Какие значения переменных напряжений измеряет осциллограф. Как пользоваться осциллографом? Как пользоваться портативным цифровым осциллографом? Как определяется сдвиг фаз

Графики, отображаемые на мониторе, называют осциллограммами. Самый простой осциллограф отображает только осциллограммы напряжений. Эта форма отображения показывает зависимость напряжения от времени. Существуют приборы, отображающие зависимость амплитуды от частоты – спектроанализаторы. Такие приборы используются при измерениях уровней шума/вибрации, а так же при анализе спектрального состава сигнала. Графики, отображаемые такими приборами, называются спектрограммами.

Путём просмотра осциллограмм напряжений и спектрограмм можно выявить неисправности в электрических цепях в рабочем режиме без их разборки. По осциллограммам напряжений можно выявить неисправности датчиков, исполнительных механизмов и электропроводки в электронных системах автомобилей.

Если к входу осциллографа не подключать никакого источника напряжения, то осциллограмма будет выглядеть как ровная горизонтальная линия. Такую линию называют "нулевая линия", так как она отображает уровень, соответствующий напряжению равному 0 Вольт на входе осциллографа.

A: – значение напряжения в момент времени указанный маркером. В данном случае соответствует напряжению нулевой линии, что составляет 0 Вольт.

Если вход осциллографа подключить к источнику постоянного напряжения, например к автомобильной аккумуляторной батарее, то полученная осциллограмма так же будет иметь форму ровной горизонтальной линии, но её положение по вертикали на экране будет отличаться от положения нулевой линии.

A: – значение напряжения в момент времени указанный маркером. В данном случае соответствует напряжению автомобильной аккумуляторной батареи и равно ~12,3 Вольт.

Разность между положениями полученной осциллограммы и нулевой линии прямо пропорционально значению напряжения.

Большинство осциллограмм напряжений сигналов имеют форму отличную от ровной горизонтальной линии. Положение нулевой линии на экране осциллографа можно изменять по вертикали – поднять выше или опустить ниже. Необходимость изменения положения нулевой линии (выше или ниже) зависит от формы исследуемого сигнала, а так же возникает в случае использования многоканального осциллографа.

Пример вывода на экран многоканального осциллографа нескольких сигналов одновременно с индивидуальной настройкой положения нулевой линии для каждого канала.

График на экране осциллографа отображает зависимость значения напряжения от времени. Чем большая амплитуда исследуемого сигнала, тем большее на экране осциллографа вертикальное отклонение сигнала. В зависимости от амплитуды, для наглядности отображения сигнала выбирают подходящее усиление. Значение усиления измеряется в Вольтах на деление

Возможность изменения значения усиления позволяет на экране осциллографа отображать как сигналы с очень малой амплитудой напряжения, так и сигналы с очень большой амплитудой напряжения. Необходимое значение усиления зависит от амплитудных параметров исследуемого сигнала.

Один и тот же сигнал будет отображаться по-разному, в зависимости от выбранного значения усиления. Большее значение Вольт/деление выбирают тогда, когда на экране нужно отобразить весь сигнал по амплитуде.

Меньшее значение Вольт/деление выбирают тогда, когда нужно детально исследовать форму и амплитудные параметры отдельных участков сигнала. В таком случае на экране отображается только часть сигнала по амплитуде.

Приведённые примеры демонстрируют, как изменяется отображение осциллограммы одного и того же сигнала на экране осциллографа при изменении значения усиления.

Осциллограф прорисовывает график напряжения слева направо, начиная с левой стороны экрана. Скорость, прорисовки графика называется развёрткой. Развёртка измеряется в Секундах на деление. Значение развёртки можно изменять с помощью переключателя время/деление.

Один и тот же сигнал будет отображаться по-разному, в зависимости от выбранного значения развёртки. Меньшее время/деление выбирают тогда, когда нужно детально исследовать форму и временные параметры отдельных участков сигнала. В таком случае на экране отображается более короткий по времени фрагмент сигнала.

Осциллограмма напряжения сигнала управления форсункой при меньшем значении развёртки. В данном случае выбрана развёртка 0,2 милли Секунды/деление.

В случае если на экране необходимо отобразить больший по времени фрагмент осциллограммы, например для выявления отдельных импульсов с неправильной формой сигнала либо пропуски импульсов, выбирают большее время/деление.

Осциллограмма напряжения сигнала управления форсункой при большем значении развёртки. В данном случае выбрана развёртка 1 милли Секунда/деление.

Приведённые примеры демонстрируют, как изменяется отображение осциллограммы одного и того же сигнала на экране осциллографа при изменении значения развёртки.

Для удобного и наглядного отображения периодичных (циклично повторяющихся) сигналов применяется синхронизация. Синхронизация обеспечивает прорисовку отдельных импульсов, начиная всегда с одной и той же точки экрана, благодаря чему создаётся эффект неподвижного или относительно стабильного изображения. В случае выключенной синхронизации, осциллограф прорисовывает график напряжения слева направо, начиная с крайней левой стороны экрана до тех пор, пока экран не заполнится на всю ширину, после чего прорисовка снова начинается с крайней левой стороны экрана, что неудобно для отображения относительно быстрых периодичных сигналов.

Для настройки синхронизации необходимо выбрать уровень синхронизации (значение напряжения, по достижении которого осциллограф начинает прорисовывать осциллограмму) и фронт сигнала (спадающее или возрастающее напряжение).

В случае если применяется многоканальный осциллограф, необходимо так же указать, по сигналу какого канала осуществлять синхронизацию.

Значение напряжения большинства аналоговых сигналов изменяется во времени. Если изменения циклически повторяются, то такой сигнал называют периодичным, например сигнал управления форсункой. Если осциллограмма напряжения периодичного сигнала пересекает нулевую линию, то такой сигнал называют переменным. Если осциллограмма напряжения периодичного сигнала не пересекает нулевой линии, то такой сигнал называют постоянным. В качестве примера сложного аналогового сигнала постоянного тока можно привести сигнал лямбда-зонда.

Осциллограмма выходного напряжения лямбда-зонда BOSCH
(на основе оксида циркония).
A: – значение напряжения в момент времени указанный маркером. В данном случае соответствует максимальному напряжению выходного сигнала лямбда-зонда и равно ~840 милли Вольт;
A-B: – значение разности напряжений между двумя указанными маркерами моментами времени. В данном случае соответствует размаху выходного напряжения сигнала зонда и составляет ~740 милли Вольт.

Самым простым примером переменного аналогового напряжения является синусоида. Такой сигнал характеризуется только двумя параметрами – амплитуда и частота. Нулевая линия синусоидального переменного напряжения располагается ровно посередине сигнала.

Необходимо отметить, что большинство сигналов переменного напряжения значительно отличаются от чистого синусоидального. В автомобильной электронике близкими к синусоидальному являются сигналы, сгенерированные магнитными датчиками положения зубчатых колёс.

A: – значение напряжения в момент времени указанный маркером;
A-B: – значение разности напряжений между двумя указанными маркерами моментами времени.

Подобные сигналы генерируют некоторые датчики скорости вращения коленчатого вала, распределительного вала, скорости вращения колёс...

Цифровые сигналы от аналоговых отличаются наличием только двух уровней напряжения – "высокий"/"низкий", "включено"/"выключено", "1"/"0". Такие уровни напряжений цифрового сигнала называются "логическими уровнями". В большинстве случаев, логические уровни цифрового сигнала имеют точные значения напряжения, например +5 Вольт и 0 Вольт.

A: – значение напряжения в момент времени указанный маркером. В данном случае соответствует напряжению высокого уровня цифрового сигнала и составляет +5 Вольт.

Цифровые сигналы генерируются ключами (выключателями). Роль ключей выполняют транзисторы, переключающиеся между состояниями "открыт"/"закрыт". Иногда цифровые сигналы генерируются механическими ключами – механическими выключателями, переключателями, электромеханическими реле… Примерами цифровых сигналов автомобильной электронике могут служить датчик Холла, датчики крайних положений дроссельной заслонки, активные датчики положения/частоты вращения коленчатого/распределительного вала...

Но преимущественно, цифровые сигналы используются в вычислительной технике, в том числе и в цифровых блоках управления электронными системами автомобилей.

Частота – это количество циклов периодичного сигнала, повторяющееся за определённый период времени. Если за такой период времени принять одну секунду, то количество циклов периодичного сигнала повторившееся за этот период времени называют Герц (Гц). В автомобильной электронике количество оборотов двигателя принято рассчитывать за период времени равный одной минуте (Об/мин).

По осциллограмме напряжения периодичного сигнала можно легко измерить частоту следования импульсов. Для этого необходимо измерить длительность полного цикла сигнала – период. Далее полученное значение временного промежутка можно пересчитать в частоту, воспользовавшись соответствующей формулой.

Рассчитаем частоту следования импульсов сигнала датчика положения коленчатого вала.

Датчик, осциллограмма напряжения выходного сигнала которого приведена выше, генерирует один импульс напряжения за один оборот коленчатого вала. Временной промежуток между двумя ближайшими такими импульсами называется периодом. В данном случае, два следующих один за другим импульса удалены друг от друга на 7,4 деления на экране осциллографа по горизонтали. Для отображения данного сигнала на экране выбрана развёртка (временной промежуток между каждым делением на экране осциллографа по горизонтали) 10 милли Секунд/деление, то есть 0,01 Секунды. Умножив количество делений соответствующее периоду на значение развёртки можно получить численное значение периода повторения сигнала в Секундах:

0,01*7,4=0,074 Секунд.

Зная значение длительности периода повторения сигнала, можно рассчитать, сколько таких периодов проследует за одну секунду, то есть частоту сигнала в Герцах. Для пересчёта периода в частоту, необходимо разделить выбранный временной промежуток (в данном случае 1 Секунда) на период повторения сигнала (для данного сигнала 0,074 Секунд):

1/0,074=13,5 Гц.

Если в данном случае рассчитать, сколько таких периодов проследует за одну минуту, то полученное значение будет соответствовать частоте вращения коленчатого вала в оборотах за минуту. Для пересчёта периода в частоту, необходимо разделить выбранный временной промежуток (в данном случае 60 Секунд) на период повторения сигнала (для данного сигнала 0,074 Секунд):

60/0,074=810 Об/мин.

Подобный расчет можно осуществить, располагая любым осциллографом, но некоторые осциллографы способны рассчитывать и отображать частоту сигнала в Герцах или в Оборотах за минуту в автоматическом или полуавтоматическом режиме.

RPM: – текущая частота вращения коленчатого вала двигателя в Оборотах за минуту.

Длительность импульса – это временной промежуток, в течение которого сигнал находится в активном состоянии. Активное состояние – это уровень напряжения, который включает исполнительный механизм (приводит механизм в действие). В зависимости от схемы включения исполнительного механизма, активное состояние может иметь различные уровни напряжения, например 0 Вольт, +5 Вольт, +12 Вольт… Например, напряжение активного состояния сигнала управления электромагнитной форсункой в большинстве систем управления двигателем теоретически равно 0 Вольт, а практически может колебаться в диапазоне 0…+2,5 Вольт и более.

Impuls width: – длительность импульса.

Для приведённого выше сигнала, длительность импульса открытия форсунки составляет 4,4 деления на экране осциллографа по горизонтали, что при развёртке 1 милли Секунда/деление соответствует 4,4 милли Секунды.

Скважность – это процент времени от периода повторения, когда сигнал находится в активном состоянии. Скважность – один из параметров сигналов ШИМ (Широтно-Импульсная Модуляция).

Duty cycle: – скважность сигнала. Сигнал 67% времени находится в активном состоянии (в данном случае значение напряжения активного состояния сигнала составляет ~1 Вольт);
Frequency: – частота следования импульсов. В данном случае составляет ~100 Герц.

Сигналы ШИМ применяются для управления некоторыми исполнительными механизмами. Например, в некоторых системах управления двигателем сигналом ШИМ приводится в действие электромагнитный клапан холостого хода. Кроме того, сигнал ШИМ генерируют некоторые датчики, преобразовывая величину измеряемого физического параметра в скважность.

ЭДС (Электро-Движущая Сила) самоиндукции – это напряжение, возникающее вследствие изменения значения величины магнитного поля и/или его направления вокруг электрического проводника. В случае высокой скорости изменения величины магнитного поля внутри соленоида (обмотка электромагнитного реле, электромагнитной форсунки, катушки зажигания, электромагнитного датчика частоты вращения) напряжение ЭДС самоиндукции может достигать десятков/тысяч Вольт. Величина напряжения ЭДС самоиндукции зависит в основном от индуктивности обмотки и скорости изменения величины магнитного поля. Для электромагнитных исполнительных механизмов, величина магнитного поля наиболее быстро изменяется при его разрушении, то есть при быстром отключении напряжения питания соленоида.

В некоторых случаях, эффект ЭДС самоиндукции нежелателен, и применяются меры для его уменьшения/устранения. Но некоторые электрические цепи спроектированы так, чтобы получить максимальный всплеск ЭДС самоиндукции, например, система зажигания бензинового двигателя.

A: – значение напряжения в момент времени указанный маркером. В данном случае соответствует напряжению ЭДС самоиндукции вторичной обмотки катушки зажигания ограниченному напряжением пробоя свечи зажигания и соответствует 8,3 кило Вольт.

Некоторые системы зажигания при напряжении питания 12 Вольт способны развивать напряжение ЭДС самоиндукции до 40-50 тысяч Вольт.

Поскольку напряжение измеряется между двумя точками, то вход осциллографа имеет две клеммы. Причем они не равнозначны. Одна клемма, называемая «фаза», подключена ко входу усилителя вертикального отклонения луча. Вторая клемма – «земля» или «корпус». Она называется так потому, что электрически соединена с корпусом прибора (это общая точка всех его электронных схем). Осциллограф показывает напряжение фазы по отношению к земле.

Очень важно знать, какой из входных проводников является фазой. В импортных приборах обычно используются специализированные щупы, земля которых имеет зажим типа «крокодил» так как часто подключается к корпусу исследуемого устройства, а фаза оканчивается либо «иголкой», которой можно удобно и надежно «воткнуться» даже в контакт маленького размера, либо зажимом (рис. 6). В этом случае перепутать фазу и корпус в принципе невозможно.

Рис. 6. Щуп импортного осциллографа, слева «игла», справа зажим.

Осциллографы отечественного производства чаще всего комплектуются шнурами, имеющими стандартные для России 4-мм штекеры (к ним иногда применяется название «банан», пришедшее из аудиотехники), рис. 7. В этом случае оба штекера одинаковы, и для того, чтобы их различать используются дополнительные признаки. Этих признаков несколько, и они могут встречаться в любом сочетании:

Земляной провод длиннее;

Земляной провод имеет коричневый (стандарт) или черный цвет;

На корпусе штекера земляного провода нанесены условные обозначения «корпус»

или «земля»

Однако, к сожалению, эти правила выполняются не всегда. Особенно это относится к кабелям, прошедшим ремонт: туда могут поставить любой проводник, имеющийся в наличии и первый попавшийся штекер. Поэтому есть еще один способ определения фазы и корпуса, дающий стопроцентную гарантию.

Для определения какой из проводников является фазой, а какой корпусом, надо при никуда не подключенном осциллографе взяться рукой за контакт одного из входных проводников, при этом другой рукой ни до чего не дотрагиваться. Если этот проводник – корпус, то на экране будет только лишь горизонтальная линия развертки. Если этот проводник – фаза, то на экране возникнут довольно значительные помехи, представляющие собой сильно искаженную синусоиду частотой 50 Гц (рис. 8).

Рис. 8. Помехи на экране осциллографа при касании рукой фазы входного кабеля.

Эти помехи возникают из-за того, что существует емкость между телом человека и проводами сети, проложенной в помещении. И возникает ток, протекающий по такой цепи: фаза осветительной сети переменного тока 220 В 50 Гц – емкость между проводами сети и телом человека – рука человека – вход усилителя (фаза входного кабеля) – электронная схема усилителя – корпус осциллографа – емкость между корпусом и Землей – нейтральный провод сети (он всегда заземлен). Цепь замкнута, ток течет. Величина этого тока составляет 10^-8…10^-6 ампера, но вход осциллографа имеет очень высокое сопротивление (порядка 10^6 Ом), поэтому на нем возникает достаточно большое напряжение. Синусоида выглядит искаженной оттого, что емкостное сопротивление участка сеть – тело человека зависит от частоты: чем частота выше, тем сопротивление меньше. Поэтому высокочастотные составляющие (гармоники сети и проникшие в нее помехи) создают больший ток и большее напряжение на входе осциллографа.

Определив фазу и корпус входного кабеля, можно подключать осциллограф к исследуемой цепи. Если в ней нет четко выраженного общего провода, то корпус подключается к любой из точек, напряжение между которыми требуется исследовать. Если в цепи присутствует общий провод – точка, условно принимаемая за нулевой потенциал, соединенная с корпусом устройства или реально заземленная, то корпус осциллографа лучше подключать к этой точке. Невыполнение этого правила может привести к значительным погрешностям измерений (иногда настолько большим, что измерениям и вовсе нельзя доверять).

По своей сути осциллограф является вольтметром, показывающим график напряжения. Однако с его помощью можно наблюдать и форму тока. Для этого последовательно с исследуемой цепью включают резистор Rт (здесь индекс «т» означает токовый), рис. 9. Сопротивление резистора Rт выбирают намного меньшим, чем сопротивление цепи, тогда резистор не влияет на ее работу и его включение не приводит к изменениям режима работы цепи. На резисторе по закону Ома возникает напряжение:

Это напряжение и измеряется осциллографом. А зная величину Rт можно перевести напряжение, показываемое осциллографом в ток.

Рис. 9. Измерение тока осциллографом.

Двухканальный (и двухлучевой) осциллограф может показывать осциллограммы двух сигналов одновременно. Для этого у него имеется два входа (канала), обычно обозначаемых I и II. Следует помнить, что одна из входных клемм каждого канала соединена с корпусом осциллографа, следовательно, клеммы «корпус» обоих каналов соединены между собой. Поэтому эти клеммы должны подключаться к одной и той же точке цепи, иначе в цепи произойдет замыкание (рис. 10).

Рис. 10. Подключение двухканального осциллографа. «Земли» входов могут создать замыкание в цепи.

На рис. 10а точки цепи В и D оказались замкнутыми между собой через корпус осциллографа (замыкающий проводник показан пунктиром). В результате конфигурация цепи изменилась.

Возможность наблюдать не любые два напряжения, а только имеющие общую точку, является недостатком, но небольшим – в электронике один из полюсов источника питания всегда является общим проводом, и все напряжения измеряются относительно него.

Используя двухканальный осциллограф можно одновременно наблюдать и напряжение, и ток в цепи. И таким образом измерять сдвиг фаз между током и напряжением. Схема подключения осциллографа в этом случае показана на рис. 11.

Рис. 11. Подключение осциллографа для измерения сдвига фаз.

Канал I измеряет напряжение, а канал II измеряет ток. Такое включение наиболее оптимально, т.к. напряжение, падающее на резисторе Rт и подаваемое в канал II, в 30…100 раз меньше, чем в канале I, следовательно, оно больше подвержено помехам и синхронизация от низкого напряжения не такая хорошая. Кроме того, конструкция большинства осциллографов несколько «несимметричная» – синхронизация от сигнала канала I обычно более качественная и стабильная. Таким образом, подключение канала I к напряжению обеспечивает более стабильное изображение осциллограммы.

Ошибка подключения на рис. 11б состоит в том, что клеммы корпуса обоих входов не соединены в одной точке. В результате резистор Rт оказывается замкнут накоротко через корпус осциллографа. Самое неприятное, что при этом напряжение на резисторе Rт не равно нулю – из-за того, что сопротивление проводов входных кабелей (через которые этот резистор замыкается) не нулевое. Поэтому при таком подключении можно не заметить эту ошибку (ведь осциллограф что-то показывает), а результат измерения тока при этом будет неверным.

Включение, показанное на рис. 11в неудачно тем, что канал I осциллографа измеряет не напряжение в исследуемой цепи, а сумму напряжений в цепи и на резисторе Rт (напряжение измеряется не на нагрузке, а на источнике). Напряжение на Rт хоть и небольшое по величине, но все равно вносит погрешность в измерение напряжения.

Подключение осциллографа, показанное на рис. 11а не только обеспечивает наибольшую точность измерений, но и позволяет в ряде случаев использовать резистор Rт с довольно большим сопротивлением. Это важно при измерении малых токов: если и ток в цепи и сопротивление Rт малы, то возникающее на Rт напряжение может быть настолько маленьким, что чувствительности осциллографа не хватит для его отображения.

" мы познакомились с основами работы этого замечательного прибора. Чтобы освоить работу с осциллографом, нужны практические упражнения. В статье рассмотрены простые эксперименты с источником питания на основе тарнсформатора, с мостовым выпрямителем, а также с RC-цепями. Материал будет полезен тем кто желает познакомиться с измерительным прибором-осциллографом.

Источник питания и мостовой выпрямитель

Начнемс самого простого, - с источника питания на силовом трансформаторе и мостовом выпрямителе. Прежде всего необходим трансформатор, пусть это будет китайский «ALG» с вторичной обмоткой на 12V (рис.1). К вторичной обмотке трансформатора подключим вход осциллографа (пусть это С1-65) и мультиметр.

Предварительно ручку осциллографа «Время/дел.» установим на «10», и ручку «V/дел.» так же на «10», а переключатель входа установим в положение «импульсный режим». Теперь подадим на первичную обмотку переменное напряжение 220V (от электросети, соблюдая все необходимые правила электробезопасности).

Рис. 1. Схема для эксперимента и изображение на экране осциллографа.

Теперь сравним показания осциллографа и мультиметра. Мультиметр покажет переменное напряжение 12V (или около того), а размах синусоиды на экране осциллографа от пика до пика будет целых 34V. Зная, что амплитудное значение синусоидального напряжения равно половине размаха, а действующее, - в корень_из_2 раз раз меньше амплитудного, вычислим действующее значение:

Подключим к вторичной обмотке трансформатора мостовой выпрямитель из четырех диодов (рис. 2). К выходу выпрямителя подключим осциллограф.

На его экране будет весьма интересная картинка, - нижние полуволны синусоиды как бы перевернулись и расположились по положительной оси У. Практически, и частота колебаний увеличилась в два раза, то есть уже не 50, а 100 Гц, а размах уменьшился в два раза.

То, что видно на экране (рис. 2) принято называть пульсирующим напряжением. Но пульсирующее напряжение не годится для питания электронной схемы, - это еще не постоянное напряжение.

А чтобы его сделать постоянным нужно пульсации сгладить с помощью накопительного конденсатора.

На рисунке 3 показана схема с накопительным конденсатором С1 и резистором R1, который служит нагрузкой. Посмотрим, что нам теперь покажут приборы. Мультиметр покажет что-то около 16,5V, а на экране осциллографа будет видна искривленная линия, приподнятая вверх по шкале У на некоторую величину (рисунок 3, левая осциллограмма).

Рис. 2. Подключим и исследуем мостовой выпрямитель из четырех диодов.

По верхним пикам кривизны этой линии - на 17V. Так выглядит напряжение со сглаженными пульсациями. Чтобы посмотреть величину пульсаций нужно переключить вход осциллографа на переменный ток «~» и повернуть ручку «V/дел.» в сторону уменьшения, пока пульсации не будут видны отчетливо. В данном случае, установили 0,5V/дел. (рис.3, осциллограмма справа). Видно, что размах пульсаций равен 1V.

Таким образом, на выходе нашего выпрямителя есть постоянное напряжение с пульсациями 1V. Величина этих пульсаций зависит от емкости сглаживающего конденсатора и от нагрузки. Если нагрузка увеличится (уменьшится сопротивление R1) пульсации возрастут.

Рис. 3. Сглаживающий конденсатор в выпрямителе.

Это можно проверить, заменив R1 переменным. А с увеличением емкости пульсации уменьшаются. Вот, если в этом же примере (при том же сопротивлении R1) вы параллельно С1 подключите еще один конденсатор емкостью 220мкФ, пульсации уменьшатся до 0,ЗV, а при емкости конденсатора 1000 мкФ уровень пульсаций будет менее 0,1V.

Но это при сопротивлении нагрузки 1 кОм, то есть при токе нагрузки 16 миллиампер. С увеличением тока нагрузки пульсации будут увеличиваться. Именно по этому в выпрямителях, рассчитанных на большие нагрузки, используют сглаживающие конденсаторы очень большой емкости.

Выше, с помощью осциллографа была рассмотрена работа мостового выпрямителя. Но источник питания, часто кроме трансформатора и выпрямителя содержит стабилизатор напряжения.

Схема простейшего параметрического стабилизатора состоит из стабилитрона и токоограничительного резистора. Главное свойство стабилитрона в том, что он вроде бы работает как диод, то есть, пропускает ток в прямом направлении, но он пропускает и обратный ток, но только если обратное напряжение превысило некоторую величину, - напряжение стабилизации.

Подключим схему параметрического стабилизатора к вторичной обмотке трансформатора, и с помощью осциллографа, посмотрим во что превратилась синусоида переменного напряжения (рис.4). Ручку «Время/дел.» осциллографа установим на «10», и ручку «V/дел.» так же на «10», а переключатель входа - в импульсный режим.

Рис. 4. Исследуем параметрический стабилизатор.

Стабилитрон, работая как диодный одно-полупериодный выпрямитель, убрал отрицательные полуволны. А как стабилитрон, он обрезал верхушку положительных полуволн на уровне своего напряжения стабилизации (для Д814В - это 10V).

А теперь, подключим такой же стабилизатор на выходе выпрямительного моста (рис. 5). Импульсы пульсирующего напряжения стабилитрон так же, обрезал на уровне своего напряжения стабилизации. Причем, стабилитрону безразлично какой амплитуды эти импульсы или полуволны, 17V или, например, 27V, он их ограничит СТАБИЛЬНО на уровне 10V.

Рис. 5. Исследуем параметрический стабилизатор на выходе моста.

На рисунке 6 показана схема источника питания с параметрическим стабилизатором на выходе. Мультиметр и осциллограф покажут постоянное напряжение 10V, а пульсации будут значительно меньше чем без стабилизатора.

Рис. 6. Схема источника питания с параметрическим стабилизатором на выходе.

Исследуем RC-цепи с помощью осциллографа

Еще одним практическим упражнением работы с осциллографом может быть исследование RC-цепи с помощью осциллографа. Для этого нам потребуется генератор прямоугольных импульсов. Во многих осциллографах, в частности, и С1-65, есть калибратор. Это генератор постоянного напряжения или прямоугольных импульсов частотой 1 кГц.

Калибратор предназначен для калибровки, но его можно с успехом использовать как лабораторный генератор прямоугольных импульсов при налаживании и ремонте аппаратуры.

Но, есть осциллографы и без калибраторов, если ваш именно такой, то нужно будет взять лабораторный функциональный генератор или самому сделать простой генератор прямоугольных импульсов частотой около 1 кГц, по схеме, показанной на рисунке 1. Это простейший мультивибратор на цифровой микросхеме. Но для наших опытов он подходит.

Далее, мы будем рассматривать работу с калибратором осциллографа в качестве источника импульсов. Если же импульсы берутся от отдельного генератора (например, как на рис.1), нужно будет просто подавать их на исследуемую RC-цепь от него. При этом не забыть общий минус питания генератора соединить с клеммой «корпус» осциллографа.

Рис. 1. Схема простого генератора импульсов.

И так, если мы соединим куском провода гнезда «У» и «Выход калибратора», включим калибратор на генерацию импульсов размахом 5V. При этом ручкой «V/дел» выставим «1», а ручкой «время/дел» выставим «0,2mS», вход переключим на переменное напряжение «~», на экране осциллографа будет видно примерно то, что показано на рисунке 2. То есть, прямоугольные импульсы.

Рис. 2. Импульсы на экране осциллограф.

Для экспериментов с RC-цепью потребуется конденсатор емкостью 0,01 мкФ (часто обозначается как «10п» или «103») и переменный резистор сопротивлением 100 кОм.

Экспериментировать будем с двумя типами цепей, - дифференцирующей и интегрирующей.

Сначала подключаем дифференцирующую цепь, состоящую из резистора R1 и конденсатора С1 (рис. 3). Теперь импульсы

Рис. З. Подключаем дифференцирующую цепь.

от калибратора на вход «У» осциллографа поступают через цепь R1C1. Резистор R1 установить в положение максимального сопротивления. При этом, импульсы на экране осциллографа станут как на рис.4. Их амплитуда немного увеличится, но появится наклон в сторону к спаду.

Рис. 4. Импульсы на экране осциллографа.

Если начать поворачивать рукоятку переменного резистора R1, его сопротивление будет уменьшаться, и при этом, амплитуда импульсов будет увеличиваться, но и наклон в сторону к спаду тоже возрастает. На рисунке 5 уже совсем не похоже на прямоугольные импульсы. Однако амплитуда пиков сильно выросла. При дальнейшем повороте R1, амплитуда пиков будет продолжать расти, а наклоны приобретут параболический вид.

Рис. 5. Это уже не похоже на прямоугольные импульсы.

Но, при дальнейшем повороте R1, амплитуда начинает снижаться, и в самом крайнем положении, когда сопротивление R1 равно нулю, импульсы пропадают (это и не удивительно, ведь R1, в состоянии нулевого сопротивления, фактически замкнул вход осциллографа).

Вывод такой, что в результате дифференцирования прямоугольного импульса, он превращается в остроконечный импульс увеличенной амплитуды. Причем, чем больше R1, тем более импульс похож на прямоугольный.

Связанно это с тем, что от сопротивления R1 зависит время зарядки - разрядки конденсатора. И чем меньше R1, тем меньше это время. К тому же, при переходе от положительной полуволны к отрицательной (и наоборот), накопленное на конденсаторе напряжение добавляется к амплитуде импульса.

Поэтому, амплитуда напряжения на резисторе R1 в пиках увеличивается тем больше, чем быстрее заряжается конденсатор. Но при этом пики тем уже, чем меньше R1. Теперь поменяем детали местами, чтобы получилась схема, показанная на рисунке 6. RC-цепочка стала интегрирующей.

Рис. 6. Новая схема для эксперимента.

Если переменный резистор R1 находится в положении минимального сопротивления, на экране осциллографа будет как на рис. 7. Почти такие же прямоугольные импульсы, только фронты и спады слегка сглажены.

Начинаем поворачивать ручку переменного резистора R1, - фронты и спады еще сильнее сглаживаются и приобретают вид, как на рисунке 8. При этом амплитуда существенно снижается.

Выкручиваем ручку переменного резистора R1 до конца (в положение максимального сопротивления), - амплитуда импульсов сильно снижается, и они уже напоминают скорее треугольники (рис.9).

Рис. 7. Изображение на экране осциллографа для эксперимента.

В интегрирующей цепи осциллограф показывает напряжение на конденсаторе. На него поступают импульсы через резистор R1 и заряжают и разряжают его. Как и в первом случае, скорость заряда -разряда тем больше, чем меньше сопротивление резистора. Но, здесь ситуация обратная, поэтому, чем меньше R1 тем скорее С1 заряжается или разряжается до максимального или минимального значения.

А значит, тем круче фронты и спады импульсов на С1. Вот эти закругления, видимые на осциллограмме на рис. 7 и есть то самое время, в течение которого происходит зарядка и разрядка конденсатора.

И чем быстрее конденсатор заряжается, тем меньше эти участки. Быстрота же зарядки конденсатора зависит от сопротивления резистора R1, через который на него поступают импульсы.

С увеличением сопротивления резистора R1 конденсатор все медленнее и плавней заряжается - разряжается, - закругления, показывающие время зарядки - разрядки увеличиваются. Поэтому фронты и спады сглаживаются, становятся наклонными.

При дальнейшем увеличении сопротивления R1 время, необходимое на зарядку конденсатора до максимального напряжения увеличивается на столько, что уже становится больше длительности полу-периода импульса. Конденсатор просто не успевает зарядиться до максимальной величины, как начинается его разрядка.

Рис. 8. Фронты и спады еще более сглажены.

Рис. 9. Импульсы - треугольники на экране осциллографра.

Поэтому амплитуда импульса уменьшается на столько, на сколько конденсатор не успевает зарядиться. В конечном итоге форма импульсов все более и более становится похожа на треугольную.

Любая электротехническая лаборатория должна быть оборудована измерительной аппаратурой для определения источников сигналов, уровня напряжения, силы тока и так далее. Это позволяет осуществлять не только необходимые исследования, но и проектирование или конструирование различных приборов и устройств. На промышленном предприятии, особенно там, где присутствуют токи высокой частоты, без осциллографа (основного прибора для измерения электричества) практически невозможно обойтись.

Применение осциллографа

Данный аппарат позволяет визуализировать напряжение на специальном экране. Он выдает осциллограмму, которая представляет собой график изменения параметра электрического тока на протяжении некоторого периода. Основной ценностью осциллографа является возможность одновременного измерения напряжения, частоты, силы тока и угла сдвига фаз. Все результаты сразу обрабатываются и выводятся на экран в виде графика, который демонстрирует форму электрического сигнала. В результате наблюдатель может увидеть процессы, которые происходят в электрической цепи, определить источник сбоя, своевременно выключить прибор, чтобы предотвратить повреждение или катастрофу.

Как правило, постоянное напряжение представляет собой идеальную синусоиду. Однако на практике это не всегда так – напряжение в сети может колебаться, что и будет отражено на экране описываемого прибора. В такой ситуации точно измерить данный параметр с помощью стандартного вольтметра почти невозможно (будут существенные погрешности: измерительная аппаратура со стрелками будет выдавать одни значения, цифровые приборы – другие, а устройства для измерения напряжения постоянного тока – третьи). Единственный способ максимально точно определить напряжение в такой сети – использовать осциллограф.

Особенности применения цифрового аппарата

Данные измерительные устройства позволяют не только отслеживать форму сигнала в режиме реального времени, но и сохранять полученную информацию, которую затем можно будет обрабатывать на компьютерах при исследовании и моделировании различных процессов. Осциллограмма, которую выводит на экран описываемый прибор, предоставляет возможность наблюдать следующие особенности измеряемого сигнала:

• Параметры электрического импульса;
• Значения входящего сигнала (отрицательные или положительные);
• Скорость изменения значений импульса от нуля до максимального значения;
• Соотношение продолжительности импульса и паузы.

Чаще всего осциллографы используются для изучения сигналов, носящих периодический характер.

Принцип функционирования прибора

Ключевым элементом устройства является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Из нее откачивается воздух так, чтобы внутри образовался вакуум, в котором находится катод (положительно заряженное вещество). При воздействии на него электрического тока он начинает излучать отрицательно заряженные частицы, фокусирующиеся затем с помощью специальной системы и направляемые на внутреннюю поверхность экрана. Эта поверхность покрыта специальным веществом – люминофором, на котором при попадании пучка электронов возникает свечение. В результате, если смотреть на прибор снаружи, можно наблюдать на экране движение светящейся точки.

Фокусировка и направление луча в ЭЛТ осуществляется с помощью двух пар пластин, которые управляют движением электронов в двух плоскостях. В горизонтальной – пучок электронов отклоняется пропорционально изменению времени, а в вертикальной – пропорционально измеряемому напряжению.

Развертка

При наблюдении за характером сигнала с использованием осциллографа напряжение следует подавать на вертикально расположенные пластины. Полученный график изменения параметра, как правило, имеет вид пилы: сначала происходит нарастание разности потенциалов в линейной зависимости, а затем следует резкий спад. Кроме того, наблюдая за движением луча на экране, можно увидеть его отклонение влево или вправо. Это свидетельствует о знаке напряжения: при его отрицательной величине происходит движение влево, а при положительной – вправо. Чаще всего движение луча происходит слева направо с постоянной скоростью.

Такое перемещение точки на экране прибора и называется разверткой. Горизонтальная линия, проводимая лучом, носит название линии нуля. Относительно нее производятся измерения времени. Под частотой развертки понимается периодичность, с которой повторяются пилообразные импульсы.

Порядок подключения осциллографа

Поскольку напряжение – разность потенциалов, то измерять его следует в двух точках. С этой целью осциллограф оборудован двумя клеммами, с помощью которых производится подача напряжения на пластины. Первая клемма является входом и подключается к источнику сигнала, что ведет к отклонению луча по вертикали. Вторая – называется общим проводом и заземлена (замкнута на корпус самого прибора).

Чтобы корректно подключить прибор, необходимо заранее знать, какой из проводов является фазой (по какому проводу течет электрический ток). В зарубежных устройствах для этого имеются специальные щупы, которые позволяют определить наличие напряжения на входе и, к какому источнику какую клемму подключать. При этом общий провод заканчивается зажимом типа «крокодил», что позволяет легко его закрепить на металлическом корпусе измерительного прибора. Клемма, которая обеспечивает контакт с фазой, имеет форму иглы, что позволяет легко измерять электрический сигнал в любом месте: розетке, проводе, печатной плате или даже на ножке микропроцессорного чипа.

После того, как клеммы установлены, можно переходить непосредственно к измерениям. Практически в любой электрической цепи существует единый провод, и для проверки параметров рекомендуется измерять характеристики сигнала на нем. Но такая ситуация может быть не всегда. Тогда следует выбрать точки, где требуется произвести замеры, и осуществить их (чаще всего в качестве таких точек выбирают места наиболее вероятной неисправности).

Обратите внимание! Основной задачей осциллографа является наблюдение за напряжением в динамике. Но, подключив сопротивление, можно исследовать и форму электрического сигнала тока. Величина сопротивления при этом должна быть существенно ниже общего сопротивления исследуемой цепи. Только при соблюдении данного условия измерения будут корректными, поскольку прибор не окажет влияния на функционирование цепи.

Особенности подключения отечественных устройств

Стандарты организации электрических цепей в РФ отличаются от зарубежных, поэтому и измерительную аппаратуру приходится подключать по-другому. В частности, применяются штекеры с диаметром щупа в 4 миллиметра. Поскольку они одинаковые, то, чтобы правильно подключить прибор, необходимо обращать внимание на следующие признаки:

• Вывод, который присоединяется к источнику тока, как правило, обладает большей длиной;
• Провод для заземления (крепления к корпусу) обычно черный или коричневый;
• На штекере для заземления часто присутствует соответствующая надпись или указание, что он должен быть подсоединен к общему проводу.

Важно! Однако такие обозначения встречаются не всегда. Приборы могут быть после ремонта, штекеры заменены, поэтому, чтобы определить, на каком проводе фаза, а на каком – ноль, рекомендуется воспользоваться проверенным способом. Для этого необходимо дотронуться рукой сначала до одного штекера, а потом – до другого. Если пользователь коснулся штекера на минусовом проводе, то на экране появится горизонтальная линия. При касании фазового провода на экране будет отображена синусоида с большим количеством шумов (помех). Данный способ является безошибочным, а помехи появляется из-за влияния других электроприборов, находящихся в помещении.

Возможности двухканального аппарата

Особенностью данного прибора является возможность одновременной выдачи на экран сигнала от двух различных источников. У такого типа измерительного аппарата имеется два канала, обозначенных соответствующим образом. При этом клеммы нулевого провода обоих каналов заведены на корпус, поэтому, измеряя импульсы таким прибором, следует не допускать их подключения к разным местам в одной электрической цепи, поскольку в таком случае может произойти короткое замыкание, и сведения о напряжении окажутся неверными.

Единственным недостатком двухканального осциллографа является невозможность наблюдать одновременно два различных напряжения. Однако такая проблема не является критической, поскольку в большинстве случаев нулевой провод соединен с корпусом и является общим для двух фаз, а, значит, измерение напряжения осуществляется с применением данного проводника.

Преимуществом такого прибора является наличие возможности контроля двух параметров электрической цепи: силы тока и напряжения. Для измерения тока в схему требуется обязательно включить дополнительное сопротивление с определенными параметрами (оно не должно превышать общего сопротивления цепи, чтобы не создавать погрешностей при измерении). Использование такого осциллографа является довольно сложным занятием, поэтому рекомендуется всегда иметь справочники и схемы корректного его подключения.

Дополнительная информация. Следует учитывать и особенность конструкции двухканального осциллографа. В нем имеется некоторая несимметричность: синхронизация первого канала обладает более высоким качеством и стабильностью по сравнению со вторым. Поэтому для получения корректной осциллограммы рекомендуется использовать первый канал для наблюдения за напряжением, а второй – за током.

Порядок измерения напряжения

Для мониторинга данной характеристики сигнала с помощью осциллографа следует ориентироваться на значения вертикальной шкалы экрана. Чтобы получить значения, необходимо соединить клеммы прибора между собой, а затем включить режим измерений. После этого требуется отрегулировать прибор так, чтобы линия развертки оказалась совмещенной с центральной горизонтальной чертой на экране.

Только после завершения описанных подготовительных действий можно переводить устройство в режим для осуществления измерений. Для этого входную клемму следует поместить на источник сигнала, который требуется исследовать.

Важно! Производить измерения с помощью портативного осциллографа несколько сложнее, поскольку у него существенно большее количество настроек и регулировок, поэтому применять его рекомендуется либо при наличии соответствующего опыта, либо, сверяя каждое действие с инструкцией.

После подачи сигнала на вход прибора на экране появится график. Для измерения высоты синусоиды (уровня напряжения) необходимо также произвести регулировку: установить пластины так, чтобы точка на экране находилась на вертикальной линии. Так производить измерение будет существенно проще, поскольку на нее нанесена шкала со значениями.

Порядок изменения частоты

Осциллограф позволяет измерять и периоды сигнала. Для вычисления частоты в последующем можно воспользоваться простой формулой, поскольку частота находится в обратно пропорциональной зависимости от периода сигнала (увеличение периода ведет к сокращению частоты и наоборот).

Измерять период проще всего в местах, где осциллограмма пересекает горизонтальную ось. Следовательно, для получения корректных значений рекомендуется перед началом исследования настроить линию развертки так же, как при мониторинге напряжения.

После этого необходимо установить начало движения точки на крайней левой линии на экране. Далее требуется только зафиксировать значение, при котором точка пересечет горизонтальную линию. Вычислив значение периода, можно с помощью специальной формулы определить частоту. Для увеличения точности измерений следует максимально растягивать график в горизонтальной плоскости. Оптимальной точностью считается погрешность на уровне менее одного процента, но такие параметры можно получить только на цифровых устройствах с линейной разверткой.

Определение угла сдвига фаз

Данное явление демонстрирует расположение относительно друг друга графиков двух электрических сигналов на протяжении определенного периода времени. Измерение величины сдвига осуществляется в частях периода (градусах), а не в единицах времени. Это объясняется особенностью графика, который по своей форме представляет синусоиду, а значит, различие в графиках зависит от разницы в величине углов.

Максимальную точность можно получить также при растяжении графика в длину. В связи с тем, что каждый сигнал отображается с одинаковой яркостью и цветом, рекомендуется установить для них разную амплитуду. Для этого следует подавать на первый канал максимально возможное напряжение, что позволит улучшить синхронизацию изображения на экране.

Таким образом, использование осциллографа требует определенных навыков и теоретических знаний, но измерения параметров электрического сигнала, которые позволяет сделать данный прибор, позволяют обнаружить различные неисправности, а также проектировать качественные новые изделия.

Видео

Цифровой осциллограф, конечно, намного совершеннее обычного электронного, позволяет запоминать осциллограммы, может подключаться к персональному компьютеру, имеет математическую обработку результатов, экранные маркеры и многое другое. Но при всех достоинствах эти приборы нового поколения обладают одним существенным недостатком, - это высокая цена.

Именно она делает цифровой осциллограф недоступным для любительских целей, хотя существуют «карманные» осциллографы стоимостью всего в несколько тысяч рублей, которые продаются на Алиэкспресс, но пользоваться ими не особенно удобно. Ну, просто интересная игрушка. Поэтому пока речь пойдет об измерениях с помощью электронного осциллографа.

На тему выбора осциллографа для использования в домашней лаборатории в интернете можно найти достаточное количество форумов. Не отрицая достоинств цифровых осциллографов, на многих форумах советуют остановить выбор на простых малогабаритных и надежных осциллографах отечественной разработки С1-73 и С1-101 и подобных, с которыми мы ранее познакомились в .

При достаточно демократичной цене эти приборы позволят выполнить большинство радиолюбительских задач. А пока познакомимся с общими принципами измерений с помощью осциллографа.

Рисунок 1. Осциллограф С1-73

Что измеряет осциллограф

Измеряемый сигнал подается на вход канала вертикального отклонения Y, который имеет большое входное сопротивление, как правило, 1MΩ, и малую входную емкость, не более 40pF, что позволяет вносить минимальные искажения в измеряемый сигнал. Эти параметры часто указываются рядом с входом канала вертикального отклонения.

Рисунок 2. Осциллограф С1-101

Высокое входное сопротивление свойственно вольтметрам, поэтому можно с уверенностью сказать, что осциллограф измеряет напряжение. Применение внешних входных делителей позволяет снизить входную емкость и увеличить входное сопротивление. Это также снижает влияние осциллографа на исследуемый сигнал.

Полоса пропускания канала Y

Осциллограф измеряет напряжения в очень широких пределах: от напряжений постоянного тока, до напряжений достаточно высокой частоты. Размах напряжения может быть достаточно разнообразным, - от десятков милливольт до десятков вольт, а при использовании внешних делителей вплоть до нескольких сотен вольт.

При этом следует иметь в виду, что полоса пропускания канала вертикального отклонения Y д.б. не менее, чем в 5 раз выше частоты сигнала, который будет измеряться. То есть усилитель вертикального отклонения должен пропускать не ниже пятой гармоники исследуемого сигнала. Особенно это требуется при исследовании прямоугольных импульсов, которые содержат множество гармоник, как показано на рисунке 3. Только в этом случае на экране получается изображение с минимальными искажениями.

Рисунок 3. Синтез прямоугольного сигнала из гармонических составляющих

Кроме основной частоты на рисунке 3 показаны третья и седьмая гармоники. С увеличением номера гармоники возрастает ее частота: частота третьей гармоники в три раза выше основной, пятой гармоники в пять раз, седьмой в семь и т.д. Соответственно амплитуда высших гармоник падает: чем выше номер гармоники, тем ниже ее амплитуда. Только если усилитель вертикального канала без особого ослабления сможет пропустить высшие гармоники, изображение импульса получится прямоугольным.

На рисунке 4 показана осциллограмма меандра при недостаточной полосе пропускания канала Y.

Рисунок 4.

Примерно так выглядит меандр частотой 500 КГц на экране осциллографа ОМШ-3М с полосой пропускания 0…25 КГц. Как будто прямоугольные импульсы пропущены через интегрирующую RC цепочку. Такой осциллограф выпускался советской промышленностью для лабораторных работ на уроках физики в школах. Даже напряжение питания этого прибора в целях безопасности было не 220, а всего 42В. Совершенно очевидно, что осциллограф с такой полосой пропускания позволит почти без искажений наблюдать сигнал с частотами не более 5КГц.

У обычного универсального осциллографа полоса пропускания чаще всего составляет 5 МГц. Даже при такой полосе можно увидеть сигнал до 10 МГц и выше, но полученное на экране изображение позволяет судить лишь о наличии или отсутствии этого сигнала. О его форме что-либо сказать будет затруднительно, но в некоторых ситуациях форма не столь уж и важна: например есть генератор синусоиды, и достаточно просто убедиться, есть эта синусоида или ее нет. Как раз такая ситуация показана на рисунке 4.

Современные вычислительные системы и линии связи работают на очень высоких частотах, порядка сотен мегагерц. Чтобы увидеть столь высокочастотные сигналы полоса пропускания осциллографа должна быть не менее 500 МГц. Такая широкая полоса очень «расширяет» цену осциллографа.

В качестве примера можно привести цифровой осциллограф U1610A показанный не рисунке 5. Его полоса пропускания 100МГц, при этом цена составляет почти 200 000 рублей. Согласитесь, не каждый может позволить себе купить столь дорогой прибор.

Рисунок 5.

Пусть читатель не сочтет этот рисунок за рекламу, поскольку все координаты продавца не закрашены: на месте этого рисунка мог оказаться любой подобный скриншот.

Виды исследуемых сигналов и их параметры

Наиболее распространенным видом колебаний в природе и технике является синусоида. Это та самая многострадальная функция Y=sinX, которую проходили в школе на уроках тригонометрии. Достаточно много электрических и механических процессов имеют синусоидальную форму, хотя достаточно часто в электронной технике применяются и другие формы сигналов. Некоторые из них показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Формы электрических колебаний

Периодические сигналы. Характеристики сигналов

Универсальный электронный осциллограф позволяет достаточно точно исследовать периодические сигналы. Если же на вход Y подать реальный звуковой сигнал, например, музыкальную фонограмму, то на экране будут видны хаотично мелькающие всплески. Естественно, что детально исследовать такой сигнал невозможно. В этом случае поможет применение цифрового запоминающего осциллографа, который позволяет сохранить осциллограмму.

Колебания, показанные на рисунке 6, являются периодическими, повторяются, через определенный период времени T. Подробнее это можно рассмотреть на рисунке 7.

Рисунок 7. Периодические колебания

Колебания изображены в двухмерной системе координат: по оси ординат отсчитывается напряжение, а по оси абсцисс время. Напряжение измеряется в вольтах, время в секундах. Для электрических колебаний время чаще измеряется в миллисекундах или микросекундах.

Кроме компонентов X и Y осциллограмма содержит еще компонент Z - интенсивность, или попросту (рисунок 8). Именно она включает луч на время прямого хода луча и гасит на время обратного хода. Некоторые осциллографы имеют вход для управления яркостью, который так и называется вход Z. Если на этот вход подать импульсное напряжение от образцового генератора, то на экране можно увидеть частотные метки. Это позволяет точнее отсчитывать длительность сигнала по оси X.

Рисунок 8. Три компонента исследуемого сигнала

Современные осциллографы имеют, как правило, калиброванные по времени развертки, позволяющие точно отсчитывать время. Поэтому пользоваться внешним генератором для создания меток практически не приходится.

В верхней части рисунка 7 располагается синусоида. Нетрудно видеть, что начинается она в начале координатной системы. За время T (период) выполняется одно полное колебание. Далее все повторяется, идет следующий период. Такие сигналы называются периодическими.

Ниже синусоиды показаны прямоугольные сигналы: меандр и прямоугольный импульс. Они также периодические с периодом T. Длительность импульса обозначена как τ (тау). В случае меандра длительность импульса τ равна длительности паузы между импульсами, как раз половина периода T. Поэтому меандр является частным случаем прямоугольного сигнала.

Скважность и коэффициент заполнения

Для характеристики прямоугольных импульсов используется параметр, называемый скважностью. Это есть отношение периода следования импульсов T к длительности импульса τ. Для меандра скважность равна двум, - величина безразмерная: S= T/τ.

В англоязычной терминологии как раз все наоборот. Там импульсы характеризуются коэффициентом заполнения, соотношением длительности импульса к периоду следования Duty cycle: D=τ/T. Коэффициент заполнения выражается в %%. Таким образом, для меандра D=50%. Получается, что D=1/S, коэффициент заполнения и скважность величины взаимно обратные, хотя характеризуют собой один и тот же параметр импульса. Осциллограмма меандра показана на рисунке 9.

Рисунок 9. Осциллограмма меандра D=50%

Здесь вход осциллографа подключен к выходу функционального генератора, показанного тут же в нижнем углу рисунка. И вот тут внимательный читатель может задать вопрос: «Амплитуда выходного сигнала с генератора 1В, чувствительность входа осциллографа 1В/дел., а на экране прямоугольные импульсы с размахом 2В. Почему?»

Дело в том, что функциональный генератор выдает двухполярные прямоугольные импульсы относительно уровня 0В, примерно так же, как синусоида, с положительной и отрицательной амплитудой. Поэтому на экране осциллографа наблюдаются импульсы с размахом ±1В. На следующем рисунке изменим коэффициент заполнения Duty cycle, например, до 10%.

Рисунок 10. Прямоугольный импульс D=10%

Нетрудно видеть, что период следования импульсов составляет 10 клеток, в то время, как длительность импульса всего одна клетка. Поэтому D=1/10=0,1 или 10 %, что видно по настройкам генератора. Если воспользоваться формулой для подсчета скважности, то получится S = T / τ = 10 / 1 = 1 - величина безразмерная. Вот здесь можно сделать вывод, что Duty cycle намного наглядней характеризует импульс, чем скважность.

Собственно сам сигнал остался такой же, как на рисунке 9: прямоугольный импульс амплитудой 1В и частотой 100Гц. Изменяется только коэффициент заполнения или скважность, уж это как кому привычней и удобней. Но для удобства наблюдения на рисунке 10 длительность развертки снижена в два раза по сравнению с рисунком 9 и составляет 1мс/дел. Поэтому период сигнала занимает на экране 10 клеток, что позволяет достаточно легко убедиться, что Duty cycle составляет 10%. При пользовании реальным осциллографом длительность развертки выбирается примерно также.

Измерение напряжения прямоугольного импульса

Как было сказано в начале статьи, осциллограф измеряет напряжение, т.е. разность потенциалов между двумя точками. Обычно измерения проводятся относительно общего провода, земли (ноль вольт), хотя это необязательно. В принципе возможно измерение от минимального до максимального значения сигнала (пиковое значение, размах). В любом случае действия по измерению достаточно просты.

Прямоугольные импульсы чаще всего бывают однополярными, что характерно для цифровой техники. Как измерить напряжение прямоугольного импульса, показано на рисунке 11.

Рисунок 11. Измерение амплитуды прямоугольного импульса

Если чувствительность канала вертикального отклонения выбрана 1В/дел, то получается, что на рисунке показан импульс с напряжением 5,5В. При чувствительности 0,1В/дел. Напряжение будет всего 0,5В, хотя на экране оба импульса выглядят совершенно одинаково.

Что еще можно увидеть в прямоугольном импульсе

Прямоугольные импульсы, показанные на рисунках 9, 10 просто идеальные, поскольку синтезированы программой Electronics WorkBench. Да и частота импульсов всего 100Гц, поэтому проблем с «прямоугольностью» изображения возникнуть не может. В реальном устройстве при высокой частоте следования импульсы несколько искажаются, прежде всего, появляются различные выбросы и всплески, обусловленные индуктивностью монтажа, как показано на рисунке 12.

Рисунок 12. Реальный прямоугольный импульс

Если не обращать внимания на подобные «мелочи», то прямоугольный импульс выглядит так, как показано на рисунке 13.

Рисунок 13. Параметры прямоугольного импульса

На рисунке показано, что передний и задний фронты импульса возникают не сразу, а имеют какое-то время нарастания и спада, несколько наклонены относительно вертикальной линии. Этот наклон обусловлен частотными свойствами микросхем и транзисторов: чем более высокочастотный транзистор, тем менее «завалены» фронты импульсов. Поэтому длительность импульса определяется по уровню 50% от полного размаха.

По этой же причине амплитуда импульса определяется по уровню 10…90%. Длительность импульса, так же, как и напряжение, определяется умножением числа делений горизонтальной шкалы на значение деления, как показано на рисунке 14.

Рисунок 14.

На рисунке показан один период прямоугольного импульса, несколько отличного от меандра: длительность положительного импульса составляет 3,5 деления горизонтальной шкалы, а длительность паузы 3,8 деления. Период следования импульса составляет 7,3 деления. Такая картинка может принадлежать нескольким разным импульсам с различной частотой. Все будет зависеть от длительности развертки.

Предположим, что длительность развертки 1мс/дел. Тогда период следования импульса 7,3*1=7,3мс, что соответствует частоте F=1/T=1/7.3= 0,1428КГц или 143ГЦ. Если длительность развертки будет 1мкс/дел, то частота получится в тысячу раз выше, а именно 143КГЦ.

Пользуясь данными рисунка 14 нетрудно подсчитать скважность импульса: S=T/τ=7,3/3,5=2,0857, получается почти, как у меандра. Коэффициент заполнения Duty cycle D=τ/T=3,5/7,3=0,479 или 47.9%. При этом следует обратить внимание, что эти параметры ни в коем случае не зависят от частоты: скважность и коэффициент заполнения были подсчитаны просто по делениям на осциллограмме.

С прямоугольными импульсами все вроде бы понятно и просто. Но мы совсем забыли о синусоиде. В сущности, там то - же самое: можно измерить напряжения и временные параметры. Один период синусоиды показан на рисунке 15.

Рисунок 15. Параметры синусоиды

Очевидно, что для показанной на рисунке синусоиды чувствительность канала вертикального отклонения составляет 0,5В/дел. Остальные параметры нетрудно определить умножив число делений на 0,5В/дел.

Синусоида может быть и другой, которую придется измерять при чувствительности, например, 5В/дел. Тогда вместо 1В получится 10В. Однако, на экране изображение обеих синусоид выглядит абсолютно одинаково.

Временные параметры показанной синусоиды неизвестны. Если предположить, что длительность развертки 5мс/дел., период составит 20мс, что соответствует частоте 50ГЦ. Цифры в градусах на оси времени показывают фазу синусоиды, хотя для одиночной синусоиды это не особо важно. Чаще приходится определять сдвиг по фазе (непосредственно в миллисекундах или микросекундах) хотя бы между двумя сигналами. Лучше всего это делать с помощью двухлучевого осциллографа. Как это делается, будет показано чуть ниже.

Как осциллографом измерить ток

В некоторых случаях требуется измерение величины и формы тока. Например, переменный ток, протекающий через конденсатор, опережает напряжение на ¼ периода. Тогда в разрыв цепи включают резистор с небольшим сопротивлением (десятые доли Ома). На работу схемы такое сопротивление не влияет. Падение напряжения на этом резисторе покажет форму и величину тока, протекающего через конденсатор.

Примерно так же устроен обычный стрелочный амперметр, который включатся в разрыв электрической цепи. При этом измерительный резистор находится внутри самого амперметра.

Схема для измерения тока через конденсатор показана на рисунке 16.

Рисунок 16. Измерение тока через конденсатор

Синусоидальное напряжение частотой 50 Гц амплитудой 220 В с генератора XFG1 (красный луч на экране осциллографа) подается на последовательную цепь из конденсатора C1 и измерительного резистора R1. Падение напряжения на этом резисторе покажет форму, фазу и величину тока через конденсатор (синий луч). Как это будет выглядеть на экране осциллографа, показано на рисунке 17.

Рисунок 17. Ток через конденсатор опережает напряжение на ¼ периода

При частоте синусоиды 50 Гц и развертке 5 ms/Div один период синусоиды занимает 4 деления по оси X, что очень удобно для наблюдения. Нетрудно видеть, что синий луч опережает красный ровно на 1 деление по оси X, что соответствует ¼ периода. Другими словами ток через конденсатор опережает по фазе напряжение, что полностью соответствует теории.

Чтобы рассчитать ток через конденсатор достаточно воспользоваться законом Ома: I = U/R. При сопротивлении измерительного резистора 0,1Ом падение напряжения на нем 7мВ. Это амплитудное значение. Тогда максимальный ток через конденсатор составит 7/0,1=70мА.

Измерение формы тока через конденсатор не является какой-то очень актуальной задачей, тут все ясно и без измерений. Вместо конденсатора может быть любая нагрузка: , обмотка электродвигателя, транзисторный усилительный каскад и многое другое. Важно, что именно таким методом можно исследовать ток, который в некоторых случаях значительно отличается по форме от напряжения.