Проведение измерений с помощью осциллографа

Цифрoвoй oсциллoгрaф, кoнeчнo, нaмнoгo сoвeршeннee oбычнoгo элeктрoннoгo, пoзвoляeт зaпoминaть oсциллoгрaммы, мoжeт пoдключaться к пeрсoнaльнoму кoмпьютeру, имeeт мaтeмaтичeскую oбрaбoтку рeзультaтoв, экрaнныe мaркeры и мнoгoe другoe. Нo близ всex дoстoинствax сии прибoры нoвoгo пoкoлeния oблaдaют oдним сущeствeнным нeдoстaткoм, — этo высoкaя цeнa.

Имeннo oнa дeлaeт цифрoвoй oсциллoгрaф нeдoступным чтобы любитeльскиx цeлeй, xoтя сущeствуют «кaрмaнныe» oсциллoгрaфы стoимoстью всeгo в нeскoлькo тысяч рублeй, кoтoрыe прoдaются нa Aлиэкспрeсс, нo пoльзoвaться ими нe oсoбeннo удoбнo. Ужели, прoстo интeрeснaя игрушкa. Пoэтoму пoкa рeчь пoйдeт oб измeрeнияx с пoмoщью элeктрoннoгo oсциллoгрaфa.

Нa тeму выбoрa oсциллoгрaфa пользу кого испoльзoвaния в дoмaшнeй лaбoрaтoрии в интeрнeтe мoжнo нaйти дoстaтoчнoe кoличeствo фoрумoв. Нe oтрицaя дoстoинств цифрoвыx oсциллoгрaфoв, нa мнoгиx фoрумax сoвeтуют oстaнoвить выбoр нa прoстыx мaлoгaбaритныx и нaдeжныx oсциллoгрaфax oтeчeствeннoй рaзрaбoтки С1-73 и С1-101 и пoдoбныx, с кoтoрыми наша сестра рaнee пoзнaкoмились в этoй стaтьe.

Возле дoстaтoчнo дeмoкрaтичнoй цeнe сии прибoры пoзвoлят выпoлнить бoльшинствo рaдиoлюбитeльскиx зaдaч. A пoкa познакомимся с общими принципами измерений с через осциллографа.

Рисунок 1. Осциллограф С1-73

Который измеряет осциллограф

Измеряемый апель подается на доступ канала вертикального отклонения Y, какой-нибудь имеет большое входное реактанц, как правило, 1MΩ, и малую входную ловушка, не более 40pF, ась? позволяет вносить минимальные искажения в измеряемый звонок. Эти параметры неоднократно указываются рядом с входом канала вертикального отклонения.

Пастель 2. Осциллограф С1-101

Высокое входное воспротивление свойственно вольтметрам, того можно с уверенностью (вы)молвить, что осциллограф измеряет труд. Применение внешних входных делителей позволяет ослабить входную емкость и расширить входное сопротивление. Сие также снижает (воз)действие осциллографа на исследуемый примета.

Здесь следует воспомянуть, что существуют специальные высокочастотные осциллографы, входное противодействие которых всего 50 Ом. В радиолюбительской практике такие принадлежности не находят применения. Вот п далее речь пойдет об обычных универсальных осциллографах.

Предполье пропускания канала Y

Осциллограф измеряет напряжения в беда широких пределах: через напряжений постоянного тока, вплоть до напряжений достаточно высокой частоты. Мах напряжения может являться достаточно разнообразным, — с десятков милливольт прежде десятков вольт, а подле использовании внешних делителей вплоть накануне нескольких сотен уклонение.

При этом нужно иметь в виду, что же полоса пропускания канала вертикального отклонения Y д.б. безвыгодный менее, чем в 5 нечасто выше частоты сигнала, что будет измеряться. В таком случае есть усилитель вертикального отклонения поставлен в необходимость пропускать не далее пятой гармоники исследуемого сигнала. Особенно сие требуется при исследовании прямоугольных импульсов, которые содержат обилие гармоник, как показано получай рисунке 3. Исключительно в этом случае сверху экране получается снимок с минимальными искажениями.

Автолитография 3. Синтез прямоугольного сигнала с гармонических составляющих

Не принимая во внимание основной частоты держи рисунке 3 показаны третья и седьмая гармоники. С увеличением подворье гармоники возрастает ее колебание: частота третьей гармоники в три раза меньше основной, пятой гармоники в отлично раз, седьмой в семь и т.д. Должно амплитуда высших гармоник падает: нежели выше номер гармоники, тем пониже. Ant. выше ее амплитуда. Единственно если усилитель вертикального канала минус особого ослабления сможет проворонить высшие гармоники, вид импульса получится прямоугольным.

Бери рисунке 4 показана осциллограмма излучина при недостаточной полосе пропускания канала Y.

Эскиз 4.

Примерно так выглядит Большой Мендерес частотой 500 КГц получи и распишись экране осциллографа ОМШ-3М с полосой пропускания 0…25 КГц. (то) есть будто прямоугольные импульсы пропущены выше интегрирующую RC цепочку. Таковой осциллограф выпускался советской промышленностью на лабораторных работ бери уроках физики в школах. Аж напряжение питания сего прибора в целях безопасности было безграмотный 220, а всего 42В. Целиком и полностью очевидно, что осциллограф с такого порядка полосой пропускания позволит числительное позади существительного: часа два без искажений надсматривать сигнал с частотами маловыгодный более 5КГц.

У обычного универсального осциллографа кромка пропускания чаще лишь составляет 5 МГц. Даже если при такой полосе впору увидеть сигнал поперед 10 МГц и меньше, но полученное держи экране изображение позволяет рассудить кого лишь о наличии неужто отсутствии этого сигнала. О его форме чисто-либо сказать закругляйся затруднительно, но в некоторых ситуациях матрица не столь контия и важна: например пожирать генератор синусоиды, и баста просто убедиться, лупить эта синусоида либо — либо ее нет. (языко раз такая чс показана на рисунке 4.

Современные вычислительные системы и очерк связи работают сверху очень высоких частотах, в круглых цифрах сотен мегагерц. С целью увидеть столь высокочастотные сигналы страта пропускания осциллографа должна -побывать) не менее 500 МГц. Такая широкая полоска очень «расширяет» цену осциллографа.

В качестве примера допускается привести цифровой осциллограф U1610A представленный не рисунке 5. Его настроение пропускания 100МГц, быть этом цена составляет почитай (что) 200 000 рублей. Скажете нет?, не каждый может санкционировать себе купить таково дорогой прибор.

Контуры 5.

Пусть читатель никак не сочтет этот контур за рекламу, потому все координаты продавца приставки не- закрашены: на месте сего рисунка мог угодить любой подобный скриншот.

Ожидание исследуемых сигналов и их формат

Наиболее распространенным видом колебаний в природе и технике является синусоида. Сие та самая многострадальная назначение Y=sinX, которую проходили в школе держи уроках тригонометрии. Шабаш много электрических и механических процессов имеют синусоидальную форму, и так достаточно часто в электронной технике применяются и прочие формы сигналов. Отдельные люди из них показаны для рисунке 6.

Рисунок 6. Стать электрических колебаний

Периодические сигналы. Характеристики сигналов

Соединенный электронный осциллограф позволяет стоит точно исследовать периодические сигналы. Кабы же на портал Y подать реальный фонетический сигнал, например, музыкальную фонограмму, в таком случае на экране будут видны неупорядоченно мелькающие всплески. Знамо, что детально проверять такой сигнал зверс. В этом случае поможет приложение цифрового запоминающего осциллографа, кто позволяет сохранить осциллограмму.

Колебания, показанные сверху рисунке 6, являются периодическими, повторяются, чрез определенный период времени T. Подробнее сие можно рассмотреть возьми рисунке 7.

Рисунок 7. Периодические колебания

Колебания изображены в двухмерной системе координат: согласно оси ординат отсчитывается напряженка, а по оси абсцисс сезон. Напряжение измеряется в вольтах, сезон в секундах. Для электрических колебаний времена чаще измеряется в миллисекундах неужто микросекундах.

Кроме компонентов X и Y осциллограмма заключает еще компонент Z – сила, или попросту густота (рисунок 8). Собственно она включает лучей на время прямого побежка луча и гасит возьми время обратного побежка. Некоторые осциллографы имеют вступление для управления яркостью, некоторый так и называется доступ Z. Если на таковой вход подать импульсное надсада от образцового генератора, так на экране годится. Ant. нельзя увидеть частотные метки. Сие позволяет точнее отделять длительность сигнала за оси X.

Рисунок 8. Три компонента исследуемого сигнала

Современные осциллографы имеют, наподобие правило, калиброванные за времени развертки, позволяющие метко отсчитывать время. Благодаря) (этого пользоваться внешним генератором пользу кого создания меток по существу не приходится.

В верхней части рисунка 7 располагается синусоида. Нипочем видеть, что начинается возлюбленная в начале координатной системы. Вслед за время T (период) выполняется одно полное шатание. Далее все повторяется, пожалуйста следующий период. Такие сигналы называются периодическими.

Вверх синусоиды показаны прямоугольные сигналы: Большой Мендерес и прямоугольный импульс. Они тоже периодические с периодом T. Время импульса обозначена наравне τ (тау). В случае излучина длительность импульса τ равна длительности паузы посереди импульсами, как как-то раз половина периода T. Чего) меандр является частным случаем прямоугольного сигнала.

Пористость и коэффициент заполнения

В (видах характеристики прямоугольных импульсов используется параметр, называемый скважностью. Сие есть отношение периода следования импульсов T к длительности импульса τ. С целью меандра скважность равна две, — величина безразмерная: S= T/τ.

В англоязычной терминологии как бы раз все обратно. Там импульсы характеризуются коэффициентом заполнения, соотношением длительности импульса к периоду следования Duty cycle: D=τ/T. Кпд заполнения выражается в %%. Таким образом, во (избежание меандра D=50%. Из этого следует, что D=1/S, коэффициент заполнения и пористость величины взаимно обратные, добро бы характеризуют собой Водан и тот же параметр импульса. Осциллограмма излучина показана на рисунке 9.

Пастель 9. Осциллограмма излучина D=50%

Здесь вход осциллографа подключен к выходу функционального генератора, показанного шелковичное) дерево же в нижнем углу рисунка. И вишь тут внимательный рецензент может задать риторический вопрос: «Амплитуда выходного сигнала с генератора 1В, впечатлительность входа осциллографа 1В/дел., а получи экране прямоугольные импульсы с размахом 2В. С каких щей?»

Дело в фолиант, что функциональный альтернатор выдает двухполярные прямоугольные импульсы насчет уровня 0В, примерно этак же, как синусоида, с положительной и отрицательной амплитудой. В рассуждении сего на экране осциллографа наблюдаются импульсы с размахом ±1В. Для следующем рисунке изменим фактор заполнения Duty cycle, во, до 10%.

Рисунок 10. Ортогональный импульс D=10%

Нетрудно испытать, что период следования импульсов составляет 10 клеток, в в таком случае время, как затянутость импульса всего одна каморка. Поэтому D=1/10=0,1 возможно ли 10 %, что видать по настройкам генератора. (не то воспользоваться формулой в (видах подсчета скважности, так получится S = T / τ = 10 / 1 = 1 – доза безразмерная. Вот на этом месте можно сделать клемма, что Duty cycle ощутимо наглядней характеризует толчок, чем скважность.

По сути дела сам сигнал остался такого типа же, как получи и распишись рисунке 9: ортогональный импульс амплитудой 1В и частотой 100Гц. Изменяется в какие-нибудь полгода коэффициент заполнения иначе говоря скважность, уж сие как кому привычней и удобней. Однако для удобства наблюдения сверху рисунке 10 затянутость развертки снижена в двушник раза по сравнению с рисунком 9 и составляет 1мс/дел. Следовательно период сигнала занимает получи и распишись экране 10 клеток, зачем позволяет достаточно за спасибо убедиться, что Duty cycle составляет 10%. Подле пользовании реальным осциллографом срок. Ant. краткость развертки выбирается почти также.

Измерение напряжения прямоугольного импульса

(то) есть было сказано в начале статьи, осциллограф измеряет вольтаж, т.е. разность потенциалов посередь двумя точками. Большей частью измерения проводятся касательно общего провода, владенья (ноль вольт), несмотря на то это необязательно. В принципе должно измерение от минимального задолго. Ant. с максимального значения сигнала (пиковое значимость, размах). В любом случае поступки по измерению порядочно просты.

Прямоугольные импульсы чаще итого бывают однополярными, как будто характерно для числовой техники. Как зафиксировать напряжение прямоугольного импульса, показано получай рисунке 11.

Рисунок 11. Установление амплитуды прямоугольного импульса

Разве что чувствительность канала вертикального отклонения выбрана 1В/дел, в таком случае получается, что для рисунке показан стимул с напряжением 5,5В. Быть чувствительности 0,1В/дел. Попытка будет всего 0,5В, пускай бы на экране и тот и другой импульса выглядят целиком одинаково.

Что к тому же можно увидеть в прямоугольном импульсе

Прямоугольные импульсы, показанные держи рисунках 9, 10 демократично идеальные, поскольку синтезированы программой Electronics WorkBench. Правда и частота импульсов долее) (того 100Гц, того проблем с «прямоугольностью» изображения загореться не может. В реальном устройстве быть высокой частоте следования импульсы одну крош искажаются, прежде лишь, появляются различные выбросы и всплески, обусловленные индуктивностью монтажа, не хуже кого показано на рисунке 12.

Арабески 12. Реальный ортогональный импульс

Если безграмотный обращать внимания нате подобные «мелочи», ведь прямоугольный импульс выглядит этак, как показано держи рисунке 13.

Рисунок 13. Величина прямоугольного импульса

Сверху рисунке показано, что такое? передний и задний фронты импульса возникают никак не сразу, а имеют какое-так время нарастания и спада, (хоть) немного наклонены относительно вертикальной очертания. Этот наклон обусловлен частотными свойствами микросхем и транзисторов: нежели более высокочастотный филдистор, тем менее «завалены» фронты импульсов. Потому-то длительность импульса определяется вдоль уровню 50% ото полного размаха.

Точно по этой же причине размах импульса определяется по части уровню 10…90%. Протяженность импульса, так а, как и напряжение, определяется умножением числа делений горизонтальной шкалы бери значение деления, равно как показано на рисунке 14.

Арабеска 14.

На рисунке показан Вотан период прямоугольного импульса, самую малость отличного от излучина: длительность положительного импульса составляет 3,5 деления горизонтальной шкалы, а протяженность паузы 3,8 деления. Час следования импульса составляет 7,3 деления. Такая король может принадлежать нескольким разным импульсам с различной частотой. До сего времени будет зависеть с длительности развертки.

Скажем, что длительность развертки 1мс/дел. Потом период следования импульса 7,3*1=7,3мс, будто соответствует частоте F=1/T=1/7.3= 0,1428КГц неужто 143ГЦ. Делать что длительность развертки кончайте 1мкс/дел, ведь частота получится в тысячу раз как-то выше, а именно 143КГЦ.

Пользуясь данными рисунка 14 легко подсчитать скважность импульса: S=T/τ=7,3/3,5=2,0857, из этого следует почти, как у излучина. Коэффициент заполнения Duty cycle D=τ/T=3,5/7,3=0,479 другими словами 47.9%. При этом подобает обратить внимание, что-то эти параметры ни в коем случае никак не зависят от частоты: пористость и коэффициент заполнения были подсчитаны легко по делениям для осциллограмме.

С прямоугольными импульсами и старый и малый вроде бы вестимо и просто. Но я совсем забыли о синусоиде. В сущности, со временем то — же самое: позволено измерить напряжения и временные габариты. Один период синусоиды показан нате рисунке 15.

Рисунок 15. Формат синусоиды

Очевидно, как для показанной бери рисунке синусоиды идио канала вертикального отклонения составляет 0,5В/дел. Другие параметры нетрудно разведать умножив число делений получай 0,5В/дел.

Синусоида может бытийствовать и другой, которую придется определять при чувствительности, так, 5В/дел. Тогда заместо 1В получится 10В. Однако, в экране изображение обоих синусоид выглядит нацело одинаково.

Временные мера показанной синусоиды неизвестны. Коль скоро предположить, что время развертки 5мс/дел., навигация составит 20мс, фигли соответствует частоте 50ГЦ. Цифры в градусах для оси времени показывают фазу синусоиды, и так для одиночной синусоиды сие не особо сверхценно. Чаще приходится предопределять сдвиг по фазе (прямо в миллисекундах или микросекундах) не без того бы между двумя сигналами. Паче всего это готовить с помощью двухлучевого осциллографа. Ровно это делается, короче показано чуть внизу.

Как осциллографом обойти ток

В некоторых случаях приходится измерение величины и фигура тока. Например, изменяемый ток, протекающий вследствие конденсатор, опережает старание на ¼ периода. Раз такие пироги в разрыв цепи включают варистор с небольшим сопротивлением (десятые доли Ома). Держи работу схемы такое борьба не влияет. Потеря невинности напряжения на этом резисторе покажет форму и величину тока, протекающего сквозь конденсатор.

Примерно неизвестно зачем же устроен верный себе стрелочный амперметр, некоторый включатся в разрыв электрической рабство. При этом диагностирующий резистор находится в утробе самого амперметра.

Деталь для измерения тока черезо конденсатор показана бери рисунке 16.

Рисунок 16. Обмер тока через вариконд

Синусоидальное напряжение частотой 50 Гц амплитудой 220 В с генератора XFG1 (живописный луч на экране осциллографа) подается получи последовательную цепь изо конденсатора C1 и измерительного резистора R1. Потеря целомудрия напряжения на этом резисторе покажет форму, фазу и величину тока вследствие конденсатор (синий лазер). Как это брось выглядеть на экране осциллографа, показано сверху рисунке 17.

Рисунок 17. Поток через конденсатор опережает острота на ¼ периода

Возле частоте синусоиды 50 Гц и развертке 5 ms/Div Водан период синусоиды занимает 4 деления точно по оси X, что очень комфортабельно для наблюдения. Немудрено видеть, что багрово-синий луч опережает алый ровно на 1 разбивка по оси X, что такое? соответствует ¼ периода. Другими словами стрежень через конденсатор опережает за фазе напряжение, как полностью соответствует теории.

Для того чтоб рассчитать ток помощью конденсатор достаточно использовать в своих интересах законом Ома: I = U/R. Рядом сопротивлении измерительного резистора 0,1Ом разложение напряжения на нем 7мВ. Сие амплитудное значение. Раз уж на то пошло максимальный ток насквозь конденсатор составит 7/0,1=70мА.

Промер формы тока насквозь конденсатор не является который-то очень актуальной задачей, после этого все ясно и лишенный чего измерений. Вместо конденсатора может (пре)бывать любая нагрузка: катушечка индуктивности, обмотка электродвигателя, транзисторный радиоусилительный каскад и многое другое. Изрядно, что именно таким методом (бог) велел исследовать ток, каковой в некоторых случаях много отличается по форме через напряжения.

Борис Аладышкин

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте силок умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-учреждение от GeekBrains:

Физфак Интернет вещей

Ваша сестра сможете:

• Изучить C, аппаратура отладки и программирования микроконтроллеров;

• Получить квалификация работы с реальными проектами, в команде и на свой страх и риск;

• Получить удостоверение и обязательство, подтверждающие полученные умственный багаж.

Starter box для первых экспериментов в бакшиш!

После прохождения курса в вашем портфолио полноте: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная трубопровод устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-управляющее устройство), устройство контроля влажности воздуха, политическое устройство умного полива растений, (у)строение контроля протечки воды…

Ваша сестра получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный свидетельство, которые можно примолвить в портфолио и показать работодателю.

Подробнее на этом месте:
Интернет вещей и современные встраиваемые системы

Матрица