Практические упражнения по работе с осциллографом (RC-цепи)

Понятие и история создания

Под осциллографом принято понимать специализированный прибор, созданный для точного измерения, наблюдения и последующей записи параметров и характеристик электрического сигнала: временных и амплитудных. Подобные сигналы могут как подаваться на вход, так и регистрироваться непосредственно на дисплее или фиксироваться на фотоленту. Скачок современной науки сделал возможным исследование сигнала гигагерцовых частот.

Первая фиксация электрического колебательного процесса делалась на бумаге в ручном режиме. Начальные попытки по автоматизированию записи велись Жюлем Франсуа Жубером. Учёный в 1880 году представил к использованию полуавтоматический пошаговый метод регистрирования сигнала. Следующим шагом в развитии метода стал однограф Госпиталье, который стал полностью автоматическим.

В начале 1885 года русским физиком Робертом Колли был спроектирован и создан осциллометр. Доработав творение Колли, французский физик А. Блондель изобрёл магнитно-электрический осциллоскоп, оснащённый бифилярным подвесом. Невозможность фиксировать процессы с высокой скоростью из-за подвижности регистрирующих частей с большой инерцией была устранена в 1897 году. Дадделл Уильям предложил использовать миниатюрное зеркальце в качестве измерительного элемента.

Во второй половине XX века появились ленточные многоканальные осциллографы с горизонтальной развёрткой. Цифровые модели пришли на смену устаревшим аналогам и заняли лидирующую позицию среди быстрейших аналого-цифровых преобразователей.

Развёрнутая классификация прибора

Современные осциллографы обладают весомым набором приложений для измерения, глубокой памятью, сенсорным ёмкостным дисплеем и способностью к скоростному обновлению сигналов на дисплее. Ознакомление с классификацией — неотъемлемый шаг в работе с техникой. Аппаратура подлежит внутреннему делению по назначению и логике работы:

1. Стробирующий.
2. Реального времени или аналоговый.
3. Запоминающий: сходный с ЭЛТ аналоговый и цифровой.

В отдельную группу выделяются приборы с непрерывной развёрткой. Они позволяют регистрировать кривую на особой фотоленте. По числу лучей бывают двулучевые, однолучевые, трехлучевые и так далее. Вершиной автоматизации считается 16 лучей и более. Параметр влияет на синхронизацию данных.

Для техники с периодической развёрткой характерно следующее деление: стробоскопические, скоростные, обычные и универсальные, специальные запоминающие. Цифровым моделям свойственно сочетание нескольких параметров. Реже встречаются осциллографы, назначение которых совмещено с другим измерительным прибором. Их официальное название — скопметры.

Вам это будет интересно Понятие заземления и заземляющего контура

Особенности прибора

Цифровые осциллографы могут не только показывать в режиме реального времени форму сигнала, но и сохранять все данные, которые впоследствии можно будет прочитать на персональных компьютерах. По осциллограмме, изображенной на рисунке выше, можно определить некоторые особенности сигналов:

1. Характер сигнала импульсный.
2. Отрицательных значений не имеет входящий сигнал.
3. Происходит очень быстрое изменение значений от 0 до максимума и обратно.
4. Длительность импульса выше длительности паузы более чем в три раза.

Как правило, при помощи осциллографа проводятся исследования периодических сигналов. Именно о них и пойдет речь в статье.

Особенности внутреннего устройства

Несмотря на сложное внутреннее оснащение на базе ЭЛТ, прибор с дисплеем может состоять из нескольких составляющих. К ним относятся:

• Входной стандартный усилитель для наблюдаемых сигналов, чей выход подключается напрямую к пластинам вертикального отклонения.
• Электронно-лучевая осциллографическая трубка. Широко используется в ряде близких по назначению измерительных приборов.
• Далее идёт блок горизонтальной развёртки. Однократный тип или периодический сигнал преобразуется в пилообразную форму. Он направляется к пластинам с горизонтальным типом отклонения ЭЛТ. Помимо этого, в период спадающей фазы создаётся импульс гашения электронных лучей, подаваемый на модуляторы ЭЛТ.
• К вспомогательным или дополнительным частям устройства осциллографа относят калибратор длительности, возможной амплитуды и блок управления яркости.

Экран «А» позволяет чётко отобразить графики каждого поступающего входного сигнала. Цифровые аналоги выводят на цветной или специфический монохромный дисплей желаемое изображение как полностью готовую картинку. Остальные модели используют электронно-лучевую трубку, оснащённую показателями электростатического отклонения. Для таких экранов характерна нанесённая в виде координатной сетки разметка, миссия которой — показывать точное местоположение данных.

Важной деталью являются сигнальные выходы. Многоканальная аппаратура предназначена измерять параметры и вести одновременное наблюдение за несколькими поступающими в систему сигналами. На вход Y поступает и усиливается входной сигнал от каждого из присутствующих каналов.

Выделяют два базовых типа развёртки: ждущий и автоколебательный, или автоматический. Реже можно встретить модели с дополнительным однократным режимом. Каждый вид имеет свои специфические черты:

1. Однократный запуск. Характерный механизм запуска — внешнее воздействие. Так, нажатие кнопки и дальнейшее ожидание запуска сходны со ждущим режимом. После запуска развёртывание производится однократно. Повторная развёртка требует ещё одного запуска. Подобная система работы комфортна для изучения функционирования процессов непериодического типа. Недостатком является однократный пробег светящегося пятна по дисплею. Яркость картинки недостаточна, что серьёзно затрудняет процесс наблюдения при быстрой развёртке.
2. Ждущий режим. Недостаточный уровень или отсутствие сигнала вызывает отсутствие развёртки и дальнейшее угасание экрана. Запуск возможен только при достижении сигналами определённого заданного оператором уровня. Возможна настройка запуска как по падающему, так и по нарастающему сигнальному фронту. Важно отметить, что при изучении непериодических типов импульсных процессов такая система гарантирует зрительную неподвижность картинки на экране. Зачастую развёртывание запускается синхронным, несколько опережающим процесс наблюдения сигналом.
3. Автоматическое развёртывание. В этом случае генератор функционирует в автоколебательном типе режима. Благодаря этому даже при отсутствии сигнала в момент окончания цикла произойдёт очередной момент её запуска. Это делает возможным наблюдение изображения на экране даже в ситуации подачи на входе вертикального типа отклонения постоянного напряжения или отсутствия сигнала. Подобный режим характеризуется особым захватом частоты генератора развёртывания наблюдаемым сигналом. Важно, что частота генераторов при этом в целое количество раз меньше частоты исследуемых сигналов.

Вам это будет интересно Материал, из какого должен изготавливаться искусственный заземлитель

Какой осциллограф выбрать?

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

• электронно-лучевые,
• цифровые.

«Дедушка» современных цифровых осциллографов — советский высокоточный аналоговый прибор С1-99
Все модели, выпускавшиеся в Советском Союзе (многие из которых «здравствуют» до сих пор), выпущены на базе электронно-лучевой трубки. Их особенностью является более высокая точность измерений по сравнению с цифровыми. Однако, и габариты их, как и всей советской электроники, крайне неудобны: осциллографы обладают значительным весом и габаритами, в связи с чем и мобильность их оставляет желать лучшего.

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

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

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

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

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

Синхронизация с наблюдаемым сигналом

Получить заданное неподвижное изображение на дисплее позволяет особая двигательная траектория луча на экране в процессе развёртывания. Он должен перемещаться по одной и той же кривой линии. Обеспечением этого процесса занимается схема синхронизации, дающая старт развёртке на одинаковом фронте и уровне исследуемых сигналов.

В качестве примера допустимо рассмотрение ситуации исследования синусоидального сигнала при такой настройке схемы, что запуск развёртывания в нарастании синусоидов будет иметь значение ноль. В момент запускания узкий луч обрисует несколько схожих или одну единую волну, на что будет влиять настроенная заранее скорость. Отсутствие повторного запуска заставит дождаться очередного прохождения волны с нулевым значением при нарастающем фронте.

Без синхронизации с изучаемым сигналом картинка на дисплее будет выглядеть нечёткой, размазанной. Это вызвано одновременным отображением различных участков исследуемого сигнала на экране. Базовые настройки, доступные каждому оператору: тип запуска и его уровень.

Вход канала осциллографа

На передней панели имеется масштаб в вертикальной плоскости – он определяется при помощи регулятора чувствительности того канала, по которому происходит измерение. Существует возможность сменить масштаб не плавно, а ступенчато, при помощи переключателя. Какие задать значения можно с его помощью, смотрите на корпусе рядом с ним. На одной оси с этим переключателем находится регулятор для плавной корректировки (вот как пользоваться осциллографом С1-73 и аналогичными моделями).

На передней панели можно найти ручку с изображением двунаправленной стрелки. Если вращать ее, то график этого канала начнет перемещаться в вертикальной плоскости (вниз-вверх). Обратите внимание на то, что возле этой ручки имеется графическое обозначение, которое показывает, в какую сторону необходимо ее вращать, чтобы изменить значение множителя в меньшую или большую сторону. Органы управления обоих каналов одинаковые. Кроме того, на передней панели имеются ручки регулировки контрастности, яркости, синхронизации. Стоит отметить, что цифровой карманный осциллограф (как пользоваться девайсом, мы рассматриваем) также имеет ряд настроек отображения графиков.

Специфика выбора товара

Приобретая такую узкоспециализированную технику, следует учитывать ряд важных параметров. В первую очередь следует обратить внимание на следующие:

• Полосу пропускания. В среднем полоса должна быть на 5 пунктов выше значения частоты исследуемого сигнала. Для использования простого усилителя звуковых частот и цифровой схемы достаточным параметром будет 25 МГц. Научные изыскания и профессиональные исследования потребуют использование устройства с минимальной полосой пропускания около 150 МГц.
• Тип питания. В случае проведения работ вдали от сети или на выезде рекомендуется приобрести модель с аккумулятором. В любой другой ситуации целесообразно использовать аппаратуру, работающую от сети.
• Частота дискретизации. Пункт влияет на качество разрешения изображений на экранах, количество выборок сигнала за секунду. Для более точного изображения потребуется увеличение числа точек сигнала. Частота важна и для измерения однократных и переходных процессов.
• Число каналов. Каналы влияют на количество отображаемых на дисплее независимых сигналов. Обеспечивают возможность анализировать и сравнивать несколько графиков одновременно. Работа с простыми техническими приборами не требует более 3 каналов. Более продвинутая аппаратура должна быть оснащена логическим анализатором и 16 каналами.

Вам это будет интересно Киловатт — производная единица измерения мощности

Как подключить импортный осциллограф

Напряжение мерить нужно в двух точках, значит, вход осциллографа – это две клеммы. Обратите внимание на то, что функции у каждой из клемм разные:

1. Первая подключается на вход усилителя, который отклоняет луч в вертикальной плоскости.
2. Вторая клемма – это общий провод (земля, минус, корпус). Имеет электрическую связь непосредственно с корпусом прибора.

Отсюда вывод можно сделать о том, что при помощи осциллографа измеряется фазовое напряжение относительно земли. Причем необходимо знать, какой из входов — фаза. В приборах зарубежного производства применяются специальной конструкции щупы. В них общий провод сделан в виде зажима типа «крокодил». Наиболее разумное решение, так как именно этот провод чаще всего соединяется с металлическим корпусом устройства, на котором проходят измерения. А вот фаза выполняется в виде иглы. С ее помощью можно без труда ткнуть в любое место печатного монтажа, даже в одинокую ножку микропроцессора.

Применение и интересные факты

Являясь одним из важнейших аппаратов в радиоэлектронике и радиотехнике, он широко используется в лабораторных, прикладных и научно-исследовательских целях. Позволяет изучать, контролировать и измерять параметры электрических сигналов и радиоволн при воздействии разнообразных датчиков. Прибор позволяет:

1. Определять частоту сигнала по измерению его временных характеристик.
2. Измерять временные параметры для получения значения амплитуды напряжения.
3. Выяснить постоянную и переменную классического сигнала.
4. Изучать сдвиги фаз, происходящие при прохождении различных участков цепи.
5. Исследовать внутренние механизмы, происходящие в электрической цепи.
6. Наблюдать частоту колебания и особенности искажения сигнала.
7. Вычислить соотношение шума и сигнала, стационарность шума и возможные изменения по временным параметрам.
8. Наладить оперативный и периодический контроль качественных характеристик телевизионного тракта в системе телевещания.

Широко применение осциллографа в диагностике и ремонте автотранспорта. Благодаря своим характеристикам он способен выявить неисправные катализаторы, проверить функционирование исполнительных механизмов, кратко указать основные идентификационные сведения системы, считать код неисправностей, который сохраняет система, отследить изменения сигналов датчиков системы.

Учёными выделено несколько занимательных фактов работы и создания фиксирующего прибора, популярного в электромеханической сфере любого производства. К ним относят:

• Именно экран одного из осциллографов был использован как дисплей первой видеоигры, визуализирующей игру в теннис. Игра Tennis For Two создавалась на работе аналоговых вычислительных машин. Управление основано на специальном игровом контроллере — Paddle.
• Радиолюбителями используется тракт записи звука, установленный на звуковой карте компьютера в качестве прибора ввода измерения низких частот.
• Часто встречается ошибочное написание прибора «осцелограф».
• Квалифицированные любители радиоэлектроники, не являющиеся чайниками в мире электроники, занялись самостоятельным изготовлением приборов для процесса осциллографирования в качестве приставки к ПК или телевизору. Сейчас эта потребность не так актуальна. Освоенные технологии массового производства подобных товаров имеют низкую себестоимость.

Основа любой действующей научной лаборатории — качественная измерительная аппаратура и источники сигналов, токов, напряжений. Сегодня важнейшим контрольно-измерительным прибором для научных и производственных исследований является осциллограф.