Осциллограф

Настройка

Для работы с осциллографом предварительно необходимо произвести калибровку его канала (каналов). Калибровка производится после прогрева прибора (примерно минут 5). Калибратор встроен в большинство осциллографов. Для калибровки высокочастотных моделей желательно иметь шнур с двумя разъемами (на выход калибратора и на вход осциллографа) иначе возможны искажения сигнала. Для низкочастотных моделей возможно просто коснуться щупом выхода калибратора. Далее ручка вольт/дел. ставится так, чтобы сигнал калибратора занимал 2—4 деления на экране (то есть, если калибратор 1 вольт,- то на 250 милливольт). После этого канал включается на переменное напряжение и на экране появится сигнал. Далее, в зависимости от частоты калибратора, ручка развёртки ставится в положение при котором видно не менее 5—7 периодов сигнала. Для частоты 1 килогерц частота развёртки, при которой каждый период занимает одно деление экрана, равен 1 мс (одна миллисекунда). Далее необходимо убедиться, чтобы сигнал на протяжении этих 5-7 периодов попадал точно по делениям экрана. Для аналоговых осциллографов нормируется как правило ±4 деления от центра экрана, то есть на протяжении восьми делений должен совпадать точно. Если не совпадает, следует поворачивать ручку плавного изменения развёртки добиваясь совпадения. Заодно проверяется амплитуда (размах) сигнала — она должна совпадать с тем, что написано на калибраторе. Если не совпадает, то необходимо добиться совпадения, поворачивая ручку плавного изменения чувствительности вольт/дел. Необходимо помнить, что если установлена чувствительность канала в 250 милливольт, то сигнал в 1 вольт занимает при правильной настройке 4 деления. После калибровки прибор будет показывать сигнал точно. Теперь можно не только смотреть, но и измерять сигналы.

Как подключить отечественный осциллограф

В России иные стандарты, поэтому на приборах отечественного производства все по-другому. Чаще всего используются штекеры диаметром 4 мм. Причем они одинаковые, приходится выяснять некоторые признаки, чтобы не спутать подключение:

1. Минусовой вывод, как правило, имеет большую длину.
2. Черный или коричневый цвет характерен для земляного провода.
3. На земляном штекере нанесены УГО «заземление» или «общий провод».

Но такое можно не всегда встретить, так как кабели часто подвергаются ремонту, во время которого на провод устанавливают штекер, имеющийся в наличии. С вероятностью 100% можно определить, какой провод нулевой, а какой — фазовый, одним способом. Сначала коснитесь рукой одного штекера, затем — другого

И это не зависит от модели, неважно, это осциллограф С1-118А (как пользоваться приборами, рассказано будет ниже) или какой-либо другой

В том случае, если вы будете держать в руке минусовой провод, на экране устройства можно наблюдать ровную горизонтальную линию. А если дотронетесь до фазового провода, то на экране появится искаженная синусоида с огромным количеством помех. Последние наблюдаются по причине того, что имеется некоторая емкость между проводами бытовой электросети в комнате и вашим телом (пространство в помещении – это диэлектрик).

Настройка

Для работы с осциллографом предварительно необходимо произвести калибровку его канала (каналов). Калибровка производится после прогрева прибора (примерно минут 5). Калибратор встроен в большинство осциллографов. Для калибровки высокочастотных моделей желательно иметь шнур с двумя разъемами (на выход калибратора и на вход осциллографа) иначе возможны искажения сигнала. Для низкочастотных моделей возможно просто коснуться щупом выхода калибратора. Далее ручка вольт/дел. ставится так, чтобы сигнал калибратора занимал 2—4 деления на экране (то есть, если калибратор 1 вольт,- то на 250 милливольт). После этого канал включается на переменное напряжение и на экране появится сигнал. Далее, в зависимости от частоты калибратора, ручка развёртки ставится в положение при котором видно не менее 5—7 периодов сигнала. Для частоты 1 килогерц частота развёртки, при которой каждый период занимает одно деление экрана, равен 1 мс (одна миллисекунда). Далее необходимо убедиться, чтобы сигнал на протяжении этих 5-7 периодов попадал точно по делениям экрана. Для аналоговых осциллографов нормируется как правило ±4 деления от центра экрана, то есть на протяжении восьми делений должен совпадать точно. Если не совпадает, следует поворачивать ручку плавного изменения развёртки добиваясь совпадения. Заодно проверяется амплитуда (размах) сигнала — она должна совпадать с тем, что написано на калибраторе. Если не совпадает, то необходимо добиться совпадения, поворачивая ручку плавного изменения чувствительности вольт/дел. Необходимо помнить, что если установлена чувствительность канала в 250 милливольт, то сигнал в 1 вольт занимает при правильной настройке 4 деления. После калибровки прибор будет показывать сигнал точно. Теперь можно не только смотреть, но и измерять сигналы.

История

Ондограф Госпиталье

Электрический колебательный процесс изначально фиксировался вручную на бумаге. Первые попытки автоматизировать запись были предприняты Жюлем Франсуа Жубером в 1880 году, который предложил пошаговый полуавтоматический метод регистрации сигнала. Развитием метода Жубера стал полностью автоматический ондограф Госпиталье. В 1885 году русский физик Роберт Колли создал осциллометр, а в 1893 году французский физик Андре Блондель изобрел магнитоэлектрический осциллоскоп с бифилярным подвесом.

Подвижные регистрирующие части первых осциллографов обладали большой инерцией и не позволяли фиксировать быстротечные процессы. Этот недостаток был устранён в 1897 году Уильямом Дадделлом, который создал светолучевой осциллограф, использовав в качестве измерительного элемента небольшое лёгкое зеркальце. Запись производилась на светочувствительную пластину. Вершиной развития этого метода стали в середине XX века многоканальные ленточные осциллографы.

Практически одновременно с Дадделлом Карл Фердинанд Браун использовал для отображения сигнала изобретённый им кинескоп. В 1899 году устройство было доработано Йонатаном Зеннеком, добавившим горизонтальную развертку, что сделало его похожим на современные осциллографы. Кинескоп Брауна в 1930-е годы заменил кинескоп Зворыкина, что сделало устройства на его основе более надёжными.

В конце XX века на смену аналоговым устройствам пришли цифровые. Благодаря развитию электроники и появлению быстрых аналого-цифровых преобразователей, к 1980-м годам они заняли доминирующую позицию среди осциллографов.

Статор асинхронного двигателя

Статор асинхронного двигателя представляет из себя сердечник, состоящий из пластин электротехнической стали и содержащий в себе медные обмотки, которые определенным образом уложены в пазах статора.

Как было упомянуто, сердечник статора состоит из пластин, которые изолированы друг от друга. С внутренней стороны статора есть пазы

в которые укладывается изоляция

Далее в эти пазы наматывается медный лакированный провод определенным образом, который представляет из себя обмотки статора

Асинхронный двигатель имеет три “куска” медного провода

Которые определенным образом уложены в пазы статора под углом в 120 градусов друг относительно друга.

Все 6 концов обмоточных проводов выведены в клеммную коробку, которая находится на корпусе двигателя.

Статор двигателя, а точнее, размеры сердечника, количество катушек в каждой обмотке и толщина моточного провода из которого намотаны катушки определяют основные параметры двигателя. Например, от числа катушек в каждой обмотке зависит номинальное число оборотов двигателя, а от толщины провода, которым они намотаны, зависит номинальная мощность двигателя. Количество обмоток для трехфазного асинхронного двигателя всегда равно трем. А вот количество катушек в каждой из этих обмоток разное. Катушки могут наматывать в один или два провода. Учитывая, что номинальное число оборотов двигателя обратно пропорционально номинальной нагрузке, можно смело сказать, что скорость вращения вала асинхронного двигателя будет уменьшаться при увеличении нагрузки. Если при работе двигателя начнут уменьшаться его обороты из-за роста нагрузки, то не остановка этого процесса может привести к полной остановке двигателя. Двигатель начнет сильно гудеть, вал ротора не будет крутиться – возникнет сильный нагрев катушек, с последующим разрушением изоляции моточного провода, что приведет к короткому замыканию и возгоранию обмоток.

Реальное фото статора одного из асинхронного двигателя выглядит вот так.

Классификация

Так как осциллоскоп работает с входящими сигналами, то по виду обработки импульсов приборы делятся на:

• аналоговые;
• цифровые.

В аналоговых аппаратах применяются ЭЛТ с электростатическим смещением.

Внешний вид аналогового осциллографа

Цифровые аппараты оснащены жк-дисплеем. Они имеют память, позволяющую рассматривать уже зафиксированные сигналы, делать их скриншоты. ЖК-цветной монитор способствует улучшению восприятия картинки.

Следующее деление можно провести по числу лучей:

• однолучевые;
• двухлучевые;
• многолучевые.

Важно! N-лучевой прибор показывает сразу n-графиков на дисплее. У него n-входов

Но количество входов (каналов) не всегда равно количеству лучей. Так, двухканальный измеритель может отображать два сигнала одним лучом, но не одновременно.

Цифровой прибор с осциллограммой на жк дисплее

Цифровые осциллографы можно разделить на модели:

• стробоскопические;
• запоминающие;
• люминофорные;
• виртуальные.

Стробоскопические осциллографы сжимают спектр исследуемого сигнала путём моментального стробирования в определённой точке. С каждым новым появлением сигнала точка смещается по кривой, пока не простробируется сигнал. На дисплей выдаётся преобразованная кривая, повторяющая форму основного сигнала, но состоящая из мгновенных значений.

В запоминающих моделях цифровой формат информации позволяет сохранять результаты измерений в памяти или выводить на печать. У большинства моделей в наличии накопитель, где можно хранить картинки в виде файлов.

Технология «цифрового люминофора» даёт возможность имитировать изменение интенсивности картинки, присущее аналоговым моделям, но уже в цифровом формате. Люминофорные осциллографы выдают на дисплей модулированные сигналы в мельчайших подробностях, как и аналоговые устройства. При этом они обеспечивают измерение, сравнение и хранение, как цифровые запоминающие модели.

Отдельный класс виртуальных осциллографов может быть внешним или внутренним дополнительным гаджетом на базе ISA или PCI карт. ПО любого виртуального осциллоскопа разрешает полностью управлять прибором и предоставляет линейку сервисных опций: цифровая фильтрация, экспорт и импорт данных и иные возможности.

Двухканальный прибор

Модели типа «два канала – один луч» имеют два канала вертикальной развёртки и однолучевую ЭЛТ. Конструктивно это переключаемые электронным переключателем входы Y1 и Y2. Переключатель поочерёдно соединяет выходные сигналы каналов с пластинами вертикального отклонения.

DIS-система зажигания

Высоковольтные импульсы зажигания, генерируемые исправными DIS-катушками зажигания двух различных двигателей (работают на холостом ходу без нагрузки).

DIS-система (Double Ignition System) зажигания имеет особые катушки зажигания. Они отличаются тем, что оснащаются двумя высоковольтными выводами. Один из них подсоединяется к первому из концов вторичной обмотки, второй — ко второму концу вторичной обмотки катушки зажигания. Каждая такая катушка обслуживает два цилиндра.

В связи с описанными особенностями проверка зажигания осциллографом и съем осциллограммы напряжения высоковольтных импульсов зажигания при помощи емкостных DIS-датчиков происходит дифференциально. То есть, получается фактический съем осциллограммы выходного напряжения катушки. Если катушки исправны, то в конце горения должны наблюдаться затухающие колебания.

Для проведения диагностики DIS-системы зажигания по первичному напряжению, необходимо поочередно снять осциллограммы напряжения на первичных обмотках катушек.

Описание рисунка:

Осциллограмма напряжения на вторичной цепи DIS-системы зажигания

1. Отражение момента начала накопления энергии в катушке зажигания. Он совпадает с моментом открытия силового транзистора.
2. Отражение зоны перехода коммутатора в режим ограничения тока в первичной обмотке катушки зажигания на уровне 6…8 А. Современные DIS-системы имеют коммутаторы без режима ограничения тока, поэтому зона высоковольтного импульса отсутствует.
3. Пробой искрового промежутка между электродами обслуживаемых катушкой свечей зажигания и начало горения искры. Совпадает по времени с моментом закрытия силового транзистора коммутатора.
4. Участок горения искры.
5. Конец горения искры и начало затухающих колебаний.

Описание рисунка:

Осциллограмма напряжения на управляющем выводе DIS катушки зажигания.

1. Момент открытия силового транзистора коммутатора (начало накопления энергии в магнитном поле катушки зажигания).
2. Зона перехода коммутатора в режим ограничения тока в первичной цепи по достижении тока в первичной обмотке катушки зажигания, равного 6…8 А. В современных DIS-системах зажигания, коммутаторы не имеют режима ограничения тока, и, соответственно, отсутствует зона 2 на осциллограмме первичного напряжения отсутствует.
3. Момент закрытия силового транзистора коммутатора (во вторичной цепи при этом возникает пробой искровых промежутков между электродами обслуживаемых катушкой свечей зажигания и начало горения искры).
4. Отражение горения искры.
5. Отражение прекращения горения искры и начало затухающих колебаний.

Автоматическое измерение параметров сигнала

Для получения более четких представлений о проводимых измерениях необходимо воспользоваться в качестве примера установленными параметрами. Поэтому в генераторе частоты, который установлен в приборе, необходимо выбрать форму сигнала прямоугольную, а частоту выставить на отметке 1000 КГц (что также может обозначаться как 1 МГЦ).

На дисплее осциллографа должно появиться следующее изображение, которое соответствует сигналу с указанными выше параметрами:

В результате таких манипуляций изначально форма сигнала далека от правильной прямоугольной. Подобные искривления и неточности возникают за счёт несовершенства радиоэлементов и цепей, которые используются для конструирования осциллографа. Подобная осциллограмма хорошо просматривается на диапазоне высоких частот.

Поэтому необходимо разобраться в соответствии элементов изображения, которое в этом случае выводится на дисплей прибора.

Прибор оснащен «магической» кнопкой для получения точных значений параметров измеряемого сигнала. Обозначается она как «Measure», что соответствует английскому «измерять». После ее нажатия выводятся необходимые параметры сигнала, который измеряется прибором.

Для дальнейшей работы с этой информацией необходимо нажать на «Add», что выполняется посредством кнопки «H1».

Получить все снимаемые осциллографом сведения можно через клавишу «Show All», что с английского дословно переводится как «показать все», нажимая кнопку «F3».

Такие действия вызовут таблицу со всеми параметрами сигнала, которые измерялись прибором:

Необходимо также осветить вопрос типов и видов параметров сигналов, которые бывают в принципе. Как известно, на осциллографе отображаются изменяющиеся во времени колебания напряжения сигнала. Именно по этой причине выделяют такие типы параметров сигналов:

• временные;
• амплитудные.

В таблице данные показатели имеют собственные обозначения, которые для удобства лучше расшифровать. Нужно отметить, что описание будет производиться в направлении слева направо.

Period – с английского слово переводится как «период» и обозначает время, за которое сигнал полностью себя повторяет. Для обозначения данного параметра применяется буква «Т». Отображение этого показателя на осциллограмме следующее:

Для подсчета данного показателя самостоятельно нужно знать цену деления горизонтальной части ячейки. Подсказка по таким значениям находится в нижней части дисплея:

Исходя из установленных для конкретного примера значений цена деления одной клетки составляет 500 наносекунд. Поскольку длительность периода 2 ячейки, то период находится как умножение количества занимаемых сигналом клеток на цену их деления и составляет в этом примере 2 х 500 = 1 микросекунда (1000 наносекунд).

Чтобы проверить правильность произведенных вычислений, можно воспользоваться автоматическими показаниями.

Как видно из изображения, расчеты совпали на все 100%.

Для обозначения дробных значений в физике применяются такие буквенные символы:

• p = 10-12 «пико»;
• n = 10-9 «нано»;
• u = 10-6 «микро»;
• m = 10-3 «милли».

Для помощи в этих измерениях используется следующая таблица

Следующий параметр – это частота сигнала, которая обозначается символом «F» и расшифровывается как frequency или сокращенно Freq. При наличии значения периода определение частоты выполняется по следующей формуле:

F=1/T

В рассматриваемом примере:

1/(10-6) = 106 = 1 МГц (MHz)

Для проверки можно воспользоваться подсказкой с автоматическими измерениями:

В данном случае можно отметить, что расчеты также были произведены верно, поскольку результаты ручного определения и автоматического полностью совпали.

Для измерения значения постоянного напряжения или определения средней величины сигнала применяется параметр Mean, который обозначается сокращенно как V и актуален только для постоянного тока. В случае измерения переменного тока такая величина не используется вовсе. При измерении постоянного тока на дисплей выводится соответствующее значение.

Измерить напряжение между пиками сигнала позволяет параметр Peak-to-Peak, который на приборе обозначается в сокращении как PK-PK, а в измерениях – как величина Vp. На соответствующей осциллограмме приведено изображение данного вида напряжения:

Слева внизу выводится значение стороны квадрата шкалы, которое в примере установлено на уровне 1 В.

Подобным образом вычисляется межпиковое напряжение, которое в рассматриваемом примере равно приблизительно 5 В. После сверки с автоматическими измерениями получается примерно такой же результат.

Применение

Один из важнейших приборов в радиоэлектронике. Используются в прикладных, лабораторных и научно-исследовательских целях, для контроля/изучения и измерения параметров электрических сигналов — как непосредственно, так и получаемых при воздействии различных устройств/сред на датчики, преобразующие эти воздействия в электрический сигнал или радиоволны.

Наблюдение фигур Лиссажу

Фигура Лиссажу на экране двухканального осциллографа

В осциллографах есть режим, при котором на пластины горизонтального отклонения подаётся не пилообразное напряжение развёртки, а произвольный сигнал, подаваемый на специальный вход (вход «Х»).
Если подать на входы «X» и «Y» осциллографа сигналы близких частот, то на экране можно увидеть фигуры Лиссажу. Этот метод широко используется для сравнения частот двух источников сигналов и для подстройки одного источника под частоту другого.

Курсорные измерения

В современных аналоговых и цифровых осциллографах применяется вспомогательная система, позволяющая измерить некоторые значения исследуемого осциллографом сигнала. Для этого с помощью органов управления имеется возможность навести курсор на интересующую точку сигнала, после чего автоматическая система укажет параметры этой точки, например напряжение. Во многих осциллографах курсоров имеется несколько экземпляров, что позволяет производить более сложные замеры напряжения между парой курсорных засечек по вертикали и промежутка времени между парой курсорных засечек по горизонтали, а, следовательно, рассчитывать частоты, смещения, задержки времени или изменения напряжения.

В некоторых осциллографах предусмотрен режим автоматического позиционирования курсоров на пики сигнала, что в большинстве случаев и является целью измерений. Таким образом, курсорные измерения позволяют упростить измерения параметров сигналов человеком, избавляя его от необходимости зрительно считывать клетки разметки шкалы осциллографического экрана и производить умножение полученных таким образом данных на значения цены деления по вертикали и горизонтали.

Захват строки телевизионного сигнала

Для периодического и оперативного контроля качественных показателей телевизионного тракта и отдельных его звеньев в системах телевещания применяются специальные осциллографы с блоком выделения строк.

Режим входа

На передней панели имеется специальный переключатель, который переводит прибор в различные состояния. Обозначается символом — сверху прямая черта, ниже нее -волнистая. При переводе в верхнее положение на вход может поступать как переменное, так и постоянное напряжение. Вход открытый считается для постоянного тока. При переключении в нижнее положение допустима подача на вход только переменного напряжения. Благодаря этому появляется возможность проводить замеры очень маленького переменного напряжения (по отношению к очень большим значениям постоянного). Актуально для проведения измерений в усилительных каскадах.

Реализовать это довольно просто – необходимо ко входу усилителя подключить конденсатор. В данном случае вход закрыт

Обратите внимание на то, что в этом режиме измерения НЧ-сигналы с частотой менее 5 Гц ослабевают. Следовательно, измерять их можно лишь в режиме открытого входа

Когда переключатель установлен в среднее положение, то от разъема входа отключается усилитель, и происходит замыкание на корпус. Благодаря этому имеется возможность установить развертку. Так как пользоваться осциллографом С1-49 и аналогами без знания основных органов управления невозможно, стоит о них более подробно поговорить.

Типы осциллографов

Есть в основном 2 типа осцилографов, которые являются аналоговыми или цифровыми типами. Разница заключается в том, что аналоговые оптические приборы используют непрерывные переменные напряжения и используют электронный луч, чтобы напрямую отображать входное напряжение на дисплей, в то время как цифровые оптические приборы измеряют входной сигнал с помощью аналого-цифрового преобразователя и отображают это показание на дисплее. ,

Аналоговые области часто старше, имеют меньшую пропускную способность и меньше функций, поэтому мы не будем много говорить о них.

Цифровые варианты

Под категорией цифровых областей они далее разделены на больше категорий:

• Цифровой запоминающий осциллограф (DSO) : имеет память для хранения сигналов и их отображения в течение определенного периода времени.
• Цифровые люминофорные осциллографы (DPO) : использует архитектуру параллельной обработки, позволяющую захватывать и отображать сигналы.
• Осциллографы с цифровой выборкой : Используются для анализа высокочастотных сигналов, например, до 50 ГГц.

Какой осциллограф выбрать

Существуют различные типы осциллографов, а именно цифровые и аналоговые осциллографы, и их разновидности, такие как:

• Аналоговые пробоотборные осциллографы
• Ручные осциллографы
• Компьютерные осциллографы
• Осциллографы со смешанным сигналом

Разница в таких параметрах, как частота дискретизации, глубина памяти, количество каналов, требования к зонду, ширина полосы и возможности анализа, определяет, какой осциллограф лучше всего подходит для данной среды. Осциллографы имеют три основных компонента: электронную пушку, горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины и люминофорный экран. Электронная пушка обеспечивает постоянный поток электронов, который движется в постоянном направлении. Электроны проходят через горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины, и результирующее электрическое поле отклоняет электроны, чтобы двигаться вертикально или горизонтально. Полученный таким образом электронный луч попадает на люминофорный экран и производит отображение на мониторе осциллографа.

Однако, поскольку они предназначены главным образом для наблюдения за осциллограммой, осциллографы менее точны, чем другие испытательные устройства, для измерения напряжения постоянного тока. По сравнению с другими электронными и электрическими измерительными приборами осциллографы являются дорогостоящими и сложными. Потребность в техническом обслуживании и ремонте может быть выше для осциллографов, и обучение их эксплуатации может быть более сложным, чем для другого аналогичного оборудования.

С таким количеством типов осциллографов с различными функциями и характеристиками, может быть трудно выбрать один для себя.

Лично я предпочитаю DSO, как показано выше, поскольку они предоставляют хранилище, где вы можете хранить, захватывать, отображать и распечатывать сигналы в любое время. Не говоря уже о том, что DSO, показанный выше, имеет размер всего 99,5 мм x 58,5 мм, что делает его очень портативным и может поместиться даже в вашем кармане!

Например:

Кроме того, благодаря компактным размерам вы можете удобно наблюдать за аналоговой волной и ее частотным спектром в любом месте в любое время. Это ультрапортативный осциллограф, который можно легко положить в карман и носить с собой. Кроме того, его внешний корпус изготовлен из алюминия с ЧПУ для защиты и безвентиляторный дизайн без шума.

Что такое осциллограф

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

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

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

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

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