Осциллограф, что с его помощью можно сделать

Осциллограф, что с его помощью можно сделать

Осциллограф — прибор, предназначенный для исследования (наблюдения, записи, измерения) амплитудных и временны́х параметров электрического сигнала, подаваемого на его вход, либо непосредственно на экране, либо записываемого на фотоленте.

В мастерской электронщика и электрика если не обязательно, то, по крайней мере, крайне желательно наличие осциллографа. Его используют на ряду с простыми измерительными приборами: амперметром, вольтметром, омметром, в конце концов мультиметром. Из этой статьи вы узнаете об осциллографе — что это такое и для чего он нужен.

Осциллограф — что это?

Все, кто работает с электричеством, знают, что напряжение измеряют вольтметром, а ток амперметром. Но эти приборы показывают только то значение тока, которое есть в момент измерений. Даже при измерении переменных по значению и знаку величин вы получаете какое-то усредненное по определенным алгоритмам или законам значение.

Но с помощью вольтметра можно следить за тем, как измеряется величина, правда, с погрешностями. У стрелочных приборов они обусловлены конструктивными особенностями, а у цифровых также, но добавляются еще и частота дискретизации и другие программные проблемы.

Но как проследить за быстроизменяющимся сигналом, у которого величины изменяются за тысячные и миллионные доли секунды?

Такие измерения крайне важны во многих сферах:

— Во всех областях электронике;

— При изучении параметров электрооборудования;

— В диагностике и настройки систем автомобиля и прочих.

Для этого используют осциллографы и осциллографические пробники. Осциллограф — это тот же вольтметр, только на экране которого показывается не значение напряжения сигнала, а его форма и поведение. Форма сигнала отображается с привязкой к шкале проградуированной в Вольтах (вертикально) и секундах (горизонтально) — для подробного их изучения.

На картинке ниже вы видите примеры изображений на экране осциллографа, красным выделено сколько микросекунд в одном квадратике по горизонтали, а зеленым – сколько вольт по вертикали. Иными словами цена деления на изображении – 1В/дел и 10 мкс/дел.

Сразу стоит отметить, что, в основном, с помощью осциллографов изучают сигнал, который периодически повторяется. Сигналы изменяющиеся произвольным образом изучают с помощью осциллографа с функцией самописца.

Такой функцией обладают преимущественно цифровые осциллографы, но не все цифровые осциллографы умеют записывать осциллограммы в память. На фото ниже изображен аналоговый с электроннолучевой трубкой – он для таких задач не подходит.

А это цифровой:

Чтобы разобраться каким образом сигнал, который измеряется с периодом в доли секунды замирает на экране можно привести простой пример — стробоскоп. Если любой подвижный предмет периодически освещать коротковременными вспышками света, то в результате вы будете видеть конкретные его положения, как на фотографиях.

При этом, если освещать таким образом вращающийся с определенной скоростью предмет, то при условии, что частота вспышек совпадет со скоростью его вращения — вы будете видеть неподвижный предмет или определенную часть вращающегося предмета обращенного к вам одной и той же стороной в момент вспышки. Если частота вспышек не будет совпадать со скоростью вращения предмета, то вы будете видеть последовательность отдельных его участков в произвольном порядке.

Я встречал и сравнение на примере поезда с бесконечным числом одинаковых вагонов:

Если вспышки буду идти с частотой, совпадающей с частотой смены вагонов перед вами, то вам будет казаться, что каждый раз вы видите один и тот же неподвижный вагон перед собой.

Таким же образом работает и осциллограф — он отображает один и тот же участок периодического сигнала, в результате вы можете изучить особенности его изменения.

В пределах этой статьи мы не будем вдаваться в блоки, из которых он состоит, режимы работы, синхронизации и прочего, давайте рассмотрим что можно сделать с помощью осциллографа.

Осциллограф в электронике

Первое что приходит в голову — это электроника. Вы не можете наглядно увидеть, открылся ли транзистор, и как часто он это делает. Кроме того, при проектировании современных быстродействующих устройств, важно знать не только о самом факте срабатывания полупроводниковых ключей, но и о формах фронтов нарастания и затухания тока и напряжения.

Благодаря этому вы можете узнать насколько правильно подобран режим работы транзистора или другого компонента и о корректности работы радиоэлектронного устройства в целом.

Итак, при проектировании электроники нужно использовать осциллограф для наладки готового изделия и подбора конечных номиналов компонентов, что повышает его надежность.

Осциллограф в ремонте

Ремонт электроники это процесс поиска вышедшей из строя детали, который без необходимого набора инструментов сводится к поочередной замене элементов и узлов до доведения прибора до работоспособности. Иначе говоря — ремонт методом тыка.

Отдельные элементы, например транзисторы, резисторы, индуктивности и конденсаторы зачастую вы можете проверить с помощью мультиметра или универсального транзистор-тестера. С микросхемами дело обстоит иначе.

При ремонте блоков питания вы можете наглядно проконтролировать работу ШИМ-контролера — сердца импульсных преобразователей.

Больше нет способов с помощью которых вы можете достоверно убедится в его исправности. Хотя в этом можно убедиться по косвенным признакам.

А также:

При ремонте устройств с микроконтроллерами можно проверить работу тактового генератора, наличие сигналов на всех пинах микроконтроллера.

При диагностике усилителей звука, можно увидеть в каком месте исчезает или искажается сигнал.

Ремонт автомобилей

Большинство неисправностей современных автомобилей типа: «не заводится», «провалы при разгоне», «плохо едет и глохнет», — связаны с проблемами в электрической части. Так как все двигателя, которые сейчас устанавливаются, инжекторные, если речь вести о газе или бензине, а если в двигатель работает на дизельном топливе, то у него наверняка стоят форсунки с электронным управлением. То же самое касается и системы зажигания.

Для функционирования систем впрыска и зажигания топлива, расчета моментов срабатывания форсунок и искрообразования, необходимо знать о положении коленчатого и распределительного валов двигателя. Поэтому автомобили оборудованы множеством датчиков.

Для диагностики всех этих систем используют как встроенные протоколы связи, считывают ошибки, так и мотортестеры — приборы которые могут и связываться с системой управления двигателя и работать в роли осциллографа.

Таким образом вы можете узнать о работе датчиков положения, проследить соответствие положения распределительного и коленчатого вала (фазы ГРМ).

С помощью специальных щупов — исправность работы системы зажигания, а по форме осциллограммы определить неисправность катушки, свечей, высоковольтных проводов и наличие импульса на катушки вообще.

Систему зарядки автомобиля можно проверить с помощью осциллографа. Так вы можете диагностировать неисправности диодного моста генератора, не снимая его с автомобиля.

Заключение

Осциллограф помогает увидеть форму сигнала и есть ли он вообще. Это важно и при разработке устройств и при их ремонте. Следует отметить, что можно обойтись и без него, но тогда вы потратите намного больше времени на диагностику прибора, а ремонт превратится в гадание на кофейной гуще.

Ранее ЭлектроВести писали, что на месте строительства многофункционального комплекса по переработке твердых бытовых отходов в Дергачевском районе изучают состав получаемого полигонного газа.

По материалам: electrik.info.

20 самых важных характеристик осциллографов!

Попробуем разобраться в том, какую роль играет полоса пропускания, чувствительность и память осциллографа при измерениях, в каких случаях лучше использовать аналоговые и цифровые, двухканальные и двухлучевые осциллографы, а когда вместо современного стационарного цифрового или портативного осциллографа достаточно иметь под рукой старый советский прибор? Ответы на эти и другие вопросы, а также все типовые заблуждения, связанные с этими приборами, вы найдете в нашей подборке — 20 самых важных характеристик осциллографов!

Когда мы говорим «осциллограф», то представляем себе прибор, на лицевой панели которого расположен экран, отображающий графики входных электрических сигналов (амплитудные и временных характеристики).

Однако поскольку видов этих сигналов «великое множество», очевидно, что не может быть одного универсального прибора, способного адекватно показать все. Поэтому, выбирая осциллограф, нужно ориентироваться во всех разновидностях этого «многоликого» по областям применения прибора, чтобы выбрать именно тот, который подходит для решения стоящих перед вами задач. И здесь немудрено запутаться или упустить какие-то моменты, что может привести к покупке «ненужного чуда» электронной техники. А чтобы не попасть впросак, стоит прислушаться к отзывам опытных практиков, помогающим системно подойти к своим запросам и сделать действительно безошибочный выбор. Далее разбираются основные параметры и технические характеристики осциллографов.

1. Чем хорош двухлучевой осциллограф?

Двухлучевой осциллограф позволяет двумя лучами одновременно наблюдать на общей временной развертке два независимых процесса. Двухканальный осциллограф содержит электронный коммутатор, коммутирующий либо намного чаще, чем частота процесса, либо намного реже, чем частота процесса два процесса на один луч. При этом получается, как бы два луча, но график отображается «кусками, хотя, если частота коммутации выбрана верно, то визуально это не заметно. Все это верно до тех пор, пока исследуются строго периодические процессы. Если же процессы импульсные или не строго периодические (форма сигнала отличается в разных периодах или период меняется), качественно наблюдать два таких процесса на двухканальном однолучевом осциллографе невозможно, потому что в каждый момент времени мы видим только кусочек одного процесса. В принципе двухлучевой осциллограф, конечно, намного лучше однолучевого двухканального. У двухлучевого есть и недостаток: вертикальная развертка каждого луча линейна в своей половине экрана, верхнего – в верхней, нижнего – в нижней. При попытке использовать весь экран одним лучом нас ждет разочарование – отклонение луча у двухлучевой ЭЛТ в «чужой» половине экрана существенно нелинейно.

2. Ограничения двухканального (многоканального) осциллографа

Двухканальный (многоканальный) осциллограф отличается от двухлучевого (многолучевого) тем, что у него одновременное наблюдение разных сигналов обеспечивается быстрым переключением с одного канала на другой, т. к. применяется однолучевая трубка. Из-за чего на высоких скоростях развертки он «рвет» сигналы на экране. Двухлучевой (многолучевой) – имеет трубку с несколькими лучами, поэтому он сигналы не «рвет», но стоит обычно дороже.

3. Любой осциллограф – это не измерительный, а наблюдательный прибор

Хотя в цифровых осциллографах используются также измерительные функции (можно, например, проводить измерения амплитуды сигнала и т. д.). У аналоговых осциллографов погрешность по экрану 5-10%. Цифровые, к которым относятся также USB-осциллографы, вроде более точные, но есть такое понятие, как «Вертикальное разрешение». Например, у типового USB-осциллографа – указано 9 бит вертикального разрешения (реально часто – 8 бит). Это значит, что входной сигнал, надо поделить на 2 в 8-й степени, то есть на 256, что при входном сигнале 10 В даст ступеньку в 0,4 В.

4. Цифровой или аналоговый осциллограф?

Выбор «цифровой или аналоговый осциллограф» зависит от характера исследуемых процессов. Цифровой имеет память, широчайшие возможности рассматривать уже зарегистрированные кратковременные сигналы (есть возможность делать их скриншоты), цветной дисплей (что очень способствует восприятию информации), множество способов синхронизации, некоторые возможности обработки сигнала. У аналогового – наименьшие искажения наблюдаемого сигнала, что обычно приводится как основной довод в их пользу. Других, более серьезных доводов обычно не приводят.

5. Цифровой осциллограф не покажет ВЧ импульсы

Еще одна особенность цифровых осциллографов: для наблюдения непрерывного сигнала, и для того, чтобы сильно не увеличивать частоту дискретизации (квантования) по времени (а это необходимо из-за того, что точных быстродействующих АЦП пока еще мало, а то и вовсе нет для решения каких-то задач), часто используются для обработки численные методы (аппроксимация, интерполяция, экстраполяция). Современные микроконтроллеры довольно просто с этой задачей справляются. Но в результате мы видим не настоящий сигнал, а эрзац-сигнал, полученный в результате обработки точечных отсчетов численными методами. То есть мы можем не увидеть на сигнале «иглы» высокочастотных импульсных помех, которые будут прекрасно видны на аналоговом осциллографе.

6. Цифровой осциллограф умеет запоминать сигналы

У цифрового осциллографа дополнительное удобство – он может запоминать сигнал и выводить его на экран в увеличенном масштабе (функция экранной лупы). А также достаточно просто реализуются функции автонастройки на сигнал и измерение параметров сигнала (но это уже в дорогих моделях). Еще одно важное достоинство – просмотр или предварительное (возможно и полное) декодирование промышленных протоколов.

7. Ограничения АЦП цифровых осциллографов

Цифровой осциллограф работает на принципе преобразования аналогового (т. е. непрерывного) сигнала в цифровой (т. е. дискретный) со всеми вытекающими отсюда последствиями: 

• Для того чтобы передать сигнал как можно точнее, частота дискретизации должна быть намного выше частоты измеряемого сигнала. Т. е. чем больше дискретных отсчетов в единицу времени, тем более непрерывным будет отображение сигнала и более точным его воспроизведение на экране.
• Дискретизация по уровню измеряемого сигнала (как правило, это напряжение). Чтобы его как можно точнее измерить, надо иметь хорошую дискретизацию по уровню. Допустим, мы имеем АЦП 8-бит. Теоретически он дает 256 уровней сигнала. Т. е. сигнал с амплитудой 10 В он может перевести в цифровой код с точностью 0,04 В, а если у АЦП 10 разрядов (1024 уровня), то мы сможем наблюдать этот же сигнал с точностью 0,01 В (правда, на самом деле точность будет ниже, из-за погрешности самого АЦП).
• Многолучевым цифровой осциллограф в принципе быть не может.
• Интерфейс для связи с компьютером имеют не только цифровые, но и многие аналоговые осциллографы.

8. Объем памяти цифрового осциллографа

Объем памяти выборок (в английской технической документации используются термины Record Length – длина записи или Memory Depth – глубина памяти) – третья ключевая характеристика цифровых осциллографов, наряду с полосой пропускания и частотой оцифровки. Суть в том, что это память, работающая на частоте оцифровки. Ее нехватка приводит к тому, что на медленных развертках осциллограф вынужден снижать частоту оцифровки во избежание переполнения памяти. Хотя есть «кривые» попытки обойти эту проблему, например, использованием пик-детектора. Если памяти выборок много (от 1 Мегасемплов), то это производителем специально подчеркивается, а если мало, то всячески замалчивается. Или приводится большой объем памяти, но оказывается, что это просто ОЗУ встроенного процессора, а не быстрая память выборок. Допустим, частота выборок – 500 мегавыборок в секунду (полоса пропускания – 50 МГц, 10 выборок на период). Смотрим сигнал 50 Гц (период 20 мс). За это время осциллограф сделает 10 000 000 выборок. С 8-битным АЦП ему надо запомнить 1 байт на выборку. Итого, чтобы зарисовать этот период, ему нужно либо 10 Мб памяти, либо снижать частоту выборок.

9. «Короткая и длинная» память в цифровом осциллографе

Короткая и длинная память — это «закон сохранения энергии в осциллографе». Если вы используете максимальную частоту дискретизации то у вас «короткая память» будет (извините за выражение), если же частота дискретизации будет в два раза меньше — то у вас память будет «ого-го». Если нужно посмотреть пачку импульсов — используете большую память, если периодический, но высокочастотный сигнал (тем более меандр), то тогда более важна частота дискретизации.

10. Время нарастания входного сигнала

Показатель «Время нарастания входного сигнала» – чем меньше, тем лучше. Это значит, что меньше будет «отгрызаться» начало первого сигнала на экране при внутренней синхронизации, и тем лучше частотные свойства осциллографа.

11. Полоса пропускания цифрового осциллографа

Считается, что для наблюдения цифровых сигналов полоса пропускания осциллографа должна быть в несколько раз выше частоты сигнала (хотя бы втрое), иначе прямоугольный сигнал превращается в «квазисинусоиду» (то есть «заваливаются» фронты). И частота дискретизации должна быть выше хотя бы раз в десять (некоторые даже считают, что это соотношение должно быть не менее 1:20).

12. Как связаны шумы и погрешность Разрешение экрана

Чем выше разрешение экрана, тем больше детализация. Выбирайте разрешение не менее 640 точек по горизонтали и не менее 480 точек по вертикали, многие современные относительно недорогие осциллографы уже имеют такие экраны. Экран должен быть цветным и с малой инерционностью. Черно-белые экраны с большой инерционностью — прошлый век.

13. Как связаны шумы и погрешность Когда нужен осциллограф с логическим анализатором?

Современная прикладная электроника – это в большинстве случаев «смесь цифры с аналогом». Расшифровка протоколов здесь не главное (хотя и не без нее). Но вот, допустим, имеем сигнал ШИМ, который в свою очередь может перейти во что угодно – ток, напряжение, температуру, магнитное поле, обороты и т. д. и т. п. Регулирование этих величин, допустим, выполняется с помощью микроконтроллера посредством какого-либо ПИД-регулятора. Как отрабатывать все тонкости этих процессов? Вот тут и придет на помощь встроенный в осциллограф логический анализатор. Конечно, все то же самое можно делать и отдельным анализатором, и синхронизировать его с аналоговыми сигналами. Но все это вы будете видеть на разных мониторах и засечь, что и после чего изменяется «от цифры в аналоге» уже будет очень неудобно и непродуктивно.

Таким образом, если вы собираетесь рассматривать цифровой и аналоговый сигналы одновременно, например, цифровой сигнал зависит (синхронизирован) от аналогового или наоборот, то лучшим решением будет осциллограф с логическим анализатором на борту или хотя бы с возможностью докупить логический анализатор позже (но нужно, чтобы у покупаемого осциллографа была такая опция). Отдельный логический анализатор удобен для работы с чистой цифрой.

14. Как связаны шумы и погрешность Как связаны шумы и погрешность осциллографа с разрешением экрана?

Шумы осциллографа не имеют никакого отношения к разрешению экрана.  Точно так же и погрешность осциллографа не имеет никакого отношения к разрешению экрана.

15. Эквивалентный режим

Эквивалентный режим используется только для периодических сигналов. Он позволяет повысить частоту дискретизации в десятки раз. Суть в том, что друг за другом делается не одна запись сигнала, а много, но каждый раз с небольшим смещением. Поскольку сигнал все время одинаковый (периодический), потом полученные записи накладывают друг на друга, и получают запись с как-бы очень высокой частотой оцифровки, например 50 ГГц, хотя реальная частота оцифровки была обычная, например 500 МГц. Для однократных сигналов не годится.

16. Режим сегментированной памяти

Некоторые цифровые осциллографы имеют режим сегментированной памяти. То есть их можно оставить работать хоть на неделю, но они будут записывать не весь сигнал, а только его часть, форма которой задается через меню, например, только короткие пики. Таким образом, ни один пик не будет пропущен и будет записан с нужной (высокой) частотой дискретизации. А потом все записанные сегменты (кусочки сигнала) можно разом просмотреть.

17. Минусы портативных осциллографов

У портативных приборов цены выше, а параметры хуже, это известно. В частности, «настольные» осциллографы давно «доросли» до 1-2 мегасемплов (мегабайт) памяти выборок, а у портативных эта память по-прежнему 1-40 килосемплов (килобайт).

18. Что такое мотортестер?

Для диагностики системы зажигания автомобильного двигателя используется мотортестер, представляющий собой многоканальный осциллограф (осциллограф-мультиметр с четырьмя и более каналами), с инсталлированным в нем специальным ПО. К осциллографу подключается комплект датчиков. Мотортестер отображает осциллограмму высокого напряжения системы зажигания и в реальном времени параметры импульсов зажигания, такие как пробивное напряжение, время и напряжение горения искры.

19. Что такое автомобильный диагностический сканер?

Для «общей» автодиагностики применяют диагностический адаптер или CAN-Bus автомобильный диагностический сканер, представляющий собой осциллограф смешанных сигналов – осциллограф со встроенным логическим анализатором, который, используя специальное ПО, выполняет дешифровку протоколов CAN/KWP2000/др. и трактует полученные данные. Система управления современного двигателя, отвечающего строгим нормам токсичности, в качестве главного своего элемента содержит электронный блок управления (ЭБУ). Так вот сканер предназначен именно для работы с ЭБУ, для его «сканирования». А так как сканер работает с блоком, то он позволяет:

• Наблюдать сигналы с датчиков системы, следить за их изменением во времени.
• Проверять работу исполнительных механизмов путем приведения их в действие и визуального или другого контроля.
• Считывать сохраненные системой коды неисправностей.
• Посмотреть идентификационные данные ЭБУ, системы и т. п.

20. Почему лучше не использовать осциллографы, выпущенные в СССР?

В России до сих пор продаются осциллографы, выпущенные в СССР 25-30 лет назад. Они могут привлечь внимание разве что новичков и не очень требовательных радиолюбителей. Однако опытные практики пишут на страницах интернет-форумов буквально следующее: «Ни в коем случае не советую связываться с советскими приборами, тем более осциллографами, управляемыми микропроцессором. Советские приборы утыканы сбоку и сверху подстроечниками для калибровки. Методика описана в инструкции, обычно довольно бестолковой. Перечень «пороков» советских приборов продолжают габариты, вес и высохшие электролиты».

Примечание.

При подготовке этой статьи использовались отзывы, советы и рекомендации по выбору и работе с электронными осциллографами,  собранные с крупнейших отечественных и зарубежных интернет-форумов.

 

Примеры оборудования:

Как триггер осциллографа действительно работает?

Из общего интереса давайте вернемся назад во времени и поговорим о том, как работал запуск аналогового осциллографа.

Старые школьные осциллографы — это векторные устройства . Другими словами, точка на экране управляется двумя напряжениями. Каждый перемещает это вертикально, один перемещает это горизонтально. Они делают это путем электростатического отклонения электронного пучка. Фактически, напряжение на отклоняющих пластинах напрямую соответствует положению «точки» на дисплее прицела.

Поскольку дисплей напрямую переводит напряжение в положение точки, это достаточно просто сделать для вертикальной (например, величины) величины трассы. Вы просто буферизуете и усиливаете входной сигнал по мере необходимости и применяете его к вертикальным отклоняющим пластинам.

Горизонтальная развертка внутренне контролируется напряжением, накопленным на конденсаторе (который затем усиливается для возбуждения пластин таким же образом, как и вертикальные пластинки). Подметание было выполнено источником тока, который заряжает этот конденсатор. Когда вы меняли горизонтальную временную базу, вы меняли зарядный ток или переключали значение конденсатора.

Триггер работал, в основном, закорачивая конденсатор, поэтому луч (который образует точку) фиксируется в одной позиции в X. Когда происходит событие триггера, он щелкает защелкой в ​​осциллографе, и интегратор конденсатора начинает накапливаться, что генерирует линейную развертку по экрану.

Как только заряд конденсатора достигает определенного напряжения, развертка обрабатывается как «выполнено», заряд в конденсаторе сбрасывается с помощью электронного переключателя, и тогда система готова к другому событию запуска.

Это актуально, потому что большая часть языка, который окружает запуск осциллографа, происходит от аналоговых осциллографов. «Мертвое время» заключается в том, что для аналогового осциллографа требуется ненулевой период времени для разряда конденсатора горизонтальной развертки. Вполне возможно создать цифровой осциллограф, у которого нет мертвого времени.

---

Тангенс:

Получить данные до события запуска гораздо сложнее с аналоговым осциллографом. Единственный способ сделать это — использовать то, что называется линией задержки .

                                      _____________________
                                     |                     |
Signal > -----+-->| Delay Line |>--->| Analog In           |
              |                      |                     |
              |                      |    Oscilloscope     |
              |                      |                     |
              +--------------------->| Trigger In          |
                                     |_____________________|

То, что вы должны сделать, это использовать линию задержки, чтобы, ну, в общем, задержать входной сигнал и использовать отдельный вход триггера для фактического триггера. Делая это, вы эффективно сдвигаете время начала трассировки на любое время, на которое задерживается линия задержки (обычно до нескольких сотен наносекунд).

Недостатком этой техники является то, что вам нужен специализированный виджет (линия задержки). Обычно они имеют фиксированную задержку и могут влиять на ваш сигнал в зависимости от их полосы пропускания и характеристик.

Как пользоваться осциллографом

По распространенности и востребованности осциллограф — следующий по популярности после мультиметра прибор, применяющийся в электрике и радиоэлектронике. По своей сути, это модифицированный вольтметр, посредством которого можно не только произвести замер напряжения, но и подвергнуть анализу его форму, обнаружить неисправности в схеме и определить меры по их устранению. В статье расскажем, как пользоваться осциллографом, рассмотрим принцип работы устройства.

Устройство и общий принцип работы

Не рассматривая подробности устройства прибора, которые кроме разработчиков, в принципе, пользователям не нужны, можно обойтись описанием его элементов и их функционального предназначения.

Современные осциллографы — высокоточные измерительные приборы, позволяющие определить множество параметров сигнала

Основной элемент осциллографа — дисплей, отображающий импульсы. Экран разделен на прямоугольники, масштаб которых можно задать посредством специальных регуляторов. Отображающиеся на дисплее импульсы подлежат прочтению таким образом. Клетки, размещенные вертикально между нижней и верхней границами импульсов показывают в заданном масштабе напряжение измеренного сигнала. Клетки по горизонтали передают параметры времени. Зная период одного импульсного колебания, можно без проблем вычислить его частоту. Само же отображение сигнала на экране прибора получило название «осциллограмма».

Производится множество моделей осциллографов, от простых, использующихся в быту, до самых сложных. Простейшие устройства обладают одним каналом, с единственным сигнальным щупом заземления. Приборы более сложные имеют два канала, самые «продвинутые» осциллографы могут иметь до 6 каналов. Количество каналов свидетельствует о способности прибора выполнять анализ соответствующего числа сигналов, проводить их сравнение между собой.

Совет #1. Если щупы не подсоединены, дисплей осциллографа показывает лишь единственную, проходящую по горизонтали, «нулевую» линию, которая свидетельствует о 0 В на входе прибора.

При подключении щупа к какому либо источнику питания, линия обязательно покажет имеющееся напряжения, подскочив в соответствии с заданным масштабом на определенное количество клеток. Если щуп подключается к «+», то линия поднимается вверх, а если к «-», то на такое же число клеток вниз. Читайте также статью: → «Осциллограф для ремонта бытовой техники: критерии выбора».

Сфера применения осциллографа

Осциллографы получили широкое распространение не только в промышленности, но и в медицине

Область использования устройств очень широка. Просмотр поведения сигнала электротока позволяет за короткое время диагностировать и произвести своевременный ремонт любого электрического прибора.

Посредством осциллографа возможно:

• определить параметры времени и напряжения сигнала, выполнить расчет частоты;
• отслеживать изменения формы сигнала и анализировать его природу;
• выявлять искажения на нужных участках цепи;
• определять сдвиг фаз;
• определять отношение шумов к полезному сигналу, выявлять характер шума.

Для определения всех параметров при помощи мультиметра работа может затянуться на несколько часов, тогда как посредством осциллографа все измерения можно выполнить за несколько минут. Помимо этого, многие неисправности можно определить только при помощи осциллографа. Прибор способен измерять в секунду порядка миллиона измерений, потому даже кратковременные нарушения нормального функционирования оборудования им буду зафиксированы.

Осциллографы применяются практически во всех сферах деятельности человека, в том числе:

• в радиоэлектронике;
• автомобилестроении;
• судостроении;
• авиации;
• ремонтных мастерских различного назначения;
• быту и хозяйственных целях.

Как правильно настроить осциллограф?

Способы усиления сигнала

Осциллографы любого типа и марки оснащены регулятором сигнала, посредством которого изменяется масштаб выводящегося на экран изображения. Например, если задать масштаб напряжения 1 В на 1 клетку и выстроить экран высотой в 10 клеток, то сигнал, передающий напряжение в 30 В будет не заметен. И в обратном случае — для того, чтобы просмотреть осциллограмму низкого напряжения, требуется увеличение масштаба.

Совет #2. Для устранения «невидимости» сигнала необходимо выстроить масштаб в соответствии с измеряемыми величинами.

Принцип работы регулятора развертки

Принцип работы регулятора развертки аналогичен функции регулятора напряжения, только действия он производит с горизонтальной осью — осью времени, изменяя число миллисекунд, приходящихся на одну клетку. При уменьшении значения развертки имеется возможность более подробного изучения малых участков выведенного на экран сигнала.

Для анализа цикличности сигнала величину развертки необходимо увеличить. Сигнал на экране «развернется» и теперь появится возможность с его помощью определить значения частоты, типа и других параметров.

Блок управления параметрами синхронизации

Осциллограмма выводится на экран до тех пор, пока последний не закончится, после картинка начинается по новой. Так как график показывается с высокой скоростью, то экран показывает изображение в движении либо что-то непонятное. Причина этого достаточно просто: новые линии накладываются на уже показанные старые с неизбежным смещением и по вертикальной, и по горизонтальной оси.

Для устранения непонятных входных сигналов и служит блок управления параметрами синхронизации. Таким образом, если принять напряжение синхронизации за 0 В при изучении синусоидального сигнала, то его отрисовка будет представлена, начиная именно с этого значения напряжения, а закончится только тогда, когда закончится экран. После этого отрисовка будет повторять прошедший путь только с очередного «нуля», показывая стабильную и ровную картинку. При этом все изменения напряжения станут четкими и сразу заметными.

В простейшем виде блок синхронизации оснащен двумя регулирующими элементами. Первый из них служит для изменения настроек стартового напряжения, второй — для выбора типа запуска. Посредством второго переключателя имеется возможность задания важнейшего параметра: будет ли картинка начинаться при падении синусоиды до 0 В, либо наоборот, при ее возрастании до нуля. В большинстве типов отечественных осциллографов позиции регуляторов называются «Фронт» и «Спад».

В моделях более сложного типа имеются и иные параметры синхронизации. Например, прибор может синхронизироваться не подлежащим измерению сигналом, с иными внешними сигналами, а также сигналом, поступающим из электросети. Стабилизация по таким параметрам важна при измерении специфических сигналов, измерять цикличность которых другими способами невозможно. Читайте также статью: → «Способы проверки напряжения в розетке при помощи различных приборов».

Какой осциллограф выбрать?

В наши дни существует огромный выбор моделей и типов осциллографов, но однозначно отдать предпочтение какому-либо прибору невозможно. В первую очередь устройства разделяются на два огромных семейства:

• электронно-лучевые;
• цифровые.

«Дедушка» современных цифровых осциллографов — советский высокоточный аналоговый прибор С1-99

Все модели, выпускавшиеся в Советском Союзе (многие из которых «здравствуют» до сих пор), выпущены на базе электронно-лучевой трубки. Их особенностью является более высокая точность измерений по сравнению с цифровыми. Однако, и габариты их, как и всей советской электроники, крайне неудобны: осциллографы обладают значительным весом и габаритами, в связи с чем и мобильность их оставляет желать лучшего.

Осциллографы цифровые, оснащенные ЖК-экраном, легки и компактны, отличаются большими возможностями в плане настроек. У многих моделей имеется возможность сохранения данных, полученных в результате измерений, а также вывода на экран только того момента, который указывает именно на сбой.

Помимо этого, осциллографы различны между собой количеством каналов: как правило, большинство моделей имеют их от 1 до 6. Но есть и профессиональные приборы, число каналов у которых значительно выше. В большинстве случаев для проведения несложных измерений вполне хватит и двухканального прибора, но для работы со сложным оборудованием каналов потребуется больше.

Также выпускаются осциллографы, совмещенные в едином корпусе с другими электроизмерительными приборами. Такая комбинация позволяет эффективно, быстро и с высокой точностью получить множество данных о сигнале.

Последней разработкой являются компьютерные программы, выполняющие функцию осциллографа. Щуп при этом подключается непосредственно к звуковой карте компьютера. При выполнении нечастых и несложных измерений программное обеспечение «Осциллограф» будет лучшим решением.

Осциллограф Rocktech 40M 200M, подключенный к ноутбуку, дает гарантию высокой точности измерений

Анализ марок и производителей осциллографов: цена

В мире производством осциллографов занимается большое количество компаний, выпускающих приборы различной степени точности, сложности и стоимости. Выбирая прибор, в первую очередь следует ориентироваться на его предназначение и тип измерений, которые будут при помощи него производиться.

Осциллограф TBS1032B от компании Tektronix — современная и компактная модель

Обзор наиболее популярных марок осциллографов с указанием их примерной стоимости в нашей стране представлен в таблице.

Модель осциллографа	Производитель	Основные характеристики	Ориентировочная стоимость, руб
TBS1032B	Tektronix	2 канала х 34 МГц	41000
4122/2V	АКИП	2 канала x 100МГц	47000
190-062	Fluke	портативный 2 канала x 60МГц	140000
XDS3102A TS	Owon	2кан 100МГц 1Гв/с 12bit Touch Screen WiFi	60000
ОСУ-10A	Shanghai MCP	аналоговый 1 канал x 10МГц	13000

Часто задаваемые вопросы

Компания Fluke — один из мировых лидеров в производстве цифровых портативных осциллографов

Вопрос №1. При выборе осциллографа какая полоса пропускания считается оптимальной?

Полоса пропускания прибора должна немного превышать максимальную частоту сигналов, подлежащих измерению. Например: при максимальной частоте сигнала 80 МГц рекомендуется подобрать модель с полосой 100 МГц.

Вопрос №2. Является ли стоимость осциллографа гарантией более высоких его технических показателей?

Не всегда. При выборе следует задуматься в первую очередь о том, нужна ли дорогая модель именно для ваших измерений. Ведь многие технические функции и «навороты» могут просто «простаивать» из-за ненадобности.

Вопрос №3. Прибор больше не может выполнять поставленные задачи в связи с их усложнением. Что делать? Покупать новый?

Некоторые серии осциллографов от известных производителей позволяют увеличить в будущем полосу пропускания, то есть выполнить апгрейд. Для этого не требуется куда-то отвозить прибор, достаточно просто купить цифровой ключ и ввести код в соответствующем меню.

Вопрос №4. Иногда случаются настолько кратковременные аномалии, которые осциллограф не может воспроизвести на экране. Как их обнаружить?

С обнаружением суперкратковременных аномалий отлично справляется функция цифровой подсветки (люминофор), отображающая на экране иным цветом редко происходящие события. Благодаря этому они хорошо видны на экране.

Вопрос №5. Может ли недорогой прибор, исправно работающий в лабораторных условиях, использоваться для решения более серьезных задач для более сложного оборудования?

Вряд ли. Цена все же во многом зависит от технических параметров осциллографа. Для решения более сложных задач придется либо апгрейдить имеющийся прибор (если это возможно), либо приобретать новый. Профессиональные осциллографы не могут стоить дешевле 1500 тысяч долларов. Читайте также статью: → «Способы измерения сопротивления заземления, используемые приборы».

Типичные ошибки при выборе и работе с осциллографом

• Огромное количество ошибок при пользовании осциллографом возникает по причине того, что пользователь сам не знает о всех особенностях и возможностях прибора. Потому перед работой необходимо не только изучить инструкцию, но и посоветоваться с более опытными пользователями. В том числе и на специализированных интернет-форумах.
• Для работы с гальванически изолированными узлами оборудования или с высоким напряжением ошибкой является использование осциллографа, каналы которого зависимы между собой. Также каждый канал должен быть хорошо изолирован от сети питания самого осциллографа и от других каналов прибора. К серьезным ошибкам, недопустимы для соблюдения точности измерений аналоговым осциллографом, может привести применение неправильно компенсированного пробника.

Оцените качество статьи:

Что такое цифровой осциллограф?

Осциллограф — это электронный инструмент, который отображает на экране шаблоны, которые представляют собой графические иллюстрации электрических сигналов, а также измеряет и анализирует эти сигналы. Осциллографы особенно полезны для наблюдения точной формы волны электрического сигнала. Цифровой осциллограф — это осциллограф, который обеспечивает цифровое считывание.

Сетка, называемая сеткой, накладывается на электрический сигнал, отображаемый на экране осциллографа. На передней панели осциллографа обычно расположены ручки управления, элементы управления дисплеем и входные разъемы. Осциллографы могут быть лабораторного типа или более портативными, которые можно транспортировать для полевых работ. Некоторые портативные типы работают от батареи.

Осциллографы бывают как аналогового, так и цифрового дизайна. Измеряемый сигнал подается на один из входных разъемов. Большинство осциллографов имеют несколько входных разъемов, что позволяет им измерять и одновременно проверять несколько сигналов.

Аналоговые осциллографы работают напрямую с постоянно меняющимися напряжениями, в то время как цифровой осциллограф производит выборку сигнала и, используя аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразует напряжение в цифровую информацию. Затем цифровой осциллограф использует эту информацию для восстановления формы волны на сетке. Как аналоговый, так и цифровой осциллограф обычно подходят для большинства общих целей, но каждый тип обладает отличительными характеристиками, которые делают его подходящим для конкретных задач.

Когда целью является быстрый просмотр меняющихся сигналов в реальном времени, предпочтительным является аналоговый осциллограф. С другой стороны, цифровой осциллограф способен захватывать события, которые происходят только один раз. Кроме того, они могут обрабатывать данные формы волны или хранить информацию формы волны неограниченное время для последующего просмотра. Они также могут отправлять эту информацию на компьютеры и другое оборудование для анализа, построения графиков или печатного копирования.

Цифровой осциллограф в своей простейшей форме состоит из шести элементов. Первый представляет собой аналоговый усилитель с вертикальным входом, а второй представляет собой аналого-цифровой преобразователь и память цифрового сигнала. Третий — это временная база с триггером и тактовым приводом, а четвертый — это схемы для восстановления и отображения формы сигнала. Наконец, пятый и шестой элементы — это жидкокристаллический или светодиодный экран и блок питания.

От радиотехники и телевизионщиков до физиков осциллографы обычно являются необходимым оборудованием для тех, кто работает с электронным оборудованием. Одним из наиболее распространенных применений осциллографов является устранение неисправностей неисправных электронных устройств; однако использование осциллографов никоим образом не ограничивается областью электроники. С соответствующим датчиком осциллограф может использоваться для измерения всех типов физических явлений.

Датчик создает электрическое напряжение в ответ на стимулы, которые он подает, например, звук, свет, тепло, механическое напряжение или давление. Транспортные инженеры анализируют вибрации двигателя с помощью осциллографов. Осциллографы используются медицинскими исследователями для измерения мозговых волн или для отображения формы сердцебиения. Осциллографы широко применяются в технике, науке, медицине, промышленности и телекоммуникациях.

ДРУГИЕ ЯЗЫКИ

Как работает осциллограф — Работа осциллографа — Учебное пособие по осциллографу

Чтобы лучше понять элементы управления осциллографа, вам нужно знать немного больше о том, как осциллографы отображают сигнал. Аналоговые осциллографы работают несколько иначе, чем цифровые осциллографы. Однако некоторые внутренние системы похожи. Аналоговые осциллографы несколько проще по своей концепции, и сначала они описываются, а затем следует описание цифровых осциллографов.

Аналоговые осциллографы

Когда вы подключаете пробник осциллографа к цепи, сигнал напряжения проходит через пробник в вертикальную систему осциллографа.На следующем рисунке представлена ​​простая блок-схема, которая показывает, как аналоговый осциллограф отображает измеренный сигнал.

Блок-схема аналогового осциллографа

В зависимости от того, как вы устанавливаете вертикальную шкалу (регулировка вольт / дел), аттенюатор снижает напряжение сигнала или усилитель увеличивает напряжение сигнала.

Затем сигнал проходит прямо к вертикальным отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Напряжение, приложенное к этим отклоняющим пластинам, заставляет светящуюся точку двигаться.(Электронный луч, попадающий на люминофор внутри ЭЛТ, создает светящуюся точку.) Положительное напряжение заставляет точку двигаться вверх, а отрицательное напряжение заставляет точку двигаться вниз.

Сигнал также поступает в систему запуска для запуска или запуска «горизонтальной развертки». Горизонтальная развертка — это термин, относящийся к действию горизонтальной системы, заставляющей светящуюся точку перемещаться по экрану. Запуск горизонтальной системы заставляет горизонтальную шкалу времени перемещать светящуюся точку по экрану слева направо в течение определенного интервала времени.Многие развертки в быстрой последовательности заставляют светящуюся точку переходить в сплошную линию. На более высоких скоростях точка может перемещаться по экрану до 500 000 раз в секунду.

Вместе горизонтальное движение и вертикальное отклонение отображают график сигнала на экране. Триггер необходим для стабилизации повторяющегося сигнала. Это гарантирует, что развертка начинается в той же точке повторяющегося сигнала, что приводит к четкому изображению, как показано на следующем рисунке.

Запуск стабилизирует повторяющуюся форму сигнала

В заключение, чтобы использовать аналоговый осциллограф, вам необходимо настроить три основных параметра для приема входящего сигнала:

• Затухание или усиление сигнала. С помощью регулятора вольт / деление отрегулируйте амплитуду сигнала перед его подачей на пластины вертикального отклонения.
• Временная база. Используйте элемент управления сек / дел, чтобы установить количество времени на деление, отображаемое по горизонтали на экране.
• Запуск осциллографа. Используйте уровень запуска для стабилизации повторяющегося сигнала, а также для запуска по одному событию.

Кроме того, регулировка фокуса и яркости позволяет создавать четкое и видимое изображение.

Цифровые осциллографы

Некоторые системы, из которых состоят цифровые осциллографы, аналогичны системам аналоговых осциллографов; однако цифровые осциллографы содержат дополнительные системы обработки данных.С добавленными системами цифровой осциллограф собирает данные для всей формы сигнала и затем отображает их.

Когда вы подключаете пробник цифрового осциллографа к цепи, вертикальная система регулирует амплитуду сигнала, как и в аналоговом осциллографе.

Затем аналого-цифровой преобразователь (АЦП) в системе сбора данных производит выборку сигнала в дискретные моменты времени и преобразует напряжение сигнала в этих точках в цифровые значения, называемые точками выборки. Тактовая частота выборки горизонтальной системы определяет, как часто АЦП выполняет выборку.Скорость, с которой «тикают» часы, называется частотой дискретизации и измеряется в отсчетах в секунду.

Точки выборки от АЦП хранятся в памяти как точки сигнала. Более одной точки выборки могут составлять одну точку сигнала.

Вместе точки формы сигнала составляют одну запись сигнала. Количество точек сигнала, используемых для записи сигнала, называется длиной записи. Система запуска определяет начальную и конечную точки записи. Дисплей получает эти точки записи после сохранения в памяти.

В зависимости от возможностей вашего осциллографа может выполняться дополнительная обработка точек выборки, улучшающая отображение. Может быть доступен предварительный запуск, позволяющий видеть события до точки запуска.

Блок-схема цифрового осциллографа

По сути, с цифровым осциллографом, как с аналоговым осциллографом, вам необходимо отрегулировать настройки по вертикали, горизонтали и синхронизации, чтобы выполнить измерение.

Методы отбора проб

Метод выборки сообщает цифровому осциллографу, как собирать точки выборки.Для медленно меняющихся сигналов цифровой осциллограф легко собирает более чем достаточно точек выборки для построения точного изображения. Однако для более быстрых сигналов (скорость зависит от максимальной частоты дискретизации осциллографа) осциллограф не может собрать достаточное количество отсчетов. Цифровой осциллограф может делать две вещи:

• Он может собирать несколько точек выборки сигнала за один проход (в режиме выборки в реальном времени), а затем использовать интерполяцию. Интерполяция — это метод обработки, позволяющий оценить, как выглядит форма волны, по нескольким точкам.
• Он может создавать изображение формы волны с течением времени, пока сигнал повторяется (режим выборки эквивалентного времени).

Выборка в реальном времени с интерполяцией

Цифровые осциллографы

используют выборку в реальном времени в качестве стандартного метода выборки. При выборке в реальном времени осциллограф собирает столько выборок, сколько может, по мере появления сигнала. На следующем рисунке показаны однократные или переходные сигналы, вы должны использовать выборку в реальном времени.

Диаграмма выборки в реальном времени

Цифровые осциллографы

используют интерполяцию для отображения сигналов, которые настолько быстрые, что осциллограф может собрать только несколько точек выборки.Интерполяция «соединяет точки».

Линейная интерполяция просто соединяет точки выборки прямыми линиями. Синусоидальная интерполяция (или интерполяция sin x по x) соединяет точки выборки с кривыми. (См. Следующий рисунок) Интерполяция sin x над x — это математический процесс, подобный «передискретизации», используемой в проигрывателях компакт-дисков. При синусоидальной интерполяции точки вычисляются, чтобы заполнить время между реальными выборками. Используя этот процесс, сигнал, который отбирается только несколько раз в каждом цикле, может быть точно отображен или, в случае проигрывателя компакт-дисков, точно воспроизведен.

Диаграмма линейной и синусоидальной интерполяции

Выборка в эквивалентном времени

Некоторые цифровые осциллографы могут использовать дискретизацию эквивалентного времени для захвата очень быстро повторяющихся сигналов. Выборка в эквивалентном времени создает изображение повторяющегося сигнала путем захвата небольшого количества информации из каждого повторения. (См. Следующий рисунок). Вы видите, что форма волны медленно нарастает, как гирлянда огней, загорающихся один за другим. При последовательной выборке точки появляются последовательно слева направо; при случайной выборке точки появляются на осциллограмме случайным образом.

Схема дискретизации эквивалентного времени

Основные функции осциллографа | Осциллографы (или осциллографы) Fluke

проверяют и отображают сигналы напряжения в виде осциллограмм, визуальных представлений изменения напряжения во времени. Сигналы нанесены на график, который показывает, как изменяется сигнал. Вертикальный (Y) доступ представляет собой измерение напряжения, а горизонтальная (X) ось представляет собой время.

Выборка

Выборка — это процесс преобразования части входного сигнала в несколько дискретных электрических величин с целью хранения, обработки и отображения.Величина каждой точки дискретизации равна амплитуде входного сигнала во время дискретизации сигнала.

Форма входного сигнала отображается на экране осциллографа в виде серии точек. Если точки расположены далеко друг от друга и их трудно интерпретировать как сигнал, их можно соединить с помощью процесса, называемого интерполяцией, который соединяет точки с линиями или векторами.

Выборка и интерполяция: выборка обозначена точками, а интерполяция показана черной линией.

Запуск

Элементы управления запуском позволяют стабилизировать и отображать повторяющийся сигнал.

Запуск по фронту — наиболее распространенная форма запуска. В этом режиме элементы управления уровнем запуска и наклоном обеспечивают основное определение точки запуска. Контроль наклона определяет, находится ли точка запуска на переднем или заднем фронте сигнала, а регулятор уровня определяет, где на фронте возникает точка триггера.

При работе со сложными сигналами, такими как серия импульсов, может потребоваться запуск по ширине импульса.При использовании этого метода и установка уровня запуска, и следующий задний фронт сигнала должны происходить в течение определенного промежутка времени. После выполнения этих двух условий осциллограф запускается.

Другой метод — запуск по одному импульсу, при котором осциллограф отображает кривую только тогда, когда входной сигнал соответствует установленным условиям запуска. Как только условия запуска выполнены, осциллограф регистрирует и обновляет отображение, а затем останавливает отображение, чтобы сохранить кривую.

Связанные ресурсы

Осциллограф — Academic Kids

От академических детей

Портативный аналоговый осциллограф модели 475A компании Tektronix, очень типичный прибор конца 1970-х годов.Этот прибор с двумя трассами имел вертикальную полосу пропускания 250 МГц, максимальную вертикальную чувствительность 5 мВ на деление и максимальную (без увеличения) скорость горизонтальной развертки 10 нс на деление.

Осциллограф или осциллограф — это электронный измерительный прибор, который создает видимый двухмерный график одной или нескольких разностей электрических потенциалов. Горизонтальная ось дисплея обычно представляет время, что делает инструмент полезным для отображения периодических сигналов.Вертикальная ось обычно показывает напряжение. Отображение вызвано «пятном», которое периодически «скользит» по экрану слева направо.

Особенности и использование

Пример использования

Классическое использование осциллографа — диагностика неисправного электронного оборудования. В радиоприемнике, например, человек смотрит на схему и пытается найти соединения между каскадами (например, электронными смесителями, электронными генераторами, усилителями).

Затем кладут заземление осциллографа на землю цепи, а щуп осциллографа — на соединение между двумя каскадами в середине цепочки каскадов.

Когда ожидаемый сигнал отсутствует, известно, что некоторая предыдущая ступень электроники вышла из строя. Поскольку большинство отказов происходит из-за одного неисправного компонента, каждое измерение может доказать, что половина ступеней сложного оборудования либо работает, либо, вероятно, не вызвала неисправность.

После обнаружения неисправной ступени дальнейшее исследование неисправной ступени обычно позволяет квалифицированному специалисту точно определить, какой компонент неисправен. После того, как техник заменит компонент, устройство может быть восстановлено в рабочем состоянии или, по крайней мере, устранена следующая неисправность.

Другое применение — проверка недавно разработанной схемы. Очень часто вновь разработанная схема будет неправильно работать из-за плохого уровня напряжения, электрических шумов или ошибок конструкции. Цифровая электроника обычно работает от часов, поэтому для проверки цифровых цепей необходим двухканальный осциллограф. «Объемы хранения» полезны для «фиксации» редких электронных событий, которые вызывают неисправность в работе.

Другое применение — инженеры-программисты, которые должны программировать электронику. Часто осциллограф — это единственный способ проверить, правильно ли программное обеспечение работает с электроникой.

Описание

Отсутствует изображение
Oscilloscope_diagram.png

Типичный осциллограф представляет собой прямоугольную коробку с маленьким экраном, многочисленными входными разъемами и ручками и кнопками управления на передней панели. Для облегчения измерения на лицевой стороне экрана нарисована сетка, называемая сеткой . Каждый квадрат в сетке обозначается как деление . Измеряемый сигнал подается на один из входных разъемов, который обычно представляет собой коаксиальный разъем типа BNC или N.Если источник сигнала имеет собственный коаксиальный разъем, то используется простой коаксиальный кабель; в противном случае используется специальный кабель, называемый пробником осциллографа , поставляемый с осциллографом.

В простейшем режиме осциллограф несколько раз рисует горизонтальную линию, называемую кривой , через середину экрана слева направо. Один из элементов управления, элемент управления временной разверткой , устанавливает скорость рисования линии и калибруется в секундах на деление.Если входное напряжение отклоняется от нуля, дорожка отклоняется вверх или вниз. Другой элемент управления, вертикальный элемент , устанавливает масштаб вертикального отклонения и калибруется в вольтах на деление. Результирующая кривая представляет собой график зависимости напряжения от времени (настоящее отображается в различных положениях, самое недавнее прошлое — слева, менее недавнее прошлое — справа).

Если входной сигнал периодический, то можно получить почти стабильную кривую, просто установив временной интервал в соответствии с частотой входного сигнала.Например, если входной сигнал представляет собой синусоидальную волну с частотой 50 Гц, то его период составляет 20 мс, поэтому развертка по времени должна быть отрегулирована так, чтобы время между последовательными горизонтальными развертками составляло 20 мс. Этот режим называется , непрерывная развертка . К сожалению, развертка осциллографа не является идеально точной, а частота входного сигнала не идеально стабильна, поэтому кривая будет дрейфовать по экрану, что затрудняет измерения.

Для обеспечения более стабильной кривой современные осциллографы имеют функцию, называемую триггером .При использовании , запускающего , прицел будет останавливаться каждый раз, когда развертка достигает крайней правой стороны экрана, а возвращает обратно в левую часть экрана. Затем осциллограф ожидает указанного события, прежде чем рисовать следующую трассировку. Событием триггера обычно является входной сигнал, достигающий определенного пользователем порогового напряжения в указанном направлении (положительное или отрицательное).

Эффект заключается в повторной синхронизации временной развертки с входным сигналом, предотвращая горизонтальный дрейф кривой.Таким образом, запуск позволяет отображать периодические сигналы, такие как синусоидальные и прямоугольные волны. Цепи запуска также позволяют отображать непериодические сигналы, такие как одиночные импульсы или импульсы, которые не повторяются с фиксированной частотой.

Типы триггеров включают:

• внешний триггер , импульс от внешнего источника, подключенного к выделенному входу на прицеле.
• триггер фронта , детектор фронта, который генерирует импульс, когда входной сигнал пересекает заданное пороговое напряжение в заданном направлении.
• запуск по видеосигналу , схема, которая извлекает синхронизирующие импульсы из видеоформатов, таких как PAL и NTSC, и запускает временную развертку для каждой строки, указанной строки, каждого поля или каждого кадра. Эта схема обычно находится в устройстве контроля формы сигнала.
• триггер с задержкой , который ждет заданное время после триггера по фронту перед запуском развертки. Никакая схема триггера не действует мгновенно, поэтому всегда есть определенная задержка, но схема задержки триггера увеличивает эту задержку до известного и регулируемого интервала.Таким образом, оператор может исследовать конкретный импульс в длинной серии импульсов.

Большинство осциллографов также позволяют обойти развертку и подать внешний сигнал в усилитель строчной развертки. Это называется режим X-Y и используется для просмотра фазового соотношения между двумя сигналами, что обычно делается в радио и телевизионной технике. Когда два сигнала представляют собой синусоиды разной частоты и фазы, полученная кривая называется кривой Лиссажу.

Некоторые осциллографы имеют курсоров , которые представляют собой линии, которые можно перемещать по экрану для измерения временного интервала между двумя точками или разницы между двумя напряжениями.

Большинство осциллографов имеют два или более входных каналов , что позволяет им отображать более одного входного сигнала на экране. Обычно осциллограф имеет отдельный набор вертикальных регуляторов для каждого канала, но только одну систему запуска и временную развертку.

Осциллограф с двойной временной разверткой имеет две системы запуска, поэтому два сигнала можно просматривать на разных осях времени.Это также известно как режим «увеличения». Пользователь улавливает желаемый сложный сигнал, используя подходящую настройку триггера. Затем он включает функцию «увеличения», «масштабирования» или «двойной временной развертки» и может перемещать окно, чтобы рассмотреть детали сложного сигнала.

Иногда событие, которое хочет увидеть пользователь, может происходить только изредка. Чтобы уловить эти события, некоторые осциллографы являются «осциллографами», которые сохраняют самые последние развертки на экране.

Некоторые цифровые осциллографы могут выполнять развертку с такой низкой скоростью, как один раз в час, имитируя самописец с ленточной диаграммой.То есть сигнал прокручивается по экрану справа налево. Большинство модных осциллографов переключаются из режима развертки в режим ленточной диаграммы примерно один раз в десять секунд. Это потому, что в противном случае область видимости выглядит сломанной: она собирает данные, но точка не видна.

Советы по использованию

Наиболее типичная проблема, возникающая при приближении к незнакомой осциллографе, заключается в том, что след не виден.

Многие новые осциллографы имеют кнопку «сбросить параметры» или «автоматическая настройка».Используйте его, когда запутаетесь или впервые приблизитесь к незнакомому прицелу. У некоторых прицелов есть кнопка «лучоискатель». Он ограничивает размер отсканированного изображения, поэтому на экране появляется кривая.

Убедитесь, что сначала вы настроили параметры канала на «DC» связь с автоматическим запуском. Увеличивайте в канале вольты на деление (эффективно разделяя высоту строки), пока не появится линия. Установите время развертки на деление, близкое к скорости желаемого события, а затем отрегулируйте вольты на деление, пока событие не появится в нужном размере.

Осциллографы почти всегда имеют тестовый выход, который можно измерить, чтобы убедиться, что канал и пробник работают. Приближаясь к незнакомому осциллографу, целесообразно сначала измерить этот сигнал.

Из-за емкости провода в измерительном щупе осциллограф может неточно отображать высокоскоростные сигналы. Если сигнал выглядит искаженным, то есть, если он показывает необычные всплески («звон») или странные выпуклости, попробуйте отрегулировать емкость зонда осциллографа. Многие пробники осциллографа (например, с делителями напряжения 10x) имеют небольшой регулировочный винт на щупе.Большинство осциллографов обеспечивают тестовый выходной сигнал, который генерирует прямоугольную волну для настройки пробника. Отрегулируйте датчик так, чтобы углы прямоугольной волны казались прямоугольными, без перерегулирования или недолета.

Полоса пропускания тестовых пробников должна равняться полосе пропускания входных усилителей осциллографа или превышать ее.

Обычно заземляющий провод осциллографа должен быть подключен к заземлению тестируемой цепи. В конец большинства измерительных проводов осциллографов встроен зажим заземления.Для точного измерения высокоскоростных сигналов заземляющий провод должен быть как можно короче; на частотах выше 100 МГц необходимо удалить подвесной заземляющий провод и заменить его маленьким заземляющим штырем, который скользит по заземляющему кольцу на конце пробника.

Если осциллограф подключен к заземлению сети, вероятно, что заземление измерительного провода также подключено к заземлению сети (через шасси осциллографа). Если тестируемая цепь также связана с заземлением сети, то подключение заземления пробника к любому сигналу будет эффективно действовать как короткое замыкание на землю, что может вызвать повреждение тестируемой цепи или самого осциллографа.Этого можно избежать, подавая питание на осциллограф через развязывающий трансформатор.

Связь «переменного тока» блокирует любой постоянный ток в сигнале. Это полезно при измерении слабого сигнала со смещением постоянного тока.

Муфта постоянного тока должна использоваться при измерении постоянного напряжения.

Убедитесь, что вы запускаете с правильного канала. Установите задержку запуска на ноль. Отрегулируйте уровень срабатывания, пока не сработает желаемое событие. Наконец, отрегулируйте задержку срабатывания триггера до тех пор, пока не появится желаемый сигнал.

Зонды для осциллографов дороги и хрупки. Чтобы уменьшить емкость, проводник в проводе зонда осциллографа иногда бывает уже человеческого волоса. Пластиковую «ручку» датчика часто легко сломать. Никогда не оставляйте зонд на полу, где по нему можно ходить. Если вам необходимо совместно использовать прицел, подумайте о том, чтобы иметь и защищать собственный набор пробников.

Выбор

Осциллографы

обычно имеют контрольный список некоторых перечисленных выше функций. Основной критерий качества — это полоса пропускания его вертикальных усилителей.Типичные осциллографы общего назначения должны иметь полосу пропускания не менее 100 МГц, хотя для приложений звуковой частоты приемлемы гораздо более низкие полосы пропускания. Полезный диапазон развертки составляет от одной секунды до 100 наносекунд, с запуском и разверткой с задержкой. Для работы с цифровыми сигналами необходимы двойные каналы, и рекомендуется использовать объем памяти со скоростью развертки не менее 1/5 максимальной частоты вашей системы.

Главное преимущество качественного осциллографа — качество схемы запуска.Если триггер нестабилен, отображение всегда будет нечетким. Качество примерно улучшается по мере увеличения частотной характеристики и стабильности напряжения триггера.

Цифровые накопители (почти единственный вид, который сейчас доступен на более высоком уровне рынка) используются для отображения вводящих в заблуждение сигналов при низких частотах дискретизации, но эта проблема «наложения спектров» теперь встречается гораздо реже из-за увеличенной длины памяти. Тем не менее, стоит спросить о подержанном рынке.

По состоянию на 2004 год двухканальная система хранения данных с полосой пропускания 150 МГц стоит около 1200 долларов США за новую, и ее вполне достаточно для общего использования.Текущий рекорд полосы пропускания по состоянию на февраль 2005 года принадлежит семейству осциллографов Tektronix TDS6000C с расширенной цифровой полосой пропускания до 15 ГГц и стоимостью около 150 000 долларов США.

Как это работает

Электронно-лучевой осциллограф (CRO)

Самый ранний и простой тип осциллографа состоял из электронно-лучевой трубки, вертикального усилителя, временной развертки, горизонтального усилителя и источника питания. Теперь их называют «аналоговыми», чтобы отличить их от «цифровых» прицелов, которые стали обычным явлением в 1990-х и 2000-х годах.

До введения CRO в его нынешнем виде электронно-лучевая трубка уже использовалась в качестве измерительного прибора. Электронно-лучевая трубка представляет собой вакуумированную стеклянную оболочку, аналогичную таковой в черно-белом телевизоре, с плоской поверхностью, покрытой фосфоресцирующим материалом (люминофором). Диаметр экрана обычно меньше 20 см, что намного меньше, чем у телевизора.

В горловине трубки находится электронная пушка, представляющая собой нагреваемую металлическую пластину с проволочной сеткой (сеткой) перед ней.Небольшой потенциал сетки используется для блокирования ускорения электронов, когда электронный луч должен быть выключен, например, во время обратного хода развертки или когда не происходит триггерных событий. Применяется разность потенциалов не менее нескольких сотен вольт, чтобы сделать нагретую пластину (катод) отрицательно заряженной относительно отклоняющих пластин. Для осциллографов с более широкой полосой пропускания, где дорожка может перемещаться по люминофорной мишени быстрее, часто используется положительное ускоряющее напряжение после отклонения, превышающее 10000 вольт, что увеличивает энергию (скорость) электронов, ударяющих по люминофору.Кинетическая энергия электронов преобразуется люминофором в видимый свет в точке удара. При включении ЭЛТ обычно отображает одну яркую точку в центре экрана, но точку можно перемещать электростатически или магнитно. ЭЛТ в осциллографе использует электростатическое отклонение.

Между электронной пушкой и экраном находятся две противоположные пары металлических пластин, называемых отклоняющими пластинами. Вертикальный усилитель создает разность потенциалов на одной паре пластин, создавая вертикальное электрическое поле, через которое проходит электронный луч.Когда потенциалы пластины одинаковы, луч не отклоняется. Когда верхняя пластина положительна по отношению к нижней пластине, луч отклоняется вверх; когда поле перевернуто, луч отклоняется вниз. Горизонтальный усилитель выполняет аналогичную работу с другой парой отклоняющих пластин, заставляя луч перемещаться влево или вправо. Эта система отклонения называется электростатическим отклонением и отличается от системы электромагнитного отклонения, используемой в телевизионных трубках.По сравнению с магнитным отклонением, электростатическое отклонение может более легко следовать за случайными изменениями потенциала, но ограничивается небольшими углами отклонения.

Развертка — это электронная схема, которая генерирует линейно нарастающее напряжение. Это напряжение, которое изменяется непрерывно и линейно со временем. Когда оно достигает предварительно определенного значения, линейное изменение сбрасывается, а напряжение восстанавливает свое первоначальное значение. При обнаружении триггерного события перезапуск сбрасывается, позволяя линейному нарастанию снова.Напряжение временной развертки обычно управляет усилителем строчной развертки. Его эффект заключается в перемещении электронного луча с постоянной скоростью слева направо по экрану, а затем быстрое возвращение луча влево вовремя, чтобы начать следующее сканирование. Развертка по времени может быть настроена так, чтобы время развертки соответствовало периоду сигнала.

Между тем, вертикальный усилитель приводится в действие внешним напряжением (вертикальный вход), которое снимается с измеряемой схемы или эксперимента. Усилитель имеет очень высокий входной импеданс, обычно один мегом, так что он потребляет лишь крошечный ток от источника сигнала.Усилитель работает с вертикальными отклоняющими пластинами с напряжением, пропорциональным вертикальному входу. Коэффициент усиления вертикального усилителя можно регулировать в соответствии с амплитудой входного напряжения. Положительное входное напряжение изгибает электронный луч вверх, а отрицательное напряжение изгибает его вниз, так что вертикальное отклонение точки показывает значение входа. Реакция этой системы намного быстрее, чем у механических измерительных устройств, таких как мультиметр, где инерция стрелки замедляет ее реакцию на ввод.

Когда все эти компоненты работают вместе, в результате на экране появляется яркая кривая, которая представляет собой график зависимости напряжения от времени. Напряжение отложено по вертикальной оси, а время — по горизонтали.

Наблюдение высокоскоростных сигналов, особенно неповторяющихся сигналов, с помощью обычного CRO затруднено, часто требуется затемнение комнаты или установка специальной смотровой крышки на лицевую сторону трубки дисплея. Чтобы облегчить просмотр таких сигналов, специальные осциллографы позаимствовали технологии ночного видения, используя микроканальную пластину на лицевой стороне лампы для усиления слабых световых сигналов.

Отсутствует изображение
Tektronix_C-5A_camera.jpg

Хотя CRO позволяет просматривать сигнал, в его базовой форме нет средств записи этого сигнала на бумаге для целей документирования. Поэтому были разработаны специальные камеры для осциллографов, позволяющие напрямую фотографировать экран. В ранних камерах использовалась рулонная или пластинчатая пленка, а в 1970-х годах стали популярны мгновенные камеры Polaroid®.

Большинство многоканальных осциллографов фактически не имеют нескольких электронных лучей.Вместо этого они отображают только одну точку за раз, но переключают точку между одним каналом и другим либо поочередно (режим ALT), либо много раз за цикл (режим CHOP). Было построено очень мало настоящих двухлучевых осциллографов ; в них электронная пушка формировала два электронных луча, и было два набора вертикальных отклоняющих пластин и один общий набор горизонтальных отклоняющих пластин.

Регуляторы вертикального усилителя и временной развертки откалиброваны для отображения вертикального расстояния на экране, которое соответствует заданной разнице напряжений, и горизонтального расстояния, которое соответствует заданному временному интервалу.

Блок питания — важный компонент прицела. Он обеспечивает низкое напряжение для питания катодного нагревателя в лампе, а также вертикальных и горизонтальных усилителей. Для привода электростатических отклоняющих пластин необходимо высокое напряжение. Эти напряжения должны быть очень стабильными. Любые изменения приведут к ошибкам в положении и яркости следа.

Более поздние аналоговые осциллографы добавили цифровую обработку в стандартную конструкцию. Та же базовая архитектура — электронно-лучевая трубка, вертикальные и горизонтальные усилители — была сохранена, но электронный луч контролировался цифровой схемой, которая могла отображать графику и текст, смешанные с аналоговыми сигналами.Дополнительные функции, которые предоставляет эта система, включают:

• экранное отображение настроек усилителя и временной развертки;
• курсоры напряжения — регулируемые горизонтальные линии с отображением напряжения;
• курсоры времени — регулируемые вертикальные линии с отображением времени;
• Экранные меню для настроек триггера и других функций.

Аналоговый запоминающий осциллограф

Дополнительная функция, доступная на некоторых аналоговых осциллографах, называется «хранилищем». Эта функция позволяет образцу графика, который обычно затухает за доли секунды, оставаться на экране в течение нескольких минут или дольше.Затем можно сознательно активировать электрическую цепь, чтобы сохранить и стереть след на экране.

Хранение осуществляется по принципу вторичной эмиссии. Когда обычный пишущий электронный луч проходит через точку на поверхности люминофора, он не только на мгновение вызывает свечение люминофора, но и кинетическая энергия электронного луча сбивает другие электроны с поверхности люминофора. Это может оставить чистый положительный заряд. Затем в запоминающих осциллографах имеется одна или несколько вторичных электронных пушек (называемых «наводящими пушками»), которые обеспечивают постоянный поток низкоэнергетических электронов, движущихся к люминофорному экрану.Электроны из пистолета-распылителя сильнее притягиваются к тем областям люминофорного экрана, где пишущий пистолет оставил чистый положительный заряд; Таким образом, электроны наводнения повторно освещают люминофор в этих положительно заряженных областях люминофорного экрана.

Если энергия электронов наводнения правильно сбалансирована, каждый падающий электрон наводнения выбивает один вторичный электрон из люминофорного экрана, таким образом сохраняя чистый положительный заряд в освещенных областях люминофорного экрана.Таким образом, изображение, изначально написанное пишущим пистолетом, может сохраняться в течение длительного времени. В конце концов, небольшой дисбаланс в соотношении вторичного излучения приводит к тому, что весь экран «исчезает положительно» (загорается) или заставляет первоначально записанный след «затухать отрицательно» (гаснуть). Именно эти дисбалансы ограничивают максимально возможное время хранения.

В некоторых осциллографах используется строго двоичная (вкл. / Выкл.) Форма хранения, известная как «бистабильная память». Другие допускали постоянную серию коротких неполных циклов стирания, которые создавали впечатление люминофора с «переменной стойкостью».Некоторые осциллографы также позволяли частичное или полное отключение наводнения, позволяя сохранить (хотя и незаметно) скрытое сохраненное изображение для последующего просмотра. (Затухание положительного или затухание отрицательного происходит только тогда, когда наводящие пистолеты «включены»; при выключенных наводнениях только утечка зарядов на люминофорном экране ухудшает сохраненное изображение).

Цифровой запоминающий осциллограф

Цифровой запоминающий осциллограф, или сокращенно DSO, в настоящее время является предпочтительным типом для большинства промышленных приложений, хотя простые аналоговые CRO все еще используются любителями.Он заменяет ненадежный метод хранения, используемый в аналоговых хранилищах, на цифровую память, которая может хранить данные столько времени, сколько требуется, без ухудшения качества. Он также позволяет выполнять комплексную обработку сигнала с помощью схем высокоскоростной цифровой обработки сигналов.

Вертикальный вход, вместо того, чтобы управлять вертикальным усилителем, оцифровывается аналого-цифровым преобразователем для создания набора данных, который сохраняется в памяти микропроцессора. Набор данных обрабатывается, а затем отправляется на дисплей, который в ранних DSO представлял собой электронно-лучевую трубку, но теперь, скорее всего, это будет плоская ЖК-панель.Распространены DSO с цветными ЖК-дисплеями. Набор данных может быть отправлен по LAN или WAN для обработки или архивирования. Изображение на экране можно записать прямо на бумагу с помощью подключенного принтера или плоттера без необходимости использования камеры осциллографа. Собственное программное обеспечение осциллографа для анализа сигналов может извлекать множество полезных функций во временной области (например, время нарастания, ширину импульса, амплитуду), частотные спектры, гистограммы и статистику, карты постоянства и большое количество параметров, значимых для инженеров в специализированных областях, таких как телекоммуникации. , анализ дисководов и силовая электроника.

Осциллограф на базе ПК

Отсутствует изображение
Osc250.gif Программное обеспечение осциллографа, работающее в Windows

Хотя большинство людей думают об осциллографе как об автономном приборе в коробке, появляется новый тип «осциллографа», который состоит из внешнего аналого-цифрового преобразователя (иногда с собственной памятью и, возможно, даже с некоторыми данными). возможность обработки), подключенного к ПК, который обеспечивает дисплей, интерфейс управления, дисковое хранилище, сетевое соединение и часто электрическое питание.Жизнеспособность этих так называемых осциллографов на базе ПК зависит от текущего широкого использования и низкой стоимости стандартизированных ПК. Это делает инструменты особенно подходящими для образовательного рынка, где ПК — обычное дело, но бюджеты на оборудование часто невелики.

К преимуществам осциллографов на базе ПК относятся:

• Более низкая стоимость (при условии, что у пользователя уже есть ПК).
• Простой экспорт данных в стандартное программное обеспечение ПК, например в электронные таблицы и текстовые редакторы.
• Возможность управления прибором с помощью специальной программы на ПК.
• Использование сетевых функций ПК и дискового накопителя, которые требуют дополнительных затрат при добавлении к автономному осциллографу.
• Более простая переносимость при использовании с портативным компьютером.

Есть и недостатки, к которым можно отнести:

• Необходимость установки программного обеспечения осциллографа на ПК владельцем.
• Время, затрачиваемое на загрузку ПК, по сравнению с почти мгновенным запуском автономного осциллографа (хотя, поскольку некоторые современные осциллографы на самом деле являются замаскированными ПК или подобными машинами, это различие сужается).
• Пониженная портативность при использовании с настольным ПК.
• Неудобство использования части экрана ПК для отображения осциллографа.

Альтернативы осциллографу

Существует доступная альтернатива осциллографу, которая полезна для многих задач и, возможно, лучше для ремонта радио, а именно для прослушивания сигналов.

Основной план состоит в том, чтобы смешать (умножить) промежуточную частоту с сигналом, а затем усилить и прослушать результат через динамик.Другими словами, вы используете амплитудную модуляцию, чтобы сдвинуть сигнал вниз в звуковой диапазон. (Конечно, для сигналов звуковой частоты модуляция не требуется.)

С современными твердотельными схемами такое оборудование дешево и может работать от небольшой батареи.

Эта диагностическая система широко использовалась почти на всех ранних этапах развития радиосвязи и до сих пор используется в Азии и бедными радиолюбителями. В Советском Союзе стандартный радиодиагностический тестер сочетал мультиметр с генератором, частотным смесителем и усилителем звука, которые могли выполнять эту задачу.

Осциллографы в массовой культуре

В 1950-х и 1960-х годах осциллографы часто использовались в фильмах и телевизионных программах для представления общего научного и технического оборудования, во многом так же, как лестницы Иакова и колбы Эрленмейера, наполненные сухим льдом, использовались более ранним поколением кинематографистов. В американском телешоу The Outer Limits 1963–65 годов в качестве фона для вступительных титров использовалось колеблющееся изображение осциллографа (« Нет ничего плохого в вашем телевизоре…. «), а в фильме Colossus: The Forbin Project особенно выделяется осциллограф Tektronix RM503, установленный в стойке.

Осциллограф мелочи

В те годы, когда осциллографы строились с использованием электронных ламп и, следовательно, большого количества высоковольтной электроники, в качестве сервисной процедуры рекомендовали мыть осциллограф! Компания Tektronix опубликовала рекомендованную процедуру в журнале своей компании TekScope , и да, она включала осторожное нанесение воды и средства для мытья посуды под низким давлением с последующим тщательным ополаскиванием и сушкой инструмента.Таким образом, техник по обслуживанию может удалить пыль и другие токопроводящие загрязнения, которые в противном случае могут помешать правильной калибровке прибора.

См. Также

Внешние ссылки

ca: Oscilloscopi da: Осциллограф de: Oszilloskop es: Osciloscopio fr: Осциллограф nl: Oscilloscoop ja: オ シ ロ ス コ ー プ pl: Оцилоскоп pt: Osciloscpio

Что такое осциллограф? — Определение с сайта WhatIs.com

Осциллограф — это лабораторный прибор, обычно используемый для отображения и анализа формы электронных сигналов.Фактически, устройство рисует график мгновенного напряжения сигнала как функции времени.

Типичный осциллограф может отображать сигналы переменного тока (AC) или пульсирующего постоянного тока (DC) с частотой примерно от 1 герц (Гц) или до нескольких мегагерц (МГц). Осциллографы высокого класса могут отображать сигналы с частотами до нескольких сотен гигагерц (ГГц). Дисплей разбит на так называемые горизонтальные (горизонтальные) и вертикальные (вертикальные) деления.Время отображается слева направо по горизонтальной шкале. Мгновенное напряжение отображается на вертикальной шкале, при этом положительные значения идут вверх, а отрицательные значения — вниз.

Самая старая форма осциллографа, которая до сих пор используется в некоторых лабораториях, известна как электронно-лучевой осциллограф . Он создает изображение, заставляя сфокусированный электронный луч перемещаться или перемещаться по поверхности электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Более современные осциллографы в электронном виде воспроизводят действие ЭЛТ, используя жидкокристаллический дисплей (жидкокристаллический дисплей), аналогичный тем, что есть на ноутбуках.В самых сложных осциллографах используются компьютеры для обработки и отображения сигналов. Эти компьютеры могут использовать любой тип дисплея, включая ЭЛТ, ЖК-дисплей и газовую плазму.

В любом осциллографе горизонтальная развертка измеряется в секундах на деление (с / дел), миллисекундах на деление (мс / дел), микросекундах на деление (с / дел) или наносекундах на деление (нс / дел). Вертикальное отклонение измеряется в вольтах на деление (В / дел), милливольтах на деление (мВ / дел) или микровольтах на деление (мкВ / дел).Практически все осциллографы имеют регулируемые настройки горизонтальной развертки и вертикального отклонения.

На рисунке показаны две распространенные формы сигналов, которые могут отображаться на экране осциллографа. Сигнал вверху представляет собой синусоидальную волну; сигнал внизу — это наклонная волна. Из этого дисплея видно, что оба сигнала имеют одинаковую или почти одинаковую частоту. У них также примерно одинаковая размах амплитуды. Предположим, что скорость горизонтальной развертки в этом случае составляет 1 мкс / дел.Затем обе эти волны завершают полный цикл каждые 2 мкс, поэтому их частоты составляют примерно 0,5 МГц или 500 килогерц (кГц). Если вертикальное отклонение установлено, например, на 0,5 мВ / дел, то обе эти волны имеют размах амплитуды примерно 2 мВ.

В наши дни типичными осциллографами высокого класса являются цифровые устройства. Они подключаются к персональным компьютерам и используют свои дисплеи. Хотя в этих машинах больше не используются сканирующие электронные лучи для генерации изображений волновых форм, как в старых электронно-лучевых «прицелах», основной принцип остается тем же.Программное обеспечение контролирует скорость развертки, вертикальное отклонение и множество других функций, в том числе:

• Сохранение форм сигналов для дальнейшего использования и сравнения
• Отображение нескольких сигналов одновременно
• Спектральный анализ
• Мобильность
• Опция питания от батареи
• Удобство использования со всеми популярными операционными платформами
• Увеличение и уменьшение масштаба
• Многоцветные дисплеи

Как работает осциллограф

Осциллограф — это устройство для графического отображения сигналов переменного напряжения, обычно в виде откалиброванной диаграммы нескольких сигналов.После отображения формы волны можно проанализировать ее свойства, такие как амплитуда, частота и т. Д. Он использует метод временной области для отображения изменений электрических сигналов, прошедших через него. Они широко известны под разными названиями, включая CRO и DSO, которые возникли в результате измерения изменений напряжения во времени на основе событий.

Осциллограф — важный лабораторный прибор. Этот прибор используется для измерения напряжения, тока, частоты и мощности. В этом сообщении блога мы обсудим, как работают осциллографы и для чего они используются сегодня.

Что такое осциллограф?

В школе вы, наверное, составляли диаграммы и, вероятно, видели их в газетах. Эти графики часто показывают, как меняется значение количества с течением времени, например, частота сердечных сокращений, цена акций или национальный обменный курс. Ось Y представляет величину по вертикали, а ось X представляет период по горизонтали. Если у вас не было осциллографа, вы можете обнаружить, что построение таких диаграмм занимает много времени.Вы можете подавать сигналы осциллографа с датчиков, подключенных к электронным схемам, научным приборам или медицинским мониторам, для автоматического рисования диаграмм.

Для чего можно использовать осциллографы?

Осциллограф можно использовать для наблюдения за сигналами разными способами. На курсах электроники осциллографы будут использоваться для отслеживания изменений сигналов схемы с течением времени. Их также можно использовать для устранения неполадок телевизоров, радио и многого другого. Коаксиальные кабели используются для подключения пробников типичного осциллографа к электрическим токам, но это не означает, что осциллографы могут измерять только электричество.Вы можете использовать осциллограф для измерения практически всего, когда вы присоединяете преобразователь (который преобразует один тип энергии в другой). Среди различных типов преобразователей, которые можно использовать для изучения звуковых сигналов с помощью осциллографа, есть микрофоны (которые преобразуют звуковую энергию в электрический сигнал), термопары (которые измеряют изменения температуры) или пьезоэлектрические преобразователи (которые вырабатывают электричество при сжатии).

Что делает осциллографы такими полезными, так это их способность визуализировать и понимать невидимые сигналы.Ультразвук превышает порог слышимости человека, поэтому по определению он не может быть услышан людьми. Однако, если вы воспользуетесь осциллографом, вы легко сможете это увидеть и изучить. С другой стороны, осциллограф дает возможность видеть и изучать звуки таким образом, который иначе был бы невозможен для людей с нарушениями слуха.

Как работает осциллограф

Несмотря на неисчислимое сходство, осциллографы почти ничем не отличаются от традиционных телевизоров.Часто осциллографы называют электронно-лучевыми осциллографами. Задняя часть экрана телевизора покрыта люминофором, который заставляет электронные лучи сканировать его взад и вперед. Люминофор загорается, когда луч попадает на экран. Электронные лучи проходят по экрану менее чем за мгновение ока и создают изображение, которое вы видите. Потом все снова и снова. Еще раз. Еще раз. Итак, вместо неподвижного изображения вы видите движущееся. Осциллографы работают примерно так же, за исключением того, что электронные лучи рисуют графики, а не изображения.Что вы действительно видите, когда смотрите на линию на экране осциллографа, так это колебание электронного луча!

Следует иметь в виду, что то, что отображается на вашей экранной диаграмме, зависит от сигналов, передаваемых в соединения x и y. Традиционные осциллографы являются аналоговыми устройствами, потому что они однозначно соответствуют этим двум вещам. В качестве альтернативы можно сказать, что след на экране — это аналог вашего объекта исследования.

Типы осциллографов

ЭЛТ и ЖК-дисплей

Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) использовались для создания осциллографов, как мы уже узнали.Его объем, вес, энергопотребление, ненадежность и стоимость делают его непривлекательным вложением средств. Телевизоры с ЭЛТ все чаще заменяются более удобными жидкокристаллическими экранами. Итак, осциллографы с ЭЛТ почти все заменяются плоскими ЖК-экранами. В отличие от старых осциллографов, ЖК-осциллографы рисуют следы через цифровую электронику вместо движущихся электронных лучей, эффективно имитируя то, что происходит при использовании старой технологии. Как правило, дешевле и компактнее использовать ЖК-осциллографы.

В традиционном осциллографе используется полностью аналоговая технология. Вы можете подавать им сигналы, и они будут отображать их на экране в соответствии с тем, что вы вводите. Осциллограф с ЖК-дисплеем обычно представляет собой цифровой осциллограф. Аналоговые сигналы преобразуются в цифровую форму аналого-цифровыми преобразователями, затем числа отображаются на экране.

Осциллографы с подключаемым модулем

(USB)

Компьютеры, планшеты и смартфоны уже поставляются с ЭЛТ- или ЖК-дисплеями, поэтому покупать лучший USB-осциллограф больше не нужно для случайного использования в хобби.Многие компании продают доступные осциллографы для мобильных устройств, которые подключаются к USB-портам или имеют аналогичные провода. Вы можете использовать ПК или мобильное устройство в качестве осциллографа, если у вас есть одна из этих программ. Как здорово иметь такую ​​возможность!

Как работает осциллограф

Аналоговый осциллограф

Давайте посмотрим, как работают аналоговые осциллографы. Вот блок-схема, которая легко показывает процесс. Давайте взглянем на схему и прочтем полное описание, чтобы узнать, как работает аналоговый осциллограф:

Блок-схема аналогового осциллографа

Зонд:

Ваша тестируемая схема подключена к этой части.Осциллограф измеряет разницу между двумя точками (напряжение) с помощью щупов, у каждого из которых обычно по два наконечника.

Усилитель / Аттенюатор:

Часто необходимо усилить (увеличить амплитуду) или ослабить (уменьшить амплитуду) электрический сигнал, прежде чем он может быть разумно отображен для пользователя или без повреждения внутренней схемы осциллографа.

Триггерная система:

Триггеры определяют, когда осциллограф начинает отображать осциллограммы, в зависимости от условий, заданных пользователем (например, порогового значения напряжения).Это может быть чрезвычайно полезно при обнаружении прерывистых импульсов в цепи или при синхронизации дисплея с регулярными шаблонами, такими как синусоидальные волны, чтобы шаблон оставался устойчивым на экране.

Генератор развертки:

Генераторы развертки

создают диаграммы пилообразного напряжения для управления горизонтальными пластинами в ЭЛТ. С помощью этой техники луч света перемещается с одной стороны ЭЛТ на другую. Генератор развертки можно настроить на получение определенной частоты и запуска.

Горизонтальный усилитель:

Горизонтальный усилитель, который может управлять горизонтальными пластинами в ЭЛТ, очень похож на то, что было найдено после зонда. Он усиливает пилообразную волну от генератора развертки для управления амплитудой горизонтальных пластин.

CRT:

Экран с люминофорным покрытием освещается электронной пушкой, которая непрерывно направляет на него электроны. Луч отклоняется двумя наборами пластин. С помощью напряжения зонда можно напрямую контролировать вертикальное покрытие, а с помощью генератора развертки — горизонтальное покрытие.Сплошная линия отображается на экране при быстром отклонении луча. Поскольку напряжение зонда изменяется со временем, это отображается в этой строке на дисплее.

Цифровой осциллограф

В 1980-х годах компания Nicolet изготовила цифровой осциллограф (DSO), используя относительно медленный аналого-цифровой преобразователь (ADC). Цифровые осциллографы стали быстрее, меньше и популярнее по мере развития цифровых технологий.

Цифровые сигнальные процессоры

— это сложные компьютеры, оснащенные аналогово-цифровыми преобразователями высокого класса.Несмотря на то, что существует много функций и возможностей, аналогичных тем, которые используются в более старых аналоговых осциллографах, есть и новые.

Давайте взглянем на схему и прочтем полное описание, чтобы узнать, как работает цифровой осциллограф:

Блок-схема цифрового запоминающего осциллографа

Зонд:

Для проверки вашей схемы вам понадобится осциллограф, который может измерять напряжение между двумя точками. Наконечники большинства пробников прикреплены к разным узлам вашей цепи.

Усилитель / Аттенюатор:

В осциллографах электрические сигналы усиливаются или ослабляются схемами. Это обеспечит эффективное отображение и предотвратит повреждение внутренних компонентов.

Выбор триггера:

Большинство осциллографов могут отображать формы сигналов, запускаемые внутренним или внешним сигналом (из другого источника).

Логика управления:

Возможность для пользователя настроить логику захвата и отображения сигнала.Аналоговые осциллографы имеют горизонтальные элементы управления, аналогичные элементам управления на панели управления, но они предлагают больше возможностей.

АЦП:

Частота дискретизации определяется управляющей логикой аналого-цифрового преобразователя. Из этих образцов создаются двоичные числа, которые затем сохраняются в памяти.

Память:

В памяти дискретизированные сигналы представлены цифровыми данными. Используя эту информацию, можно сгенерировать график, представляющий близкое приближение к исходному электрическому сигналу.

Временная база:

Горизонтальная ось на дисплее управляется временной разверткой, установленной управляющей логикой. Пользователь может настроить временную развертку на основе одной точки запуска для захвата спорадических сигналов или для удержания периодических сигналов, таких как синусоидальные волны, устойчивыми на дисплее в течение определенного периода.

Дисплей:

Осциллограф отображает осциллограммы на экране, комбинируя память с временной разверткой и отображая осциллограммы из памяти. Форма волны, в которой напряжение и время представлены как ось Y и ось X, соответственно, часто представляет собой дискретизированный сигнал.В старых DSO в качестве дисплеев используются ЭЛТ-дисплеи, но в большинстве современных DSO используются ЖК-дисплеи.

Эволюция осциллографов

С момента своего изобретения осциллограф превратился в более умное и мощное испытательное оборудование. Осциллографы на базе ПК очень портативны и позволяют анализировать и отображать сигналы с вычислительной мощностью компьютера. Осциллограф с цифровым люминофором (DPO) может отображать частоту появления сигнала таким образом, чтобы имитировать аналоговый осциллограф.

Логические анализаторы

специализируются на отображении цифровых сигналов, что стало возможным благодаря осциллографам. Осциллограф смешанных сигналов (MSO) является результатом объединения этих двух мощных приборов. Аналоговые сигналы могут отображаться на MSO, как осциллографы, а цифровые сигналы можно анализировать как логические анализаторы.

FAQ

Каков принцип работы осциллографа?

Напряжение можно измерить с помощью осциллографа. Во время этого процесса протекает небольшой ток, чтобы измерить падение напряжения на резисторе.С помощью электрического поля падение напряжения усиливается и отклоняет электронный пучок либо по оси X (по горизонтали), либо по оси Y (по вертикали).

Для чего нужен осциллограф?

С помощью осциллографа (или осциллографа) сигналы напряжения проверяются и представляются в виде сигналов. Графики используются для отображения изменения сигналов.

Какие основные компоненты осциллографа?

Осциллографы

состоят из трех основных частей — горизонтальной системы, вертикальной системы и триггерной системы.Осциллограф может точно восстанавливать сигналы в зависимости от вклада каждой системы. Осциллографы имеют три отдельные передние панели: вертикальную, горизонтальную и триггерную.

Нужен ли осциллограф?

Это правда, что осциллографы в основном используются для измерения электрических сигналов. Кроме того, он также имеет довольно высокую степень точности для измерения в основном постоянных уровней напряжения. Более того, он может обнаруживать небольшие колебания заряда батареи, что невозможно с большинством мультиметров.

Почему осциллографы такие дорогие?

Осциллограф — прецизионный прибор. Чтобы гарантировать соответствие стандартам, они должны проходить строгий контроль качества. В результате расходы продолжают расти. Кроме того, более высокая пропускная способность означает более высокие затраты.

Заключение

Осциллографу потребовалось всего несколько десятилетий, чтобы превратиться из своего раннего аналогового прибора, который мог делать лишь немного больше, чем отображать напряжение и частоту, в сложное устройство с возможностями ПК.Эти современные устройства могут обрабатывать сигналы со скоростью до 300 МГц, что намного выше, чем у любого другого аналогового осциллографа, когда-либо созданного.

Сегодня на рынке представлены даже цифровые люминофорные осциллографы (DPO), которые имитируют внешний вид своих предшественников, но обладают всей этой мощностью. Если вы хотите узнать больше о том, как работают эти инструменты или какие типы существуют, дайте нам знать!

Как работает осциллограф? — autooscilloscope.com

Вы должны сначала узнать значение, прежде чем понимать, как работает осциллограф.Осциллограф — это лабораторное устройство, обычно используемое для отображения и анализа сигналов. Устройство строит временной график мгновенного напряжения сигнала.

Стандартный осциллограф может отображать сигналы с частотой от 1 герца (Гц) или нескольких мегагерц (МГц) переменного (переменного) или пульсирующего постоянного тока (DC). Сигналы с частотами до нескольких сотен гигагерц (ГГц) могут отображаться в осциллографах высокого класса. Отображение делится на горизонтальное (горизонтальное деление) и вертикальное (вертикальное деление).Время отображается по горизонтали слева направо. На вертикальной шкале отображается мгновенное значение напряжения с увеличением положительных значений и убыванием отрицательных значений.

Есть две разновидности осциллографов: аналоговый и цифровой, оба управления одинаковы; Примечательно, что цифровые прицелы могут скрывать некоторые элементы управления из меню ЖК-дисплея, вместо того, чтобы использовать кнопку или кнопку.

В аналоговом устройстве форма сигнала отображается в исходной форме, в то время как цифровой осциллограф делает выборку и преобразует ее в цифровые числа, чтобы затем сохранить в цифровой форме.Цифровой сигнал также используется для преобразования исходного аналогового сигнала.

Как это работает: цифровой и аналоговый осциллограф

Цифровой осциллограф

(Пример цифрового осциллографа)

Осциллограф — это лабораторное устройство, которое часто используется для отображения и анализа сигналов. Устройство рисует диаграмму зависимости напряжения от времени мгновенного сигнала. Форма волны сначала дискретизируется числовым осциллографом и преобразуется в цифровой кодированный сигнал аналого-цифровым преобразователем.

Осциллограф обрабатывает этот цифровой сигнал, чтобы восстановить форму сигнала на экране. Даже несмотря на подключенные ПК, цифровое хранилище позволяет обрабатывать данные. Данные, хранящиеся в этом осциллографе, можно просматривать или обрабатывать в любое время, включая переходные процессы, которые недоступны в аналоговых осциллографах.

Доступны три цифровых осциллографа, которые классифицируются как цифровые стробоскопические осциллографы, цифровые фосфорные осциллографы и цифровые запоминающие осциллографы. Некоторые цифровые осциллографы идентичны системам аналоговых осциллографов, но цифровые осциллографы имеют дополнительные системы обработки данных.При добавлении систем цифровой осциллограф собирает и отображает данные для всей формы сигнала.

Вертикальная система регулирует амплитуду сигнала, когда вы подключаете цифровой осциллограф к цепи, как аналоговый осциллограф.

Затем в системе сбора данных аналого-цифровой преобразователь (АЦП) производит выборку сигнала в дискретных временных точках и преобразует напряжение сигнала в этих точках выборки в значения цифровых точек выборки. Тактовая частота дискретизации горизонтальной системы определяет, сколько отсчетов принимает АЦП.Частота тактов часов — это частота дискретизации, которая измеряется в отсчетах в секунду.

Точки отсчетов АЦП хранятся в памяти как точки сигнала. Можно сделать более одной точки сигнала. Точки сигнала вместе составляют запись сигнала. Количество точек сигнала, используемых для записи сигнала, называется длиной записи. Система триггеров определяет начало и конечные точки записи. После сохранения в памяти дисплей получает эти точки записи.

В зависимости от возможностей вашего осциллографа может произойти дополнительная обработка выборок, улучшающая отображение.Можно использовать предварительный запуск, чтобы отображать события до точки запуска.

Методы отбора проб

Цифровой осциллограф умеет собирать точки выборки. Цифровой осциллограф легко снимает более чем достаточно, чтобы создать точную картину плавно изменяющихся сигналов. Однако осциллограф не может собрать достаточное количество отсчетов для более быстрых сигналов (поскольку осциллограф зависит от максимальной частоты дискретизации). Цифровой осциллограф может делать две вещи:

• За один проход (в режиме выборки в реальном времени) он может собрать несколько точек выборки сигнала и использовать интерполяцию.Интерполяция — это метод обработки, позволяющий оценить, как в некоторых отношениях выглядит форма волны.
• Изображение формы волны можно построить с течением времени, пока сигнал повторяется (режим выборки с эквивалентным временем).

Выборка в реальном времени с интерполяцией

В качестве стандартного метода выборки цифровые осциллографы используют выборку в реальном времени. Осциллограф собирает как можно больше выборок в процессе выборки в реальном времени. Цифровые осциллографы отображают сигналы с такой скоростью, что осциллограф может собрать только несколько точек выборки, интерполяция «связывает точки».

Только линейная интерполяция может связывать точки выборки с прямыми линиями. Точки выборки связаны посредством интерполяции sin (или интерполяции sin x по x). Интерполяция sin x over x в проигрывателях компакт-дисков похожа на процесс «передискретизации». Точки между истинными отсчетами вычисляются с помощью синусовой интерполяции. Сигнал может быть точно отображен или точно воспроизведен с помощью проигрывателя компакт-дисков, используя эту процедуру, которая дискретизируется только несколько раз в течение каждого цикла.

Выборка в эквивалентном времени

Некоторые цифровые осциллографы могут использовать время выборки для очень быстрого захвата повторяющихся сигналов. Выборка эквивалентного времени создает изображение повторяющегося сигнала, извлекая из каждого повторения немного информации. Вы видите, что форма волны постепенно увеличивается, как одна за другой световые полосы. При выборке последовательности точки появляются последовательно слева направо; при произвольной выборке точки появляются на осциллограмме случайным образом.

---

Похожие сообщения

---

Аналоговый осциллограф

(Пример аналогового осциллографа)

Аналоговый осциллограф использует электронно-лучевую трубку и также известен как электронно-лучевой осциллограф. В аналоговом осциллографе электронное оружие с тепловым нагревом пропускает электроны, а электрический луч накладывается приложенным постоянным напряжением на флуоресцентный экран в виде светового пятна.

Управляющая сетка перемещает пучок в осевом направлении и контролирует количество и скорость электронов пучка.Импульс электронов на дисплее определяет яркость объекта. Чтобы контролировать интенсивность, использование более отрицательного напряжения предотвращает меньшее количество электронов. Переменное положительное напряжение на втором аноде регулируется для резкости трассировки.

Когда датчик осциллографа подключен к цепи, сигнал растяжения проходит через датчик в вертикальную систему осциллографа. Это упрощенная блок-схема, показывающая измеренный сигнал, отображаемый на аналоговом осциллографе.

Аттенюатор снижает напряжение сигнала или усилитель увеличивает напряжение сигнала в зависимости от способа настройки вертикального измерения (регулировка вольт / деление).

Затем сигнал поступает прямо на вертикальные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Напряжение на этих разрядных пластинах перемещает сверкающее пятно. Положительное напряжение заставляет точку подниматься, а отрицательное напряжение заставляет точку уменьшаться. (ЭЛТ создает светящуюся точку при попадании электронного луча на фосфор.

Сигнал также используется для запуска системы «горизонтальной развертки». Это выражение относится к действию горизонтальной системы, которая приводит к перемещению искрящейся точки на экран.Горизонтальная система активирует горизонтальную временную основу для перемещения скользкой точки по экрану слева направо. Движение точки блеска смешивается в быстрой последовательности в сильную линию с множеством движений. Каждую секунду он может достигать скорости до 500 000 раз выше.

Горизонтальная развертка и вертикальное движение отслеживаются графиком сигнала на экране. Триггер необходим для стабилизации повторяющегося сигнала. Это гарантирует, что повторяющийся сигнал начинается одновременно с разверткой, и дает четкое изображение.

Для использования аналогового осциллографа необходимо настроить три основных параметра для соответствия входящему сигналу:

• Уменьшение или усиление сигнала. Используйте регулятор напряжения / деления перед тем, как приложить его к вертикальным отклоняющим пластинам, чтобы отрегулировать амплитуду сигнала.
• Чтобы установить время по горизонтали на одно деление дисплея по дисплею, используйте элемент управления сек / дел.
• Осциллограф запускается. Используйте уровень запуска для стабилизации повторяющегося сигнала и запуска одиночного события.Кроме того, вы можете сделать четкое видимое изображение, отрегулировав фокус и яркость.

Заключение

Одним из важных факторов, которые следует учитывать, является стоимость покупки осциллографа. Аналоговые осциллографы намного более экономичны по сравнению с их дорогостоящими цифровыми аналогами, что увеличивает стоимость оборудования за счет использования высокотехнологичных соединений и затрат на разработку.

Недостаток аналогового устройства здесь быстро становится очевидным.Классическими недостатками являются ошибки ортогональности, пузырчатость кромки, ошибки булавки и нелинейности. В то время как цифровой осциллограф сегодня идеально подходит для высокочастотных сигналов, эти устройства могут эффективно записывать, хранить и анализировать более обширные функции, сигналы и частоты. Аналоговый осциллограф хранит изображение, которое находится далеко от корпуса цифрового осциллографа, а не сигнал на лампе.

Подходит для использования в промышленных приложениях и лабораториях электроники, аналоговый осциллограф, производительность.Однако аналоговые осциллографы ненадежны, когда речь идет о приложениях высокого класса.

Использование цифровых осциллографов — единственный путь для передовых исследований и приложений. У цифрового запоминающего осциллографа есть и другие преимущества. Он не требует, чтобы электронно-лучевая трубка была неэффективной, но работает энергоэффективно с ЖК-технологией, а отображение измеренных данных является точным и лучшим. Он намного меньше. В последнюю очередь, но не в последнюю очередь, убеждают более быстрые процессоры в этих устройствах.Современные цифровые осциллографы также работают, что делает их бесспорно мощными с расширенными возможностями анализа сигналов.

Катодно-лучевые осциллографы

— рабочие и эксплуатационные характеристики

В этом посте мы подробно обсудим, как работают катодно-лучевые осциллографы (CRO), и их внутреннюю конструкцию. Мы также узнаем, как использовать CRO, используя различные элементы управления, и разберемся в графическом представлении различных входных сигналов на экране дисплея осциллографа.

Важность электронно-лучевых осциллографов (CRO)

Мы знаем, что большинство электронных схем задействуют и работают исключительно с использованием электронных или цифровых сигналов, которые обычно формируются как частота.Эти сигналы играют важную роль в таких схемах в виде аудиоинформации, компьютерных данных, телевизионных сигналов, генераторов и генераторов синхронизации (применяемых в радарах) и т. Д. Поэтому точное и правильное измерение этих параметров становится очень важным при тестировании и устранении неисправностей этих типов. схем

Широко доступные измерители, такие как цифровые мультиметры или аналоговые мультиметры, имеют ограниченные возможности и могут измерять только постоянное или переменное напряжение, ток или полное сопротивление.Некоторые продвинутые измерители могут измерять сигналы переменного тока, но только если сигнал сильно уточнен и имеет форму определенных неискаженных синусоидальных сигналов. Следовательно, эти измерители не могут служить цели, когда дело доходит до анализа цепей, включающих форму волны и синхронизированные циклы.

В отличие от этого осциллограф — это устройство, которое разработано для приема и точного измерения формы сигнала, позволяя пользователю визуализировать форму импульса или форму сигнала на практике.

CRO — один из тех осциллографов высокого класса, которые позволяют пользователю видеть визуальное представление применяемой формы сигнала.

В нем используется электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) для создания визуального отображения, соответствующего сигналу, подаваемому на вход в виде формы волны.

Электронный луч внутри ЭЛТ совершает отклоненные движения (развертки) по поверхности трубки (экрана) в ответ на входные сигналы, создавая визуальный след на экране, представляющий форму волны. Эти непрерывные кривые затем позволяют пользователю изучить форму волны и проверить ее характеристики.

Функция осциллографа для получения фактического изображения формы сигнала становится очень полезной по сравнению с цифровыми мультиметрами, которые могут предоставлять только числовые значения формы сигнала.

Как мы все знаем, электронно-лучевые осциллографы работают с электронными лучами для отображения различных показаний на экране осциллографа. Для отклонения или обработки луча по горизонтали используется операция, называемая разверткой напряжения , в то время как вертикальная обработка выполняется с помощью измеряемого входного напряжения.

КАТОДНАЯ ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА — ТЕОРИЯ И ВНУТРЕННЯЯ КОНСТРУКЦИЯ

Внутри электронно-лучевого осциллографа (CRO) электронно-лучевая трубка (CRT) становится основным компонентом устройства.ЭЛТ становится ответственным за формирование изображения сложной формы волны на экране осциллографа.

ЭЛТ в основном состоит из четырех частей:

1. Электронная пушка для генерации электронного луча.
2. Фокусирующие и ускоряющие компоненты для создания точного пучка электронов.
3. Горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины для управления углом электронного луча.
4. Вакуумный стеклянный корпус, покрытый фосфоресцентным экраном для создания необходимого видимого свечения в ответ на попадание электронного луча на его поверхность

На следующем рисунке представлены основные детали конструкции ЭЛТ

Теперь давайте разберемся, как ЭЛТ работает со своими основными функциями.

Принцип работы катодно-лучевого осциллографа (CRO)

Горячая нить накала внутри ЭЛТ используется для нагрева катодной (K) стороны трубки, состоящей из оксидного покрытия. Это приводит к мгновенному высвобождению электронов с поверхности катода.

Элемент, называемый управляющей сеткой (G), контролирует количество электронов, которые могут проходить дальше по длине трубки. Уровень напряжения, приложенного к сетке, определяет количество электронов, высвобождаемых из нагретого катода, и сколько из них может двигаться вперед к поверхности трубки.

Как только электроны преодолевают контрольную сетку, они проходят последующую фокусировку в острый луч и ускорение с высокой скоростью с помощью ускорения анода.

Этот сильно ускоренный электронный пучок на следующем этапе проходит между парой наборов отклоняющих пластин. Угол или ориентация первой пластины сохраняется таким образом, что она отклоняет электронный луч вертикально вверх или вниз. Это, в свою очередь, контролируется полярностью напряжения, приложенного к этим пластинам.

Также степень отклонения балки определяется величиной напряжения, приложенного к пластинам.

Этот управляемый отклоненный луч затем проходит через большее ускорение за счет чрезвычайно высоких напряжений, приложенных к трубке, что в конечном итоге приводит к попаданию луча на покрытие фосфоресцирующего слоя на внутренней поверхности трубки.

Это мгновенно вызывает свечение люминофора в ответ на попадание электронного луча, генерирующего видимое свечение на экране для пользователя, работающего с прицелом.

ЭЛТ — это независимый комплектный блок, имеющий соответствующие клеммы, выступающие через заднее основание с определенными выводами.

На рынке доступны различные формы ЭЛТ различных размеров, с различными трубками с люминофорным покрытием и расположением отклоняющих электродов.

Давайте теперь немного подумаем о том, как использовать ЭЛТ в осциллографе.

Шаблоны формы волны, которые мы визуализируем для данного образца сигнала, выполняются следующим образом:

Поскольку напряжение развертки перемещает электронный луч горизонтально на внутренней поверхности экрана ЭЛТ, входной сигнал, который измеряется одновременно, заставляет луч для отклонения по вертикали, генерируя на экранном графике необходимый рисунок для нашего анализа.

Что такое однократная развертка

Каждая развертка электронного луча на экране ЭЛТ сопровождается дробным «пустым» интервалом времени. Во время этой пустой фазы луч на короткое время выключается, пока не достигнет начальной точки или предыдущей крайней стороны экрана. Этот цикл каждой развертки называется «одна развертка луча»

Для получения стабильного отображения формы сигнала на экране предполагается, что электронный луч должен многократно «качаться» слева направо и наоборот с использованием идентичного изображения для каждый проход.

Для этого становится необходима операция, называемая синхронизацией, которая гарантирует, что луч возвращается и повторяет каждую развертку из одной и той же точки на экране.

При правильной синхронизации форма сигнала на экране выглядит стабильной и постоянной. Однако, если синхронизация не применяется, форма сигнала будет медленно дрейфовать по горизонтали от одного конца экрана к другому.

Основные компоненты CRO

Основные элементы CRO можно увидеть на рис.22.2 ниже. Мы собираемся в первую очередь проанализировать детали работы CRO для этой базовой блок-схемы.

Для достижения значимого и узнаваемого отклонения луча, по крайней мере, на расстояние от сантиметра до нескольких сантиметров, типичный уровень напряжения, используемого на отклоняющих пластинах, должен быть минимум в десятки или даже сотни вольт.

Из-за того, что импульсы, оцениваемые с помощью CRO, обычно имеют величину всего несколько вольт или самое большее несколько милливольт, необходимы подходящие схемы усилителя для повышения входного сигнала до оптимальных уровней напряжения, необходимых для работы лампы. .

Фактически используются усилительные каскады, которые помогают отклонять луч как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости.

Чтобы иметь возможность адаптировать уровень входного сигнала, который анализируется, каждый входной импульс должен проходить через каскад схемы аттенюатора, предназначенный для увеличения амплитуды дисплея.

ОПЕРАЦИЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Операция развертки напряжения осуществляется следующим образом:

В ситуациях, когда вертикальный вход удерживается на уровне 0 В, предполагается, что электронный луч будет виден в центре вертикальной плоскости экрана.Если к горизонтальному входу одинаково подано напряжение 0 В, луч располагается в центре экрана и выглядит как сплошное тело, а в центре — канцелярские товары DOT .

Теперь эту «точку» можно перемещать в любом месте на экране, просто манипулируя кнопками управления по горизонтали и вертикали осциллографа.

Положение точки также можно изменить с помощью определенного постоянного напряжения, подаваемого на вход осциллографа.

На следующем рисунке показано, как можно точно контролировать положение точки на экране ЭЛТ с помощью положительного горизонтального напряжения (направо) и отрицательного вертикального входного напряжения (вниз от центра).

Сигнал горизонтальной развертки

Для того, чтобы сигнал стал видимым на ЭЛТ-дисплее, становится обязательным включить отклонение луча посредством горизонтальной развертки по экрану, чтобы любой соответствующий входной вертикальный сигнал позволял отражать изменение на экране .

Из Рис. 22.4 ниже мы можем визуализировать прямую линию на дисплее, полученную из-за подачи положительного напряжения на вертикальный вход через линейный (пилообразный) сигнал развертки, приложенный к горизонтальному каналу.

Когда электронный луч удерживается на выбранном фиксированном расстоянии по вертикали, горизонтальное напряжение перемещается от отрицательного до нуля к положительному, заставляя луч перемещаться от левой стороны экрана к центру и к правой стороне. экрана. Это движение электронного луча создает прямую линию над центральной вертикальной точкой отсчета, отображающую соответствующее постоянное напряжение в виде линии звездного света.

Вместо того, чтобы производить одиночную развертку, напряжение развертки реализуется так, чтобы работать как непрерывная форма волны.По сути, это необходимо для того, чтобы на экране было постоянное отображение. Если использовать только один проход, он не продлится долго и мгновенно исчезнет.

Вот почему повторяющиеся развертки генерируются в ЭЛТ в секунду, что создает видимость непрерывной формы волны на экране из-за нашего постоянного зрения.

Если мы уменьшим указанную выше скорость развертки в зависимости от шкалы времени, представленной на осциллографе, на экране можно будет наблюдать реальное движущееся впечатление луча.Если на вертикальный вход подается только синусоидальный сигнал без горизонтальной развертки, мы увидим вертикальную прямую линию, как показано на рис. 22.5.

И если скорость этого синусоидального вертикального входа значительно уменьшится, мы сможем увидеть, как электронный луч движется вверх вниз по прямой линии.

Использование линейной пилообразной развертки для отображения вертикального входа

Если вы хотите исследовать синусоидальный сигнал, вам придется использовать сигнал развертки на горизонтальном канале.Это позволит сигналу, приложенному к вертикальному каналу, стать видимым на экране CRO.

Практический пример можно увидеть на рис. 22.6, который показывает форму волны, генерируемую путем использования горизонтальной линейной развертки вместе с синусоидальным или синусоидальным входом через вертикальный канал.

Чтобы получить единый цикл на экране для применяемого входа, становится важной синхронизация входного сигнала и частот линейной развертки. Даже с небольшой разницей или неправильной синхронизацией дисплей может не отображать никаких движений.

Если частота развертки уменьшается, большее количество циклов синусоидального входного сигнала может быть видно на экране CRO.

С другой стороны, если мы увеличим частоту развертки, на экране дисплея будет отображаться меньшее количество циклов вертикального входного синусоидального сигнала. Это фактически привело бы к генерации увеличенной части приложенного входного сигнала на экране CRO.

Решенный практический пример:

На рисунке 22.7 мы можем видеть экран осциллографа, отображающий импульсный сигнал в ответ на импульсную форму волны, приложенную к вертикальному входу с горизонтальной разверткой

Нумерация для каждой формы волны позволяет отображать для отслеживания изменений входного сигнала и напряжения развертки для каждого цикла.

СИНХРОНИЗАЦИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Регулировка электронно-лучевого осциллографа выполняется путем регулировки скорости с точки зрения частоты для создания одного цикла импульса, большого количества циклов или части цикла формы сигнала, и эта функция становится единым целым. CRO — важнейшая особенность любой CRO.

На рис. 22.8 мы можем видеть экран CRO, отображающий ответ на несколько циклов сигнала развертки.

Для каждого выполнения горизонтальной пилообразной развертки напряжения через линейный цикл развертки (имеющий предел от максимального отрицательного предела нуля до максимального положительного) заставляет электронный луч перемещаться горизонтально через область экрана CRO, начиная слева, в центр, а затем справа от экрана.

После этого пилообразное напряжение быстро возвращается к начальному пределу отрицательного напряжения с соответствующим перемещением электронного луча в левую часть экрана. В течение этого периода времени, когда напряжение развертки претерпевает быстрое возвращение к отрицательному значению (обратный ход), электрон проходит через холостую фазу (в которой напряжение сетки препятствует удару электронов о поверхность трубки)

Для обеспечения возможности отображения дисплея Для создания стабильного изображения сигнала для каждого развертки луча становится важным инициировать развертку с одной и той же точки в цикле входного сигнала.

На рис. 22.9 мы видим, что довольно низкая частота развертки заставляет дисплей создавать видимость дрейфа луча влево.

При установке высокой частоты развертки, как показано на рисунке 22.10, на экране появляется видимость смещения луча вправо.

Само собой разумеется, что регулировка частоты сигнала развертки, точно равной частоте входного сигнала, может оказаться очень трудной или непрактичной для достижения устойчивой или постоянной развертки на экране.

Более реалистичное решение — дождаться возврата сигнала в начальную точку кривой в цикле. Этот тип запуска включает в себя некоторые полезные функции, которые мы обсудим в следующих параграфах.

Запуск

Стандартный подход к синхронизации использует небольшую часть входного сигнала для переключения генератора развертки, который заставляет сигнал развертки фиксироваться или синхронизироваться с входным сигналом, и этот процесс синхронизирует два сигнала вместе.

На рис. 22.11 мы можем видеть блок-схему, иллюстрирующую выделение части входного сигнала в одноканальном осциллографе.

Этот сигнал запуска извлекается из частоты сети переменного тока (50 или 60 Гц) для анализа любых внешних сигналов, которые могут быть связаны или связаны с сетью переменного тока, или могут быть связанным сигналом, применяемым в качестве вертикального входа в CRO.

Когда селекторный переключатель установлен в положение «ВНУТРЕННИЙ», позволяет использовать часть входного сигнала схемой триггерного генератора.Затем выходной сигнал генератора триггера используется для инициирования или запуска основной развертки CRO, которая остается видимой в течение периода, установленного регулятором time / cm осциллографа.

Инициализацию запуска в нескольких различных точках в сигнальном цикле можно визуализировать на рис. 22.12. Функционирование развертки триггера также может быть проанализировано с помощью результирующих шаблонов формы волны.

Сигнал, который применяется в качестве входа, используется для генерации формы сигнала запуска для сигнала развертки.Как показано на рис. 22.13, развертка начинается с цикла входного сигнала и продолжается в течение периода, определенного настройкой управления длиной развертки. Затем операция CRO ожидает, пока входной сигнал не достигнет идентичной точки в своем цикле, прежде чем инициировать новую операцию развертки.

Вышеописанный метод запуска включает процесс синхронизации, в то время как количество циклов, которые можно просматривать на дисплее, определяется длиной сигнала развертки.

MULTITRACE FUNCTION

Многие из расширенных CRO облегчают одновременный просмотр более чем одной или нескольких кривых на экране дисплея, что позволяет пользователю легко сравнивать специальные или другие специфические характеристики нескольких сигналов.

Эта функция обычно реализуется с использованием нескольких лучей от нескольких электронных пушек, которые генерируют отдельный луч на экране CRO, однако иногда это также выполняется с помощью одного электронного луча.

Есть несколько методов, которые используются для создания нескольких трасс: ALTERNATE и CHOPPED. В альтернативном режиме два сигнала, поступающие на вход, поочередно подключаются к каскаду отклоняющей цепи через электронный переключатель. В этом режиме луч перемещается по экрану CRO независимо от количества отображаемых кривых.После этого электронный переключатель альтернативно выбирает второй сигнал и делает то же самое и для этого сигнала.

Этот режим работы можно увидеть на рис. 22.14a.

Рис. 22.14b демонстрирует режим работы CHOPPED, в котором луч проходит повторяющееся переключение для выбора между двумя входными сигналами для каждого сигнала развертки луча. Это переключение или прерывание остается незаметным для относительно более низких частот сигнала и, по-видимому, отображается как две отдельные трассы на экране CRO.

Как измерить форму волны с помощью калиброванных шкал CRO

Вы могли заметить, что экран дисплея CRO состоит из четко обозначенной калиброванной шкалы. Это предусмотрено для измерений амплитуд и временного фактора для рассматриваемой формы сигнала.

Отмеченные единицы отображаются в виде прямоугольников, разделенных по 4 сантиметра (см) по обе стороны от коробок. Каждый из этих ящиков дополнительно разделен на интервалы по 0,2 см.

Измерение амплитуд:

Вертикальную шкалу на экране обратного осмоса можно увидеть откалиброванной в вольтах / см (В / см) или милливольтах / см (мВ / см).

С помощью настроек кнопок управления осциллографом и маркировки, представленной на лицевой стороне дисплея, пользователь может измерять или анализировать размах амплитуды сигнала формы сигнала или, как правило, переменного тока. сигнал.

Вот практический решенный пример для понимания того, как измеряется амплитуда на экране CRO:

Примечание. Это преимущество осциллографа перед мультиметрами, поскольку мультиметры предоставляют только среднеквадратичное значение сигнала переменного тока, а осциллограф может предоставить как значение RMS, так и размах сигнала.

Измерение времени (периода) цикла переменного тока с помощью осциллографа

Горизонтальная шкала на экране осциллографа помогает нам определить время цикла ввода в секундах, миллисекундах (мс) и микросекундах (мкс) ) или даже в наносекундах (нс).

Интервал времени, затрачиваемый импульсом на завершение цикла от начала до конца, называется периодом импульса. Когда этот импульс имеет форму повторяющейся волны, его период называется одним периодом формы волны.

Вот практический решенный пример, показывающий, как определить период формы волны с помощью калибровки экрана CRO:

Измерение ширины импульса

Каждая форма волны состоит из максимальных и минимальных пиков напряжения, называемых высоким и низким состояниями импульса. Интервал времени, в течение которого импульс остается в своем ВЫСОКОМ или НИЗКОМ состояниях, называется шириной импульса.

Для импульсов, фронты которых нарастают и спадают очень резко (быстро), ширина таких импульсов измеряется от начала импульса, называемого передним фронтом, до конца импульса, называемого задним фронтом, это показано на рис.22.19a.

Для импульсов, которые имеют довольно медленные или вялые циклы нарастания и спада (экспоненциальный тип), их ширина импульса измеряется по их 50% уровням в циклах, как показано на рис. 22.19b.

Следующий решенный пример помогает лучше понять описанную выше процедуру:

ПОНИМАНИЕ ЗАДЕРЖКИ ИМПУЛЬСА

Промежуток времени между импульсами в цикле импульсов называется задержкой импульса. Пример задержки импульса можно увидеть на рисунке 22 ниже.21 видно, что задержка здесь измеряется между средней точкой или уровнем 50% и начальной точкой импульса.

Рисунок 22.21

Практически решенный пример, показывающий, как измерить задержку импульса в CRO

Заключение:

Я попытался включить большинство основных деталей, касающихся работы катодно-лучевого осциллографа (CRO), и попытался чтобы объяснить, как использовать это устройство для измерения различных частотных сигналов через калиброванный экран.Однако может быть еще много аспектов, которые я мог пропустить здесь, тем не менее, я буду время от времени проверять и обновлять дополнительную информацию, когда это возможно.

Ссылка: https://en.