно отметить: электрические сигналы, поступающие в соединения x и y, эффективно становятся значениями x и y на вашей экранной диаграмме. Поскольку есть индивидуальный соответствие между этими двумя вещами, традиционный осциллограф аналоговое устройство.(Другой способ смотреть это значит, что след на экране — это аналог того, что вы изучения или измерения.)

Фотография: осциллограф рисует кривую (график) некоторой величины (нанесенной на ось y), которая изменяется со временем (нанесена на ось x). Один из распространенных паттернов, который вы увидите, — это плавно волнистая, змееподобная восходящая и нисходящая линия, которая называется синусоидальной волной или синусоидальной волной (зеленая верхняя линия). Другой довольно распространенный паттерн — это пилообразная волна (синяя ступенчатая кривая, показанная под синусоидой).Это демонстрационный снимок экрана с Oscium, подключаемого осциллографа, который воспроизводит некоторые функции традиционного осциллографа на вашем смартфоне или планшете.

Графики электронные

Как на самом деле осциллограф рисует кривую? Представьте, что вы осциллограф! Представьте, что вы держите карандаш в руке в нулевой точке на кусочке. миллиметровой бумаги. Теперь предположим, что ваша рука привязана к двум электродвигатели, один из которых может перемещать его на точное количество по вертикали (y) направление (то есть вверх и вниз по странице), а другой может переместите его в горизонтальном (x) направлении (поперек страницы из стороны в боковая сторона).Двигатели подключены к электронной схеме, которая может дискретизировать сигналы разных типов.

Для начала предположим, что мы подключить x-цепь к электронному кварцу Часы. Каждый раз часы тикают, он посылает сигнал на двигатель x, который перемещает вашу руку немного правее. Итак, в течение нескольких секунд ваша рука постепенно перемещается вправо, рисуя горизонтальную линию по мере продвижения. Теперь предположим, что мы подключили Y-цепь к какой-то электронной прибор, определяющий сердцебиение человека.Если схемы x и y связаны одновременно, ваша рука будет перемещаться по странице, как и прежде, но подпрыгивайте вертикально каждый раз, когда сердце бьется, рисуя классический след сердцебиения, который вы видите в сериалах о больницах. Замените карандаш и миллиметровку электронным луч и экран телевизора, и вы можете точно увидеть, как осциллограф рисует его следы. Каждый раз, когда сигнал проходит через цепь y, электронный луч подпрыгивает. Все это время сигнал времени подает кривая перемещается слева направо по горизонтальной оси (x).

Иллюстрация: Как осциллограф рисует синусоидальную волну. 1) Внутри электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) электронная пушка (желтая) выпускает пучок электронов (зеленые точки) в направлении люминофорного экрана. 2) При отсутствии сигнала, подключенного к осциллографу, схема синхронизации питает катушки электромагнита (синие), которые заставляют электронный луч медленно перемещаться по экрану слева направо (эффективно запитывая ось x графика). 3) Когда вы подаете волнообразный сигнал (оранжевый) на щупы осциллографа, другая схема питает перпендикулярную пару катушек (красный), которые заставляют луч качать вверх и вниз.4) Действуя вместе, катушки заставляют электронные лучи перемещаться по восходящей и нисходящей, извивающейся дорожке (синусоидальная волна).

Как пользоваться осциллографом?

Все просто! Вы подключаете сигнал, который хотите изучить, к y-схему и используйте x-схему (иногда называемую временной разверткой), чтобы изучите, как сигнал меняется со временем. В качестве альтернативы вы можете подключить второй сигнал для x-цепи, а затем изучите, как y и x сигналы меняются вместе. Когда осциллограф включен и подключен в сигнал вы увидите след, образующийся на фоне экранная «миллиметровка» (известная как сетка, отмечены квадратами, называемыми делениями).

Если след слишком мал для правильного отображения, необходимо отрегулировать калибровка осей x и y — как при использовании другого размера масштабировать, когда вы рисуете диаграмму на бумаге. Если вы включите Контроль времени / деления (часто обозначается как Time / Div или Secs / Div), вы изменяете каждое деление экрана по оси X поэтому входящему сигналу требуется больше времени для прохождения. Например, если сердцебиение делает пульс каждую секунду и экран настроен до одной секунды на деление, вы получите пульс, появляющийся на каждом деление (линия) экрана.Если вы включите время / деление так что он установлен на 0,5 секунды на деление, импульсы будут распространяться на вдвое больше горизонтальной комнаты (потому что одна секунда времени сейчас представлен двумя делениями экрана). Вы можете настроить ось Y таким же образом (часто обозначается как «Вольт / деление» или «Вольт / деление»). Как правило, идея состоит в том, чтобы растянуть след и заполнить весь экран, чтобы вы могли использовать сетку для точных измерений.

Типы осциллографов

CRO и ЖК-дисплей

Фото: Типичный полноразмерный цифровой осциллограф.фото Брайан Рид любезно предоставил ВМС США.

Как мы уже видели, осциллографы изначально основывались на электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), которые относительно громоздкие, тяжелые, энергоемкий, ненадежный и дорогой. Так же, как у ЭЛТ-телевизоров сейчас во многом заменен на более удобный LCD технологии, поэтому многие осциллографы с ЭЛТ были заменены плоскими ЖК-экранами. Вместо использования движущихся электронных лучей для рисования следов ЖК-дисплей осциллографы используют цифровую электронику, чтобы нарисовать кривую вместо этого — эффективно имитируя то, что происходит со старшими технология.ЖК-осциллографы, как правило, намного дешевле и дороже. компактные: их можно положить даже в карман!

Фото: Цифровые осциллографы намного меньше и портативнее, чем старомодные аналоговые. Это портативный осциллограф Fluke, который используется для проверки сигналы связи в стойке с электронным оборудованием сзади. Фото Эндрю Ли любезно предоставлено ВВС США.

В отличие от традиционных осциллографов, в которых используются полностью аналоговые технологии (отображение различных сигналов на экране, которые точно соответствуют к сигналам, которые вы в них подаете), ЖК-осциллографы обычно цифровой: они используют аналого-цифровые преобразователи для включения входящих (аналоговые) сигналы в числовую (цифровую) форму, а затем вместо этого выводят эти числа на экран.

Осциллографы с подключаемым модулем

(USB)

Поскольку на вашем компьютере, планшете или смартфоне уже есть ЭЛТ- или ЖК-дисплей, нет необходимости не покупайте осциллограф для случайного использования в хобби. Такие компании, как Cleverscope, продают недорогие съемные осциллографы. (с USB-разъемами или эквивалентными выводами для мобильных устройств), которые имитируют схему в традиционном осциллографе и отображают кривую на вашем ПК или экране мобильного телефона. Как это удобно!

Приложения осциллографа

Поищите в своем любимом магазине приложений, и вы найдете немало совпадений по запросу «осциллограф», начиная от простых демонстрация трасс сигнала вплоть до полнофункциональных осциллографов, принимающих сигналы от подключаемых пробников.Основные приложения использовать микрофон как источник очень грубого сигнала. С помощью переходного кабеля USB для вашего мобильного телефона и вставного зонда, Ваш мобильный телефон мгновенно превращается в карманный осциллограф! Oscium производит самые известные съемные пробники осциллографов для iPhone / iPod Touch и Android, и, несомненно, они доступны и от других производителей.

Фото: вот скриншоты двух типичных приложений осциллографа. 1) Очень простое приложение Oscillo (доступное в обычных магазинах приложений) рисует простой график амплитуды любого звукового сигнала, который в настоящее время подается через микрофон вашего мобильного устройства.Это отличный способ продемонстрировать детям, как звуки разного тона и высоты создают волны разной формы. Здесь я напеваю один тон в свой мобильный телефон, чтобы сгенерировать приблизительную синусоидальную волну — и я могу изменять громкость и высоту звука и наблюдать, что происходит со следом, когда я это делаю. Что произойдет, если я свистну, напеваю или пытаюсь сделать свой голос похожим на трубу или флейту? Это отличное введение в осциллографы и гораздо более интересный интерактивный способ изучения волн, чем вы найдете в традиционных научных книгах.2) Немного более сложное приложение Sound Oscilloscope (от Denis Bolshoiden для Android) может рисовать ту же амплитудную кривую или, альтернативно (как показано здесь), частотную характеристику (FFT) звукового сигнала с вашего микрофона, что добавляет дополнительное измерение. к деятельности.

Как работают осциллографы — объясните, что такое

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 29 ноября 2020 г.

Blip … blip … blip … blip … woooooooooooooooo …. «Быстро медсестра, она разбилась… весла! »Никакая телевизионная больничная драма не быть полным без взгляда и звука кардиомонитора со стороны у постели больного. Мы все видели эти ярко освещенные следы прыгает вверх и вниз — но вы когда-нибудь задумывались, как именно они работают? Подобные кардиомониторы основаны на чем-то вроде электронного машина для рисования графиков, называемая осциллографом, которая очень похожа на старомодный телевизор. Давайте подробнее рассмотрим эти удобные инструменты и узнайте, как они работают!

Фото: Взрыв из прошлого! Представьте, что вы пытаетесь построить компактный осциллограф до того, как миниатюрные электронные компоненты были легко доступны.Это была проблема, которую ученые из Национального Бюро стандартов и Бюро аэронавтики ВМС США (BuAer) столкнулись еще в 1950-х годах до того, как они могли заполучить транзисторы. То, что они придумали, — это удивительно компактный прибор, Субминиатюрный радарный индикатор-осциллограф, который был выпущен в 1954–1956 годах. Фото любезно предоставлено Национальным институтом стандартов и технологий цифровых коллекций, Гейтерсбург, Мэриленд 20899.

Что такое осциллограф?

Фото: Типичная диаграмма / график.Это показывает устойчивый рост электронной коммерции в последние годы. Ось X (время) проходит горизонтально по странице; ось Y (доход) проходит вертикально вверх по странице. Предоставлено Бюро переписи населения США.

Вы почти наверняка рисовали диаграммы в школе и видели их в газеты. Многие из них показывают, как определенное количество чего-то (например, пульс, цена акций корпорации или обменный курс страны) меняется со временем: у них есть количество нанесен в вертикальном направлении (известном как ось Y) и период времени, нанесенный в горизонтальном направлении (ось x).Проблема с такими диаграммами в том, что на их создание могут уйти годы. сюжет — если, конечно, вы не осциллограф! Это удобный маленький гаджет, который автоматически рисует диаграммы, используя сигналы, которые вы ему подаете. зонды, подключенные к электронной схеме, научному прибору, или часть медицинского оборудования для наблюдения.

Для чего можно использовать осциллографы?

Фото: Электрик ВМС США использует осциллограф для проверки работоспособности электродвигатель на борту авианосца.Фото Паоло Баяса любезно предоставлено ВМС США.

Мы можем использовать осциллографы для просмотра всех видов сигналов во всех виды способов. Если вы когда-нибудь изучаете электронику, вы будете использовать осциллографы, чтобы наблюдать за изменением сигналов в цепях с течением времени; ты также могут найти неисправности в сломанных телевизорах, радиоприемниках и т. д. виды аналогичного оборудования. Пробники на типичном осциллографе позволяют вы подаете электрический ток через коаксиальные кабели, но это не значит, что осциллограф может измерять только электричество.Подключите преобразователь (который преобразует один вид энергии в другой), и вы можете использовать осциллограф для измерения практически всего. Например, вы можете использовать микрофон (тип преобразователя, который преобразует звуковую энергию в электрический сигнал) для изучения звука сигналы с осциллографа; вы можете использовать термопару ( преобразователь, преобразующий тепло в электричество) для измерения температуры изменения; или вы можете использовать пьезоэлектрический преобразователь (который генерирует электричество, когда вы его сжимаете) для изучения вибраций, таких как сердцебиение человека.

Одна из действительно полезных особенностей осциллографов — это то, как они превращают невидимые сигналы в то, что мы можем видеть и понимать. Так, например, вы не можете слышать ультразвук — звук за пределами диапазона человеческого слуха — по определению. Но вы можете очень легко увидеть и изучить его с помощью осциллографа. Точно так же осциллографы предоставляют людям с нарушениями слуха очень полезный способ видеть и изучать звуки. они могут быть не в состоянии оценить другими способами.

Фото: Сделать звук видимым.Вы можете использовать осциллографы как звуковые «визуализаторы». Фактически, это след от компьютерного визуализатора, в который я загрузил фрагмент Бетховена, но ничто не мешает вам делать аналогичные вещи с физическим осциллографом, подключенным к Hi-Fi (или приложением на вашем телефоне). .

Как работает осциллограф

Традиционный осциллограф работает почти так же, как традиционное (с электронно-лучевой трубкой) телевидение; действительно, вы иногда увидите осциллографы, называемые электронно-лучевыми осциллографами или CRO.В телевизоре электронные лучи заставляются сканировать вперед и назад через экран с покрытием на спине специальными химическими веществами, называемыми люминофором. Каждый раз Луч попадает на экран, от него загораются люминофоры. За меньшее время чем нужно моргнуть, электронные лучи проходят через весь экран и создайте картинку, которую вы можете видеть. Затем они это делают все сначала. И опять. И опять. Итак, вы видите движущееся изображение вместо неподвижного. (Взгляните на нашу телевизионную статью, чтобы увидеть диаграмму, показывающую Вы, как все это работает на практике.) В осциллографе электрон лучи работают точно так же, но вместо построения изображения они рисуют граф. Когда вы смотрите на линию на экране осциллографа, что вы на самом деле это электронный луч, качающийся вверх и вниз!

Вот что нужно отметить: электрические сигналы, поступающие в соединения x и y, эффективно становятся значениями x и y на вашей экранной диаграмме. Поскольку есть индивидуальный соответствие между этими двумя вещами, традиционный осциллограф аналоговое устройство.(Другой способ смотреть это значит, что след на экране — это аналог того, что вы изучения или измерения.)

Фотография: осциллограф рисует кривую (график) некоторой величины (нанесенной на ось y), которая изменяется со временем (нанесена на ось x). Один из распространенных паттернов, который вы увидите, — это плавно волнистая, змееподобная восходящая и нисходящая линия, которая называется синусоидальной волной или синусоидальной волной (зеленая верхняя линия). Другой довольно распространенный паттерн — это пилообразная волна (синяя ступенчатая кривая, показанная под синусоидой).Это демонстрационный снимок экрана с Oscium, подключаемого осциллографа, который воспроизводит некоторые функции традиционного осциллографа на вашем смартфоне или планшете.

Графики электронные

Как на самом деле осциллограф рисует кривую? Представьте, что вы осциллограф! Представьте, что вы держите карандаш в руке в нулевой точке на кусочке. миллиметровой бумаги. Теперь предположим, что ваша рука привязана к двум электродвигатели, один из которых может перемещать его на точное количество по вертикали (y) направление (то есть вверх и вниз по странице), а другой может переместите его в горизонтальном (x) направлении (поперек страницы из стороны в боковая сторона).Двигатели подключены к электронной схеме, которая может дискретизировать сигналы разных типов.

Для начала предположим, что мы подключить x-цепь к электронному кварцу Часы. Каждый раз часы тикают, он посылает сигнал на двигатель x, который перемещает вашу руку немного правее. Итак, в течение нескольких секунд ваша рука постепенно перемещается вправо, рисуя горизонтальную линию по мере продвижения. Теперь предположим, что мы подключили Y-цепь к какой-то электронной прибор, определяющий сердцебиение человека.Если схемы x и y связаны одновременно, ваша рука будет перемещаться по странице, как и прежде, но подпрыгивайте вертикально каждый раз, когда сердце бьется, рисуя классический след сердцебиения, который вы видите в сериалах о больницах. Замените карандаш и миллиметровку электронным луч и экран телевизора, и вы можете точно увидеть, как осциллограф рисует его следы. Каждый раз, когда сигнал проходит через цепь y, электронный луч подпрыгивает. Все это время сигнал времени подает кривая перемещается слева направо по горизонтальной оси (x).

Иллюстрация: Как осциллограф рисует синусоидальную волну. 1) Внутри электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) электронная пушка (желтая) выпускает пучок электронов (зеленые точки) в направлении люминофорного экрана. 2) При отсутствии сигнала, подключенного к осциллографу, схема синхронизации питает катушки электромагнита (синие), которые заставляют электронный луч медленно перемещаться по экрану слева направо (эффективно запитывая ось x графика). 3) Когда вы подаете волнообразный сигнал (оранжевый) на щупы осциллографа, другая схема питает перпендикулярную пару катушек (красный), которые заставляют луч качать вверх и вниз.4) Действуя вместе, катушки заставляют электронные лучи перемещаться по восходящей и нисходящей, извивающейся дорожке (синусоидальная волна).

Как пользоваться осциллографом?

Все просто! Вы подключаете сигнал, который хотите изучить, к y-схему и используйте x-схему (иногда называемую временной разверткой), чтобы изучите, как сигнал меняется со временем. В качестве альтернативы вы можете подключить второй сигнал для x-цепи, а затем изучите, как y и x сигналы меняются вместе. Когда осциллограф включен и подключен в сигнал вы увидите след, образующийся на фоне экранная «миллиметровка» (известная как сетка, отмечены квадратами, называемыми делениями).

Если след слишком мал для правильного отображения, необходимо отрегулировать калибровка осей x и y — как при использовании другого размера масштабировать, когда вы рисуете диаграмму на бумаге. Если вы включите Контроль времени / деления (часто обозначается как Time / Div или Secs / Div), вы изменяете каждое деление экрана по оси X поэтому входящему сигналу требуется больше времени для прохождения. Например, если сердцебиение делает пульс каждую секунду и экран настроен до одной секунды на деление, вы получите пульс, появляющийся на каждом деление (линия) экрана.Если вы включите время / деление так что он установлен на 0,5 секунды на деление, импульсы будут распространяться на вдвое больше горизонтальной комнаты (потому что одна секунда времени сейчас представлен двумя делениями экрана). Вы можете настроить ось Y таким же образом (часто обозначается как «Вольт / деление» или «Вольт / деление»). Как правило, идея состоит в том, чтобы растянуть след и заполнить весь экран, чтобы вы могли использовать сетку для точных измерений.

Типы осциллографов

CRO и ЖК-дисплей

Фото: Типичный полноразмерный цифровой осциллограф.фото Брайан Рид любезно предоставил ВМС США.

Как мы уже видели, осциллографы изначально основывались на электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), которые относительно громоздкие, тяжелые, энергоемкий, ненадежный и дорогой. Так же, как у ЭЛТ-телевизоров сейчас во многом заменен на более удобный LCD технологии, поэтому многие осциллографы с ЭЛТ были заменены плоскими ЖК-экранами. Вместо использования движущихся электронных лучей для рисования следов ЖК-дисплей осциллографы используют цифровую электронику, чтобы нарисовать кривую вместо этого — эффективно имитируя то, что происходит со старшими технология.ЖК-осциллографы, как правило, намного дешевле и дороже. компактные: их можно положить даже в карман!

Фото: Цифровые осциллографы намного меньше и портативнее, чем старомодные аналоговые. Это портативный осциллограф Fluke, который используется для проверки сигналы связи в стойке с электронным оборудованием сзади. Фото Эндрю Ли любезно предоставлено ВВС США.

В отличие от традиционных осциллографов, в которых используются полностью аналоговые технологии (отображение различных сигналов на экране, которые точно соответствуют к сигналам, которые вы в них подаете), ЖК-осциллографы обычно цифровой: они используют аналого-цифровые преобразователи для включения входящих (аналоговые) сигналы в числовую (цифровую) форму, а затем вместо этого выводят эти числа на экран.

Осциллографы с подключаемым модулем

(USB)

Поскольку на вашем компьютере, планшете или смартфоне уже есть ЭЛТ- или ЖК-дисплей, нет необходимости не покупайте осциллограф для случайного использования в хобби. Такие компании, как Cleverscope, продают недорогие съемные осциллографы. (с USB-разъемами или эквивалентными выводами для мобильных устройств), которые имитируют схему в традиционном осциллографе и отображают кривую на вашем ПК или экране мобильного телефона. Как это удобно!

Приложения осциллографа

Поищите в своем любимом магазине приложений, и вы найдете немало совпадений по запросу «осциллограф», начиная от простых демонстрация трасс сигнала вплоть до полнофункциональных осциллографов, принимающих сигналы от подключаемых пробников.Основные приложения использовать микрофон как источник очень грубого сигнала. С помощью переходного кабеля USB для вашего мобильного телефона и вставного зонда, Ваш мобильный телефон мгновенно превращается в карманный осциллограф! Oscium производит самые известные съемные пробники осциллографов для iPhone / iPod Touch и Android, и, несомненно, они доступны и от других производителей.

Фото: вот скриншоты двух типичных приложений осциллографа. 1) Очень простое приложение Oscillo (доступное в обычных магазинах приложений) рисует простой график амплитуды любого звукового сигнала, который в настоящее время подается через микрофон вашего мобильного устройства.Это отличный способ продемонстрировать детям, как звуки разного тона и высоты создают волны разной формы. Здесь я напеваю один тон в свой мобильный телефон, чтобы сгенерировать приблизительную синусоидальную волну — и я могу изменять громкость и высоту звука и наблюдать, что происходит со следом, когда я это делаю. Что произойдет, если я свистну, напеваю или пытаюсь сделать свой голос похожим на трубу или флейту? Это отличное введение в осциллографы и гораздо более интересный интерактивный способ изучения волн, чем вы найдете в традиционных научных книгах.2) Немного более сложное приложение Sound Oscilloscope (от Denis Bolshoiden для Android) может рисовать ту же амплитудную кривую или, альтернативно (как показано здесь), частотную характеристику (FFT) звукового сигнала с вашего микрофона, что добавляет дополнительное измерение. к деятельности.

Как работают осциллографы — объясните, что такое

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 29 ноября 2020 г.

Blip … blip … blip … blip … woooooooooooooooo …. «Быстро медсестра, она разбилась… весла! »Никакая телевизионная больничная драма не быть полным без взгляда и звука кардиомонитора со стороны у постели больного. Мы все видели эти ярко освещенные следы прыгает вверх и вниз — но вы когда-нибудь задумывались, как именно они работают? Подобные кардиомониторы основаны на чем-то вроде электронного машина для рисования графиков, называемая осциллографом, которая очень похожа на старомодный телевизор. Давайте подробнее рассмотрим эти удобные инструменты и узнайте, как они работают!

Фото: Взрыв из прошлого! Представьте, что вы пытаетесь построить компактный осциллограф до того, как миниатюрные электронные компоненты были легко доступны.Это была проблема, которую ученые из Национального Бюро стандартов и Бюро аэронавтики ВМС США (BuAer) столкнулись еще в 1950-х годах до того, как они могли заполучить транзисторы. То, что они придумали, — это удивительно компактный прибор, Субминиатюрный радарный индикатор-осциллограф, который был выпущен в 1954–1956 годах. Фото любезно предоставлено Национальным институтом стандартов и технологий цифровых коллекций, Гейтерсбург, Мэриленд 20899.

Что такое осциллограф?

Фото: Типичная диаграмма / график.Это показывает устойчивый рост электронной коммерции в последние годы. Ось X (время) проходит горизонтально по странице; ось Y (доход) проходит вертикально вверх по странице. Предоставлено Бюро переписи населения США.

Вы почти наверняка рисовали диаграммы в школе и видели их в газеты. Многие из них показывают, как определенное количество чего-то (например, пульс, цена акций корпорации или обменный курс страны) меняется со временем: у них есть количество нанесен в вертикальном направлении (известном как ось Y) и период времени, нанесенный в горизонтальном направлении (ось x).Проблема с такими диаграммами в том, что на их создание могут уйти годы. сюжет — если, конечно, вы не осциллограф! Это удобный маленький гаджет, который автоматически рисует диаграммы, используя сигналы, которые вы ему подаете. зонды, подключенные к электронной схеме, научному прибору, или часть медицинского оборудования для наблюдения.

Для чего можно использовать осциллографы?

Фото: Электрик ВМС США использует осциллограф для проверки работоспособности электродвигатель на борту авианосца.Фото Паоло Баяса любезно предоставлено ВМС США.

Мы можем использовать осциллографы для просмотра всех видов сигналов во всех виды способов. Если вы когда-нибудь изучаете электронику, вы будете использовать осциллографы, чтобы наблюдать за изменением сигналов в цепях с течением времени; ты также могут найти неисправности в сломанных телевизорах, радиоприемниках и т. д. виды аналогичного оборудования. Пробники на типичном осциллографе позволяют вы подаете электрический ток через коаксиальные кабели, но это не значит, что осциллограф может измерять только электричество.Подключите преобразователь (который преобразует один вид энергии в другой), и вы можете использовать осциллограф для измерения практически всего. Например, вы можете использовать микрофон (тип преобразователя, который преобразует звуковую энергию в электрический сигнал) для изучения звука сигналы с осциллографа; вы можете использовать термопару ( преобразователь, преобразующий тепло в электричество) для измерения температуры изменения; или вы можете использовать пьезоэлектрический преобразователь (который генерирует электричество, когда вы его сжимаете) для изучения вибраций, таких как сердцебиение человека.

Одна из действительно полезных особенностей осциллографов — это то, как они превращают невидимые сигналы в то, что мы можем видеть и понимать. Так, например, вы не можете слышать ультразвук — звук за пределами диапазона человеческого слуха — по определению. Но вы можете очень легко увидеть и изучить его с помощью осциллографа. Точно так же осциллографы предоставляют людям с нарушениями слуха очень полезный способ видеть и изучать звуки. они могут быть не в состоянии оценить другими способами.

Фото: Сделать звук видимым.Вы можете использовать осциллографы как звуковые «визуализаторы». Фактически, это след от компьютерного визуализатора, в который я загрузил фрагмент Бетховена, но ничто не мешает вам делать аналогичные вещи с физическим осциллографом, подключенным к Hi-Fi (или приложением на вашем телефоне). .

Как работает осциллограф

Традиционный осциллограф работает почти так же, как традиционное (с электронно-лучевой трубкой) телевидение; действительно, вы иногда увидите осциллографы, называемые электронно-лучевыми осциллографами или CRO.В телевизоре электронные лучи заставляются сканировать вперед и назад через экран с покрытием на спине специальными химическими веществами, называемыми люминофором. Каждый раз Луч попадает на экран, от него загораются люминофоры. За меньшее время чем нужно моргнуть, электронные лучи проходят через весь экран и создайте картинку, которую вы можете видеть. Затем они это делают все сначала. И опять. И опять. Итак, вы видите движущееся изображение вместо неподвижного. (Взгляните на нашу телевизионную статью, чтобы увидеть диаграмму, показывающую Вы, как все это работает на практике.) В осциллографе электрон лучи работают точно так же, но вместо построения изображения они рисуют граф. Когда вы смотрите на линию на экране осциллографа, что вы на самом деле это электронный луч, качающийся вверх и вниз!

Вот что нужно отметить: электрические сигналы, поступающие в соединения x и y, эффективно становятся значениями x и y на вашей экранной диаграмме. Поскольку есть индивидуальный соответствие между этими двумя вещами, традиционный осциллограф аналоговое устройство.(Другой способ смотреть это значит, что след на экране — это аналог того, что вы изучения или измерения.)

Фотография: осциллограф рисует кривую (график) некоторой величины (нанесенной на ось y), которая изменяется со временем (нанесена на ось x). Один из распространенных паттернов, который вы увидите, — это плавно волнистая, змееподобная восходящая и нисходящая линия, которая называется синусоидальной волной или синусоидальной волной (зеленая верхняя линия). Другой довольно распространенный паттерн — это пилообразная волна (синяя ступенчатая кривая, показанная под синусоидой).Это демонстрационный снимок экрана с Oscium, подключаемого осциллографа, который воспроизводит некоторые функции традиционного осциллографа на вашем смартфоне или планшете.

Графики электронные

Как на самом деле осциллограф рисует кривую? Представьте, что вы осциллограф! Представьте, что вы держите карандаш в руке в нулевой точке на кусочке. миллиметровой бумаги. Теперь предположим, что ваша рука привязана к двум электродвигатели, один из которых может перемещать его на точное количество по вертикали (y) направление (то есть вверх и вниз по странице), а другой может переместите его в горизонтальном (x) направлении (поперек страницы из стороны в боковая сторона).Двигатели подключены к электронной схеме, которая может дискретизировать сигналы разных типов.

Для начала предположим, что мы подключить x-цепь к электронному кварцу Часы. Каждый раз часы тикают, он посылает сигнал на двигатель x, который перемещает вашу руку немного правее. Итак, в течение нескольких секунд ваша рука постепенно перемещается вправо, рисуя горизонтальную линию по мере продвижения. Теперь предположим, что мы подключили Y-цепь к какой-то электронной прибор, определяющий сердцебиение человека.Если схемы x и y связаны одновременно, ваша рука будет перемещаться по странице, как и прежде, но подпрыгивайте вертикально каждый раз, когда сердце бьется, рисуя классический след сердцебиения, который вы видите в сериалах о больницах. Замените карандаш и миллиметровку электронным луч и экран телевизора, и вы можете точно увидеть, как осциллограф рисует его следы. Каждый раз, когда сигнал проходит через цепь y, электронный луч подпрыгивает. Все это время сигнал времени подает кривая перемещается слева направо по горизонтальной оси (x).

Иллюстрация: Как осциллограф рисует синусоидальную волну. 1) Внутри электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) электронная пушка (желтая) выпускает пучок электронов (зеленые точки) в направлении люминофорного экрана. 2) При отсутствии сигнала, подключенного к осциллографу, схема синхронизации питает катушки электромагнита (синие), которые заставляют электронный луч медленно перемещаться по экрану слева направо (эффективно запитывая ось x графика). 3) Когда вы подаете волнообразный сигнал (оранжевый) на щупы осциллографа, другая схема питает перпендикулярную пару катушек (красный), которые заставляют луч качать вверх и вниз.4) Действуя вместе, катушки заставляют электронные лучи перемещаться по восходящей и нисходящей, извивающейся дорожке (синусоидальная волна).

Как пользоваться осциллографом?

Все просто! Вы подключаете сигнал, который хотите изучить, к y-схему и используйте x-схему (иногда называемую временной разверткой), чтобы изучите, как сигнал меняется со временем. В качестве альтернативы вы можете подключить второй сигнал для x-цепи, а затем изучите, как y и x сигналы меняются вместе. Когда осциллограф включен и подключен в сигнал вы увидите след, образующийся на фоне экранная «миллиметровка» (известная как сетка, отмечены квадратами, называемыми делениями).

Если след слишком мал для правильного отображения, необходимо отрегулировать калибровка осей x и y — как при использовании другого размера масштабировать, когда вы рисуете диаграмму на бумаге. Если вы включите Контроль времени / деления (часто обозначается как Time / Div или Secs / Div), вы изменяете каждое деление экрана по оси X поэтому входящему сигналу требуется больше времени для прохождения. Например, если сердцебиение делает пульс каждую секунду и экран настроен до одной секунды на деление, вы получите пульс, появляющийся на каждом деление (линия) экрана.Если вы включите время / деление так что он установлен на 0,5 секунды на деление, импульсы будут распространяться на вдвое больше горизонтальной комнаты (потому что одна секунда времени сейчас представлен двумя делениями экрана). Вы можете настроить ось Y таким же образом (часто обозначается как «Вольт / деление» или «Вольт / деление»). Как правило, идея состоит в том, чтобы растянуть след и заполнить весь экран, чтобы вы могли использовать сетку для точных измерений.

Типы осциллографов

CRO и ЖК-дисплей

Фото: Типичный полноразмерный цифровой осциллограф.фото Брайан Рид любезно предоставил ВМС США.

Как мы уже видели, осциллографы изначально основывались на электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), которые относительно громоздкие, тяжелые, энергоемкий, ненадежный и дорогой. Так же, как у ЭЛТ-телевизоров сейчас во многом заменен на более удобный LCD технологии, поэтому многие осциллографы с ЭЛТ были заменены плоскими ЖК-экранами. Вместо использования движущихся электронных лучей для рисования следов ЖК-дисплей осциллографы используют цифровую электронику, чтобы нарисовать кривую вместо этого — эффективно имитируя то, что происходит со старшими технология.ЖК-осциллографы, как правило, намного дешевле и дороже. компактные: их можно положить даже в карман!

Фото: Цифровые осциллографы намного меньше и портативнее, чем старомодные аналоговые. Это портативный осциллограф Fluke, который используется для проверки сигналы связи в стойке с электронным оборудованием сзади. Фото Эндрю Ли любезно предоставлено ВВС США.

В отличие от традиционных осциллографов, в которых используются полностью аналоговые технологии (отображение различных сигналов на экране, которые точно соответствуют к сигналам, которые вы в них подаете), ЖК-осциллографы обычно цифровой: они используют аналого-цифровые преобразователи для включения входящих (аналоговые) сигналы в числовую (цифровую) форму, а затем вместо этого выводят эти числа на экран.

Осциллографы с подключаемым модулем

(USB)

Поскольку на вашем компьютере, планшете или смартфоне уже есть ЭЛТ- или ЖК-дисплей, нет необходимости не покупайте осциллограф для случайного использования в хобби. Такие компании, как Cleverscope, продают недорогие съемные осциллографы. (с USB-разъемами или эквивалентными выводами для мобильных устройств), которые имитируют схему в традиционном осциллографе и отображают кривую на вашем ПК или экране мобильного телефона. Как это удобно!

Приложения осциллографа

Поищите в своем любимом магазине приложений, и вы найдете немало совпадений по запросу «осциллограф», начиная от простых демонстрация трасс сигнала вплоть до полнофункциональных осциллографов, принимающих сигналы от подключаемых пробников.Основные приложения использовать микрофон как источник очень грубого сигнала. С помощью переходного кабеля USB для вашего мобильного телефона и вставного зонда, Ваш мобильный телефон мгновенно превращается в карманный осциллограф! Oscium производит самые известные съемные пробники осциллографов для iPhone / iPod Touch и Android, и, несомненно, они доступны и от других производителей.

Фото: вот скриншоты двух типичных приложений осциллографа. 1) Очень простое приложение Oscillo (доступное в обычных магазинах приложений) рисует простой график амплитуды любого звукового сигнала, который в настоящее время подается через микрофон вашего мобильного устройства.Это отличный способ продемонстрировать детям, как звуки разного тона и высоты создают волны разной формы. Здесь я напеваю один тон в свой мобильный телефон, чтобы сгенерировать приблизительную синусоидальную волну — и я могу изменять громкость и высоту звука и наблюдать, что происходит со следом, когда я это делаю. Что произойдет, если я свистну, напеваю или пытаюсь сделать свой голос похожим на трубу или флейту? Это отличное введение в осциллографы и гораздо более интересный интерактивный способ изучения волн, чем вы найдете в традиционных научных книгах.2) Немного более сложное приложение Sound Oscilloscope (от Denis Bolshoiden для Android) может рисовать ту же амплитудную кривую или, альтернативно (как показано здесь), частотную характеристику (FFT) звукового сигнала с вашего микрофона, что добавляет дополнительное измерение. к деятельности.

Как пользоваться осциллографом

Введение

Вы когда-нибудь обнаруживали, что при поиске неисправностей в цепи вам требуется больше информации, чем может предоставить простой мультиметр? Если вам нужно получить такую ​​информацию, как частота, шум, амплитуда или любые другие характеристики, которые могут измениться со временем, вам понадобится осциллограф!

О-образные диафрагмы

— важный инструмент в лаборатории любого инженера-электрика.Они позволяют видеть электрические сигналы , поскольку они меняются с течением времени, что может иметь решающее значение для диагностики, почему ваша схема таймера 555 не мигает правильно или почему ваш генератор шума не достигает максимальных уровней раздражения.

Цифровое аналоговое открытие 2

В наличии TOL-13929

Digilent Analog Discovery 2 — это USB-осциллограф и многофункциональный прибор, который позволяет пользователям измерять, контролировать…

14

HAMlab — 160-6 10 Вт

Осталось всего 3! WRL-15001

HAMlab — это полнофункциональный SDR-трансивер с диапазоном 160-10 м и выходной мощностью 10 Вт, построенный на платформе STEMlab…

рассматривается в этом учебном пособии

Целью данного руководства является ознакомление с концепциями, терминологией и системами управления осциллографов.Он разбит на следующие разделы:

• Основы O-Scopes — Введение в осциллографы, что они измеряют и почему мы их используем.
• Oscilloscope Lexicon — Глоссарий, охватывающий некоторые из наиболее распространенных характеристик осциллографов.
• Анатомия осциллографа — Обзор наиболее важных систем осциллографа — экрана, элементов управления по горизонтали и вертикали, триггеров и пробников.
• Использование осциллографа — Советы и рекомендации для тех, кто впервые использует осциллограф.

Мы будем использовать Gratten GA1102CAL — удобный цифровой осциллограф среднего уровня — в качестве основы для обсуждения осциллографа. Другие o-области могут выглядеть иначе, но все они должны иметь одинаковый набор механизмов управления и интерфейса.

Рекомендуемая литература

Прежде чем продолжить изучение этого руководства, вы должны быть знакомы с приведенными ниже концепциями. Ознакомьтесь с руководством, если хотите узнать больше!

Видео

---

Основы O-Scopes

Основное назначение осциллографа — графическое отображение электрического сигнала, изменяющегося во времени .Большинство осциллографов создают двумерный график с временем по оси x и напряжением по оси y .

Пример дисплея осциллографа. Сигнал (в данном случае желтая синусоида) отображается на горизонтальной оси времени и вертикальной оси напряжения.

Элементы управления, окружающие экран осциллографа, позволяют регулировать масштаб графика как по вертикали, так и по горизонтали, что позволяет увеличивать и уменьшать масштаб сигнала.Также есть элементы управления для установки триггера на прицеле, который помогает сфокусировать и стабилизировать изображение.

Что могут измерить прицелы

В дополнение к этим основным функциям многие осциллографы имеют инструменты измерения, которые помогают быстро определять частоту, амплитуду и другие характеристики формы сигнала. Как правило, осциллограф может измерять характеристики как по времени, так и по напряжению:

• Временные характеристики :
  • Частота и период — Частота определяется как количество повторений сигнала в секунду.И период является обратной величиной (количество секунд, которое занимает каждый повторяющийся сигнал). Максимальная частота, которую может измерить осциллограф, варьируется, но часто она находится в диапазоне 100 МГц (1E6 Гц).
  • Рабочий цикл — Процент периода, в течение которого волна является либо положительной, либо отрицательной (есть как положительные, так и отрицательные рабочие циклы). Рабочий цикл — это соотношение, которое показывает, как долго сигнал «включен» по сравнению с тем, как долго он «выключен» в каждом периоде.
  • Время нарастания и спада — Сигналы не могут мгновенно переходить от 0 В до 5 В, они должны плавно нарастать.Продолжительность волны, идущей от нижней точки к верхней точке, называется временем нарастания, а время спада измеряет обратное. Эти характеристики важны при рассмотрении того, насколько быстро цепь может реагировать на сигналы.
• Характеристики напряжения :
  • Амплитуда — Амплитуда — это мера величины сигнала. Существует множество измерений амплитуды, включая размах амплитуды, который измеряет абсолютную разницу между точкой высокого и низкого напряжения сигнала.С другой стороны, пиковая амплитуда измеряет только то, насколько высокий или низкий сигнал превышает 0 В.
  • Максимальное и минимальное напряжение — осциллограф может точно сказать вам, насколько высоким и низким становится напряжение вашего сигнала.
  • Среднее и среднее напряжение — Осциллографы могут вычислять среднее или среднее значение вашего сигнала, а также могут сообщать вам среднее значение минимального и максимального напряжения вашего сигнала.

Когда использовать O-Scope

o-scope полезен в различных ситуациях поиска и устранения неисправностей, в том числе:

• Определение частоты и амплитуды сигнала, которые могут иметь решающее значение при отладке входа, выхода схемы или внутренних систем.Исходя из этого, вы можете определить, неисправен ли какой-либо компонент в вашей цепи.
• Определение уровня шума в вашей цепи.
• Определение формы волны — синус, квадрат, треугольник, пилообразная, сложная и т. Д.
• Количественное определение разности фаз между двумя разными сигналами.

---

Осциллограф Lexicon

Научиться пользоваться осциллографом — значит познакомиться с целым словарем терминов.На этой странице мы познакомим вас с некоторыми важными модными словечками o-scope, с которыми вам следует ознакомиться, прежде чем включать его.

Основные характеристики осциллографа

Некоторые прицелы лучше других. Эти характеристики помогают определить, насколько хорошо вы можете ожидать от прицела:

• Полоса пропускания — Осциллографы чаще всего используются для измерения сигналов определенной частоты. Однако ни один прицел не идеален: у всех есть пределы того, насколько быстро они могут видеть изменение сигнала.Полоса пропускания осциллографа определяет диапазон частот , который он может надежно измерить.
• Сравнение цифровых и аналоговых — Как и большинство всего электронного, осциллографы могут быть аналоговыми или цифровыми. Аналоговые осциллографы используют электронный луч для прямого отображения входного напряжения на дисплей. Цифровые осциллографы включают микроконтроллеры, которые дискретизируют входной сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя и отображают это показание на дисплее. Как правило, аналоговые осциллографы старше, имеют меньшую полосу пропускания и меньше функций, но они могут иметь более быстрый отклик (и выглядеть намного круче).
• Количество каналов — Многие осциллографы могут считывать более одного сигнала одновременно, отображая их все на экране одновременно. Каждый сигнал, считанный осциллографом, подается в отдельный канал. Очень распространены осциллографы от двух до четырех каналов.
• Частота дискретизации — Эта характеристика уникальна для цифровых осциллографов, она определяет, сколько раз в секунду считывается сигнал. Для осциллографов с более чем одним каналом это значение может уменьшиться, если используется несколько каналов.
• Время нарастания — Указанное время нарастания осциллографа определяет самый быстрый нарастающий импульс, который он может измерить. Время нарастания осциллографа очень тесно связано с полосой пропускания. Его можно рассчитать как Время нарастания = 0,35 / Пропускная способность .
• Максимальное входное напряжение — Каждая электроника имеет свои пределы, когда дело касается высокого напряжения. Все осциллографы должны быть рассчитаны на максимальное входное напряжение. Если ваш сигнал превышает это напряжение, есть большая вероятность, что прицел будет поврежден.
• Разрешение — Разрешение осциллографа показывает, насколько точно он может измерять входное напряжение. Это значение может изменяться при настройке вертикального масштаба.
• Вертикальная чувствительность — Это значение представляет минимальное и максимальное значения вертикальной шкалы напряжения. Это значение указано в вольтах на деление.
• Временная база — Временная база обычно указывает диапазон чувствительности на горизонтальной оси времени. Это значение указывается в секундах на каждый div.
• Входное сопротивление — Когда частота сигнала становится очень высокой, даже небольшой импеданс (сопротивление, емкость или индуктивность), добавленный к цепи, может повлиять на сигнал. Каждый осциллограф добавляет к цепи, которую он считывает, определенное сопротивление, называемое входным сопротивлением. Входные импедансы обычно представлены в виде большого резистивного сопротивления (> 1 МОм), подключенного параллельно (||), с малой емкостью (в диапазоне пФ). Влияние входного импеданса более очевидно при измерении очень высокочастотных сигналов, и пробник, который вы используете, может помочь его компенсировать.

Используя GA1102CAL в качестве примера, вот характеристики, которые можно ожидать от прицела среднего класса:

90 — 50 с / 2 с

Характеристика	Значение
Полоса пропускания	100 МГц
Частота дискретизации	1 Гвыб / с (1E9 выборок в секунду)
Время нарастания канала		9066
Максимальное входное напряжение	400 В
Разрешение	8 бит
Вертикальная чувствительность	2 мВ / дел — 5 В / дел
Временная развертка
Входное сопротивление	1 МОм ± 3% || 16 пФ ± 3 пФ

Понимая эти характеристики, вы сможете выбрать осциллограф, который наилучшим образом соответствует вашим потребностям.Но вам все равно нужно знать, как им пользоваться … на следующей странице!

---

Анатомия O-Scope

Хотя никакие осциллографы не создаются абсолютно равными, все они должны иметь некоторые общие черты, которые заставляют их функционировать одинаково. На этой странице мы обсудим несколько наиболее распространенных систем осциллографов: дисплей, горизонтальную, вертикальную, триггерный и входные.

Дисплей

Осциллограф бесполезен, если он не может отображать информацию, которую вы пытаетесь проверить, что делает дисплей одним из наиболее важных разделов осциллографа.

Каждый дисплей осциллографа должен быть пересечен горизонтальными и вертикальными линиями, называемыми делениями . Масштаб этих делений изменен с помощью горизонтальной и вертикальной систем. Вертикальная система измеряется в «вольтах на деление», а горизонтальная — в «секундах на деление». Как правило, прицелы имеют 8-10 делений по вертикали (напряжение) и 10-14 делений по горизонтали (секунд).

Старые осциллографы (особенно аналоговые) обычно имеют простой монохромный дисплей, хотя интенсивность волны может варьироваться.Более современные осциллографы оснащены многоцветными ЖК-экранами, которые очень помогают отображать более одной формы сигнала за раз.

Многие дисплеи осциллографа расположены рядом с набором из пяти кнопок — сбоку или под дисплеем. Эти кнопки могут использоваться для навигации по меню и управления настройками осциллографа.

Вертикальная система

Вертикальная секция осциллографа управляет шкалой напряжения на дисплее. В этом разделе традиционно есть две ручки, которые позволяют индивидуально управлять вертикальным положением и вольт / дел.

Более критичная ручка вольт на деление позволяет установить вертикальный масштаб на экране. Вращение ручки по часовой стрелке уменьшает масштаб, а против часовой стрелки — увеличивает. Меньший масштаб — меньшее количество вольт на деление экрана — означает, что вы в большей степени «увеличиваете масштаб» формы сигнала.

Дисплей GA1102, например, имеет 8 делений по вертикали, а ручка вольт / дел может выбирать шкалу от 2 мВ / дел до 5 В / дел. Таким образом, при полном увеличении до 2 мВ / дел на дисплее может отображаться осциллограмма 16 мВ сверху вниз.Полностью уменьшенный, осциллограф может отображать сигнал в диапазоне более 40 В. (Зонд, как мы обсудим ниже, может еще больше увеличить этот диапазон.)

Положение Ручка управляет вертикальным смещением формы сигнала на экране. Поверните ручку по часовой стрелке, и волна будет двигаться вниз, против часовой стрелки — вверх по дисплею. Вы можете использовать ручку положения, чтобы сместить часть сигнала за пределы экрана.

Используя одновременно ручки положения и вольт / деления, вы можете увеличить только крошечную часть сигнала, которая вас больше всего волнует.Если у вас есть прямоугольный сигнал 5 В, но вы заботитесь только о том, насколько он звенит по краям, вы можете увеличить нарастающий фронт, используя обе ручки.

Горизонтальная система

Горизонтальная часть осциллографа управляет шкалой времени на экране. Как и в вертикальной системе, горизонтальный элемент управления дает вам две ручки: положение и секунды / дел.

Регулятор секунд на деление (с / дел) вращается для увеличения или уменьшения горизонтального масштаба.Если вы повернете ручку s / div по часовой стрелке, количество секунд, которое представляет каждое деление, уменьшится — вы «увеличите масштаб» временной шкалы. Поверните против часовой стрелки, чтобы увеличить шкалу времени и показать на экране большее количество времени.

Если снова использовать GA1102 в качестве примера, дисплей имеет 14 горизонтальных делений и может отображать от 2 нс до 50 с на деление. Таким образом, при полном увеличении по горизонтали осциллограф может отображать 28 нс формы волны, а при увеличении масштаба он может отображать сигнал, когда он изменяется в течение 700 секунд.

Регулятор положения может перемещать форму сигнала вправо или влево от дисплея, регулируя горизонтальное смещение .

Используя горизонтальную систему, вы можете настроить , сколько периодов сигнала вы хотите видеть. Вы можете уменьшить масштаб и показать несколько пиков и впадин сигнала:

Или вы можете увеличить масштаб и использовать ручку положения, чтобы показать только крошечную часть волны:

Система запуска

Раздел запуска посвящен стабилизации и фокусировке осциллографа.Триггер сообщает осциллографу, какие части сигнала «запускать» и начинать измерение. Если ваша форма волны периодическая , триггером можно управлять, чтобы дисплей оставался статичным и устойчивым. Плохо инициированная волна будет производить такие широкие волны, как это:

, вызывающие судороги.

Секция триггера осциллографа обычно состоит из ручки уровня и набора кнопок для выбора источника и типа триггера. Регулятор уровня можно повернуть, чтобы установить триггер на определенную точку напряжения.

Ряд кнопок и экранных меню составляют остальную часть триггерной системы. Их основное назначение — выбор источника и режима запуска. Существует множество типов триггера , которые управляют тем, как триггер активируется:

• Спусковой механизм edge — это самая простая форма спускового крючка. Он заставит осциллограф начать измерение, когда напряжение сигнала перейдет на определенный уровень. Триггер по фронту может быть настроен на захват нарастающего или спадающего фронта (или обоих).
• Триггер импульса сообщает осциллографу ввести заданный «импульс» напряжения. Вы можете указать длительность и направление импульса. Например, это может быть крошечный скачок 0 В -> 5 В -> 0 В, или это может быть секундный провал с 5 В на 0 В, обратно на 5 В.
• Триггер с наклоном может быть настроен для запуска осциллографа по положительному или отрицательному наклону в течение определенного периода времени.
• Существуют более сложные триггеры, позволяющие сосредоточиться на стандартизированных формах сигналов, передающих видеоданные, например, NTSC или PAL .Эти волны используют уникальный шаблон синхронизации в начале каждого кадра.

Обычно вы также можете выбрать режим запуска , который, по сути, сообщает осциллографу, насколько сильно вы относитесь к триггеру. В автоматическом режиме запуска осциллограф может попытаться нарисовать сигнал, даже если он не запускается. Нормальный режим будет рисовать вашу волну только в том случае, если она видит указанный триггер. И single mode ищет указанный вами триггер, когда он его видит, он рисует вашу волну, а затем останавливается.

Зонды

Осциллограф хорош только в том случае, если вы действительно можете подключить его к сигналу, а для этого вам нужны пробники. Зонды — это устройства с одним входом, которые направляют сигнал от вашей схемы к осциллографу. У них есть острый наконечник , который исследует точку на вашей цепи. Наконечник также может быть оснащен крючками, пинцетом или зажимами, чтобы упростить фиксацию на цепи. Каждый пробник также включает зажим заземления , который следует надежно прикрепить к общей точке заземления на тестируемой цепи.

Хотя пробники могут показаться простыми устройствами, которые просто подключаются к вашей цепи и передают сигнал в осциллограф, на самом деле существует много вещей, которые нужно учитывать при проектировании и выборе пробников.

В оптимальном случае зонд должен быть невидимым — он не должен влиять на ваш тестируемый сигнал. К сожалению, все длинные провода обладают собственной индуктивностью, емкостью и сопротивлением, поэтому, несмотря ни на что, они будут влиять на показания осциллографа (особенно на высоких частотах).

Существует множество типов пробников, наиболее распространенным из которых является пассивный пробник , входящий в состав большинства прицелов.Большинство «стандартных» пассивных зондов — это аттенуированных . Ослабляющие пробники имеют большое сопротивление, намеренно встроенное и шунтируемое небольшим конденсатором, что помогает минимизировать влияние длинного кабеля на нагрузку вашей цепи. Этот ослабленный пробник, подключенный последовательно к входному сопротивлению осциллографа , будет создавать делитель напряжения между вашим сигналом и входом осциллографа.

Большинство пробников имеют резистор 9 МОм для ослабления, который в сочетании со стандартным входным сопротивлением 1 МОм на осциллографе создает делитель напряжения 1/10.Эти зонды обычно называются 10X аттенуированными зондами . Многие пробники включают переключатель для выбора между 10X и 1X (без затухания).

Аттенуированные пробники отлично подходят для повышения точности на высоких частотах, но они также уменьшат амплитуду вашего сигнала. Если вы пытаетесь измерить сигнал очень низкого напряжения, вам, возможно, придется использовать пробник 1X. Вам также может потребоваться выбрать настройку на вашем осциллографе, чтобы сообщить ему, что вы используете ослабленный зонд, хотя многие осциллографы могут обнаруживать это автоматически.

Помимо пассивного аттенуированного пробника, существует множество других пробников. Активные пробники — это пробники с питанием (для них требуется отдельный источник питания), которые могут усилить ваш сигнал или даже предварительно обработать его, прежде чем он попадет в ваш осциллограф. Хотя большинство пробников предназначены для измерения напряжения, существуют пробники, предназначенные для измерения переменного или постоянного тока. Токовые пробники уникальны, потому что они часто зажимают провод, фактически не контактируя с цепью.

---

Использование осциллографа

Бесконечное разнообразие сигналов означает, что вы никогда не сможете использовать один и тот же осциллограф дважды. Но есть несколько шагов, на выполнение которых вы можете рассчитывать практически каждый раз, когда тестируете схему. На этой странице мы покажем пример сигнала и шаги, необходимые для его измерения.

Выбор и настройка датчика

Во-первых, вам нужно выбрать зонд. Для большинства сигналов простой пассивный пробник , входящий в комплект поставки осциллографа, будет работать идеально.

Затем, прежде чем подключать его к осциллографу, установите ослабление на пробнике. 10X — наиболее распространенный коэффициент затухания — обычно является наиболее всесторонним выбором. Однако, если вы пытаетесь измерить сигнал очень низкого напряжения, вам может потребоваться использовать 1X.

Подсоедините зонд и включите осциллограф

Подключите пробник к первому каналу осциллографа и включите его. Наберитесь здесь терпения, некоторые осциллографы загружаются так же долго, как и старый компьютер.

При загрузке осциллографа вы должны увидеть деления, масштаб и зашумленную ровную линию формы волны.

На экране также должны отображаться ранее установленные значения времени и вольт на деление. Игнорируя пока эти шкалы, внесите эти корректировки, чтобы поместить ваш прицел в стандартную настройку :

• Включите канал 1 и выключите канал 2.
• Установите канал 1 на Соединение по постоянному току .
• Установите источник запуска на канал 1 — без внешнего источника или срабатывания по альтернативному каналу.
• Установите для типа триггера нарастающий фронт, а для режима триггера установите автоматический (в отличие от одиночного).
• Убедитесь, что ослабление пробника осциллографа на вашем прицеле соответствует настройке на вашем пробнике (например, 1X, 10X).

Для получения помощи по настройке этих параметров обратитесь к руководству пользователя осциллографа (например, вот руководство GA1102CAL).

Проверка датчика

Давайте подключим этот канал к значимому сигналу. Большинство осциллографов будут иметь встроенный частотный генератор , который излучает надежную волну заданной частоты — на GA1102CAL в правом нижнем углу передней панели имеется прямоугольный выходной сигнал частотой 1 кГц.Выход генератора частоты имеет два отдельных проводника — один для сигнала и один для заземления. Подключите заземляющий зажим пробника к земле, а наконечник пробника к выходу сигнала.

Как только вы подключите обе части зонда, вы должны увидеть, как сигнал начинает танцевать по вашему экрану. Попробуйте поиграть с помощью системных регуляторов по горизонтали и вертикали , чтобы перемещать осциллограмму по экрану. Поворот регуляторов шкалы по часовой стрелке «увеличивает» осциллограмму, а против часовой стрелки — уменьшает.Вы также можете использовать ручку положения для дальнейшего определения вашего сигнала.

Если ваша волна все еще нестабильна, попробуйте повернуть ручку положения триггера на . Убедитесь, что триггер не выше самого высокого пика сигнала . По умолчанию тип триггера должен быть установлен по фронту, что обычно является хорошим выбором для таких прямоугольных волн.

Попробуйте повозиться с этими ручками, чтобы отобразить на экране один период вашей волны.

Или попробуйте уменьшить масштаб временной шкалы, чтобы отобразить десятки квадратов.

Компенсация ослабленного пробника

Если ваш датчик настроен на 10X, и у вас нет идеально прямоугольной формы волны, как показано выше, вам может потребоваться компенсировать ваш датчик . Большинство пробников имеют утопленную головку винта, которую можно повернуть, чтобы отрегулировать шунтирующую емкость пробника.

Попробуйте использовать небольшую отвертку, чтобы повернуть триммер, и посмотрите, что происходит с осциллограммой.

Отрегулируйте подстроечный колпачок на ручке зонда так, чтобы получился прямоугольный сигнал с прямым краем .Компенсация необходима только в том случае, если ваш зонд ослаблен (например, 10X), и в этом случае это критично (особенно, если вы не знаете, кто использовал ваш прицел последним!).

Советы по измерению, срабатыванию и масштабированию

После того, как вы скомпенсировали зонд, пришло время измерить реальный сигнал! Иди найди источник сигнала (генератор частоты ?, Террор-Мин?) И возвращайся.

Первый ключ к зондированию сигнала — найти прочную и надежную точку заземления . Прикрепите зажим заземления к известному заземлению, иногда вам, возможно, придется использовать небольшой провод для промежуточного звена между зажимом заземления и точкой заземления вашей схемы.Затем подключите наконечник пробника к тестируемому сигналу. Наконечники пробников существуют в различных форм-факторах — подпружиненный зажим, острие, крючки и т. Д. — постарайтесь найти тот, который не требует от вас постоянного удерживания его на месте.

⚡ Внимание! Будьте осторожны при установке заземляющего зажима при проверке неизолированной цепи (например, без батарейного питания или при использовании изолированного источника питания). При проверке цепи, заземленной на сетевую землю, обязательно подключите заземляющий зажим к стороне цепи , подключенной к сетевой земле .Это почти всегда отрицательная сторона / земля цепи, но иногда может быть и другая точка. Если точка, к которой подключен заземляющий зажим, имеет разность потенциалов, вы создадите прямое короткое замыкание и можете повредить вашу схему, осциллограф и, возможно, вас самих! Для дополнительной безопасности при проверке цепей, подключенных к сети, подключайте его к источнику питания через изолирующий трансформатор.

Как только ваш сигнал появится на экране, вы можете начать с настройки горизонтального и вертикального масштабов, по крайней мере, так, чтобы приблизиться к вашему сигналу.Если вы исследуете прямоугольную волну 5 В и 1 кГц, вам, вероятно, понадобится значение вольта на деление где-то около 0,5-1 В и установите секунды / деление примерно на 100 мкс (14 делений покажут примерно полтора периода).

Если часть вашей волны поднимается или опускается на экране, вы можете отрегулировать вертикальное положение , чтобы переместить его вверх или вниз. Если ваш сигнал является чисто постоянным током, вы можете настроить уровень 0 В в нижней части дисплея.

После приблизительной настройки весов для сигнала может потребоваться запуск. Запуск по фронту — когда осциллограф пытается начать сканирование, когда видит повышение (или падение) напряжения выше заданного значения — это самый простой в использовании тип. Используя триггер по фронту, попробуйте установить уровень триггера на точку на вашей форме сигнала, которая видит только нарастающий фронт один раз за период .

Теперь просто масштабируйте , позиционируйте, запускайте и повторяйте , пока не получите именно то, что вам нужно.

Дважды отмерь, один раз отрежь

При наличии сигнала с определенным диапазоном, запуском и масштабированием пора измерять переходные процессы, периоды и другие свойства формы сигнала.У некоторых осциллографов больше инструментов измерения, чем у других, но все они, по крайней мере, будут иметь деления, по которым вы сможете по крайней мере оценить амплитуду и частоту.

Многие осциллографы поддерживают различные инструменты автоматического измерения, они могут даже постоянно отображать самую важную информацию, например частоту. Чтобы получить максимальную отдачу от своей области, вы захотите изучить все функции измерения , которые он поддерживает. Большинство осциллографов автоматически рассчитают частоту, амплитуду, рабочий цикл, среднее напряжение и множество других волновых характеристик.

Используя инструменты измерения осциллографа, найдите V _PP , V _Max , частоту, период и рабочий цикл.

Третий измерительный инструмент, который предоставляют многие прицелы, — это курсоров . Курсоры — это подвижные маркеры на экране, которые можно разместить на оси времени или напряжения. Курсоры обычно бывают парами, поэтому вы можете измерить разницу между ними.

Измерение звона прямоугольной волны курсорами.

После того, как вы измерили искомую величину, вы можете приступить к корректировке вашей схемы и еще раз измерить! Некоторые осциллографы также поддерживают сохранение , печать или сохранение осциллограммы, так что вы можете вспомнить ее и вспомнить те старые добрые времена, когда вы определяли этот сигнал.

No related posts.