При ремонте или наладке радиоэлектронной и электротехнической аппаратуры нередко возникает необходимость определить наличие периодического сигнала, посмотреть его форму и с определенной точностью определить параметры. Все это можно сделать с помощью прибора, который не совсем правильно называется осциллографом ( слово «осцилло» на латыни означает качаться, а «графо» по-гречески — пишу, а точнее это устройство надо бы называть осциллоскопом, от греческого «скопео» — наблюдать).
Что может замерять осциллограф
Осциллограф позволяет посмотреть форму сигнала. Понять принцип его действия можно по механическому аналогу – над движущейся лентой совершает колебания мешочек с песком. Песочный след рисует линию, соответствующую форме колебаний.
В электронном осциллографе роль движущейся ленты выполняет горизонтальная развертка, роль сыплющегося песка – электронный луч, рисующий на экране, покрытом люминофором. Развертка по горизонтали определяется временем хода луча, развёртка по вертикали – амплитудой напряжения, поданного на вход. На экран нанесены деления, масштаб которых устанавливается ручками на передней панели прибора:
- время на деление (TIME/DIV);
- вольт на деление (VOLT/DIV).
Вращением ручек можно «развернуть» изображение сигнала, который показывает осциллограф, таким образом, чтобы его было комфортно наблюдать и измерять.
Далее в качестве примеров будет приводиться работа с электронным осциллографом GOS-620FG.
В первую очередь, осциллографом можно измерить напряжение. Например, постоянное. Если на вход прибора подать подобный сигнал, прямой луч отклонится от нулевого положения на величину измеряемого напряжения (с учетом выбранного усиления ручкой вольт/дел).
Можно увидеть и переменное напряжение – если брать его от сети (напрямую или через понижающий трансформатор) оно будет иметь форму синусоиды. Если брать сигнал от функционального генератора или от электронной схемы, его форма может быть различной.
В принципе, осциллографом можно измерить любую величину, если преобразовать ее в напряжение. Например, можно измерить ток в виде падения напряжения на шунтовом резисторе.
Основные понятия
Чтобы научиться проводить измерения с помощью осциллографа, надо четко понимать, что представляют собой величины, характеризующие периодическую функцию.
Частота сигнала
Если сигнал периодический, это означает, что он через определенное время повторяется. Это время называется периодом, он обозначается буквой T и его длительность измеряется в секундах (микросекундах, миллисекундах и т.д.).
Более строгая формулировка – периодом называется время одного полного колебания.
Зная период, легко посчитать частоту. Зависимость выглядит, как f =1/T.
Здесь время в секундах, частота – в герцах.
Амплитуда сигнала
Амплитудой (A) называется максимальное отклонение изменяющейся величины от среднего значения. В радиотехнике и электротехнике амплитудой называют наибольшее отклонение напряжения от нулевого значения (линия 1 на рисунке).
Существует и другая величина, оценивающая наибольшее отклонение от нуля, она называется размахом (в зарубежной технической литературе – peak-to-peak, «от пика до пика», Vpp). Эта величина равна разнице между наибольшим и наименьшим значением сигнала.
У однополярных сигналов без постоянной составляющей амплитуда в общем случае равна размаху. Это верно, например, для однополярного напряжения прямоугольной формы.
Форма сигнала
При разработке, налаживании и ремонте электронных схем можно встретить самые разнообразные формы сигналов. Наиболее простые и распространённые среди них:
- синусоидальный;
- треугольный;
- прямоугольный.
Эти сигналы можно получить от многих функциональных генераторов, которые имеются в лабораториях.
По мере прохождения сигнала по схеме, его форма может модифицироваться (намеренно) или искажаться (нештатно). Посредством осциллографа можно контролировать эти явления.
Фаза сигнала
Под фазой в радиотехнике и электротехнике понимают местоположение точки периодического сигнала в пределах одного периода колебаний.
- Период можно измерять в радианах, тогда полный период составит 2π. Фаза первой точки будет равна 0, второй π/2, третьей — 3π/2, четвертой — 2π.
- Можно измерять период в градусах, тогда полный период составит 180 градусов, точка 1 – 0 градусов, точка 2 – 45 градусов, точка 3 – 135 градусов, а точка 4 – 180.
- Можно измерять фазу в относительных единицах (долях периода). Тогда точка 0 имеет фазу 0, точка 2 – T/4, точка 3 – 3/4Т, точка 4 – Т.
Часто фазой сигнала называют его начальную фазу (колебание начинается не с нулевой точки) или сдвиг фаз между двумя периодическими сигналами.
Работа с осциллографом
От правильного выбора режима осциллографа зависит точность измерения. Да и удобство работы тоже.
Подготовка
После включения осциллографа надо:
- отрегулировать яркость свечения до комфортной (ручкой INTEN);
- сфокусировать луч (FOCUS) до минимальной ширины дорожки;
- установить дорожку на нулевое деление ручкой POSITION.
После этого можно приступать к дальнейшему выбору режима работы.
Удобнее всего выполнять эти операции, поставив переключатель входа в позицию GND.
Настройка усиления
Сигнал комфортно наблюдать и считывать его параметры, если он занимает по размаху большую (но не всю) часть экрана. Например, на экран осциллографа GOS-620FG нанесено 8 делений по вертикали (по 4 вверх и вниз от нуля). Удобно, чтобы сигнал от пика до пика занимал 6 делений. Значит, если ожидается наблюдение сигнала размахом в 1 вольт, надо, чтобы на 1 деление приходилось 1/6=0,16 вольта. Выбирается усиление 0,2 вольта на деление.
Если фактический сигнал будет больше или меньше ожидаемого, или удобнее изменить масштаб в большую или меньшую сторону, можно изменить предел измерения непосредственно во время наблюдения.
Выбор режима
В первую очередь надо выбрать режим синхронизации. От этого будет зависеть, насколько получится «остановить» наблюдаемый сигнал для измерения и анализа. Несинхронизированный сигнал будет «бежать» по экрану или сливаться в одну дорожку. В рассматриваемом приборе органы управления синхронизацией расположены в зоне Trigger.
В первую очередь надо выбрать режим синхронизации переключателем Mode:
- auto – генератор развертки работает постоянно в автоматическом режиме;
- norm – ждущий режим, развертка запускается при появлении на входе сигнала достаточной амплитуды ( регулируется ручкой Level);
- режимы TV-V и TV-H – синхронизация импульсом вертикальной или горизонтальной синхронизации ТВ-сигнала (используется при работе с видеоаппаратурой).
Чтобы посмотреть сигнал неизвестной заранее амплитуды, лучше выбрать автоматический режим.
Ручкой Source надо выбрать источник синхронизирующего сигнала:
- CH1, CH2 – сигнал, подаваемый на соответствующий вход (у данного осциллографа их два);
- line – синхронизация от сети 220 вольт;
- ext – синхронизация внешним сигналом.
В самом простом случае выбирается тот же вход, на который подается исследуемый сигнал (CH1 в приведенном примере). Картинка «останавливается» вращением ручки level.
Далее надо выбрать режим работы входа. Он может быть:
- открытым (DC, пропускает как переменное, так и постоянное напряжение);
- закрытым (AC, пропускает только переменное напряжение);
- GND – соединен с общим проводом и не пропускает ничего.
С одной стороны, бывает необходимо посмотреть обе составляющие сигнала. С другой это не всегда удобно.
Например, имеется схема каскада, показанного на рисунке, и надо посмотреть сигнал в точке, указанной зеленой стрелкой. В ней уровень постоянного напряжения составляет 4..5 вольт, а переменное может быть, к примеру, 0,1 вольт. Уместить на одном экране оба уровня не получится – переменная часть «съедет» к краю дисплея или уйдет за его пределы. Поэтому в данном случае переменную составляющую сигнала лучше рассматривать в режиме закрытого входа (AC).
Подключение к источнику сигнала
При подключении к источнику сигнала надо осознавать, что осциллограф имеет собственное входное сопротивление и входную ёмкость. Обычно эти параметры указаны рядом с входным разъемом прибора.
Кроме того, свою емкость имеет и шнур со щупами. Эта емкость подключается параллельно входной емкости входа осциллографа и суммируется с ней. Она невелика, всего несколько десятков пикофарад, но при работе с высокочастотными цепями это может иметь значение. Обе эти величины могут внести искажения и, в определенных случаях, сделать измерение менее точным (а иногда и полностью исказить результат).
Если анализ показывает, что измерения с обычным кабелем могут быть неточными, придется применить щуп с делителем. Он снижает амплитуду сигнала в 10 раз, но при этом уменьшает входную емкость и увеличивает входное сопротивление. Типовые параметры для распространенных щупов с делителем указаны в таблице (для разных изделий могут различаться).
| Режим | Входная ёмкость, пФ | Входное сопротивление, МОм | Наибольшая частота измерений |
|---|---|---|---|
| 1:1 | 70..120 | 1 | 10 |
| 1:10 | 14..18 | 10 | 100 |
Работа с измерительными линейками
Дисплей осциллографа содержит:
- горизонтальную линейку из 8 делений для измерения времени;
- вертикальную линейку из 8 делений для измерения напряжения.
Деления линеек пересекаются, образуя измерительную сетку. Для более точных замеров каждое большое деление разбито еще на 5 малых, но малые деления сетки не образуют. Цена каждого большого деления (а вслед за ним – и малого зависит от положения переключателей.
Переключатели вольт на деление (VOLT/DIV) задают значение большого вертикального деления. Данная модель осциллографа позволяет выбирать значение масштабирования от 5 мВ (0,005 вольт) до 5 вольт на 1 деление. На самом грубом пределе на экран умещается снизу до верху 5 х 8 =40 вольт, на самом чувствительном – 40 милливольт. В первом случае малое деление имеет значение 0,1 мВ, а во втором – 1 вольт.
Эта модель осциллографа является двухлучевой (двухканальной), масштаб напряжений можно установить раздельно для каждого входа.
Примеры измерения параметров электрических сигналов
В качестве примера можно рассмотреть синусоидальный сигнал неизвестной амплитуды и частоты, поданный с функционального генератора. Для работы выбирается канал 1 в закрытом режиме и автоматический режим синхронизации по этому же каналу.
После установки удобного для наблюдения усиления (ручка VOLT/DIV) в положении 0,5V) и синхронизации сигнала ручкой Level изображение сигнала растянуто ручкой TIME/DIV (положение 0,1 mS).
Амплитуда сигнала составляет 1,7 большого деления (размах от пика до пика – 3,4 большого деления). Значит, при выбранном усилении амплитуда составит 1,7 х 0,5=0,85 вольт (Vpp=1,7 вольт).
Длительность одного периода колебаний составит 4,4 большого деления. Значит, период длится T=4,4 х 0,1 мс=0,44 мс=0,00044 секунды. Следовательно, частота сигнала составляет f=1/T=1/0,00044=2272,7 Герц или около 2,27 кГц.
В другом положении ручки TIME/DIV (0,2 mS) сигнал на экране «сожмется» вдове по горизонтали. Длительность периода составит 2,2 деления, но все те же 0,44 мс.
Точно измерить частоту с помощью осциллографа не получится (если у него нет встроенного частотомера), поэтому к полученной цифре надо относиться, как к оценочной.
В обзоре описаны только базовые приемы работы с осциллографом. По мере накопления знаний и навыков можно выполнять более сложные измерения. Значительно расширяют возможности этого прибора дополнительные блоки (приставки), которые можно сделать самостоятельно или приобрести в специализированных магазинах. Так, генератор качающейся частоты позволяет осциллографу измерять АЧХ различных устройств, а блок с шунтовым резистором – измерять токи.
Еще больше возможностей дает пользователю применение цифровых осциллографов. Они дают возможность более точных замеров, хранения данных, их можно подключать к компьютеру, что позволяет использовать ресурсы, недоступные аналоговому устройству.
Следует лишь помнить, что сигнал в таком осциллографе выдается на дисплей после обработки, поэтому форма его может не полностью соответствовать реальной.
Тем не менее, первые навыки лучше получать на аналоговом приборе. Лишь после есть смысл переходить к более сложным измерительным устройствам.
