Осциллограф

Осциллограф — это прибор, который показывает изменение напряжение во времени на каком-либо участке электрической цепи.Ось X на экране осциллографа — это время, ось Y — напряжение.

В этой статье мы рассмотрим три типа осциллографов, а также принципы их работы.

Аналоговый осциллограф

Его еще также называют электронно-лучевой осциллограф , так как он состоит из электронно-лучевой трубки. По сути электронно-лучевая трубка представляет из себя маленький кинескоп, на котором мы можем наблюдать какое-либо изменение электрического сигнала .

Любой осциллограф имеет экран. Он может быть встроенный, либо это может быть монитор вашего настольного компьютера или дисплей ноутбука. В нашем случае на фото мы видим, что наш осциллограф имеет круглый экранчик. Сигнал, который вырисовывается на таком экране называется осциллограммой .

Для измерения электрических сигналов нам потребуются специальный щуп для осциллографа. Такой щуп представляет из себя кабель из двух проводов, один из которых является сигнальным, а другой нулевым. Нулевой провод также часто называют «землей».

Более современные щупы уже выглядят вот так.

А вот и сам разъем щупа

Этот конец щупа соединяется с осциллографом и фиксируется небольшим поворотом по часовой стрелке.

Что делать, если вы не помните, какой провод из щупа является сигнальным, а какой нулевым? Это определяется очень просто. Так как человек находится всегда в электромагнитном поле, он является своего рода принимающей антенной и может наводить помехи. Касаясь сигнального щупа осциллографа, на экране мы увидим, что сигнал очень сильно исказился.

Теперь необходимо выбрать масштаб измерений. Если мы хотим, чтобы одна сторона квадратика была равна 1 Вольту, то ставим коэффициент масштабирования 1:1. В данном случае я выставляю переключатель вертикальный развертки на единичку.

Далее сигнальный провод осциллографа цепляем на «плюс» питания, а нулевой  — на «минус» питания. Далее наблюдаем вот такую картину.

Как вы могли заметить, осциллограммой постоянного тока является прямая линия, параллельная горизонтальной оси (оси Х). По вертикальной оси (оси Y) мы видим, что сигнал поднялся ровно на одну клеточку.  Мы выставили коэффициент масштабирования по Y, что 1 клеточка — это 1 Вольт. Следовательно в нашем случае сигнал поднялся ровно на 1 клеточку, что говорит нам о том, что это и есть осциллограмма постоянного тока в 1 Вольт.

Я также могу изменить коэффициент. Например, ставлю на 2. Это означает, что 1 квадратик будет уже равен 2 Вольтам.

Смотрим, что произойдет с сигналом с напряжением в 1 Вольт

Здесь мы видим, что его значение просело в 2 раза, так как мы взяли коэффициент 1:2, что означает 1 квадратик равен 2 Вольтам. Благодаря масштабированию вертикальный развертки, мы можем измерять сигналы напряжением хоть в 1000 вольт!

Что случится, если мы соединим сигнальный провод осциллографа с «минусом» питания, а нулевой с «плюсом» питания? В этом случае осциллограмма «пробьет пол» и просто покажет минусовые значения. Ничего страшного в этом нет. Здесь мы видим значение  «-2» Вольта.

Как измерить переменное напряжение аналоговым осциллографом

Для измерения переменного напряжения нам потребуется переключить осциллограф в режим измерения AC — «переменный ток». Если вы хотите просто наблюдать форму сигнала, то вам необязательно знать, какой провод осциллографа куда тыкать. Давайте измеряем переменное напряжение с понижающего трансформатора , который включен в сеть 220 Вольт .

Снимаем напряжение со вторичной обмотки трансформатора и видим вот такую осциллограмму.

По идее здесь должен быть чистый синус. То ли трансформатор вносит искажения в сигнал, то ли на электростанции что-то не так.  Непонятно. Ну да ладно, главное то, что мы сняли осциллограмму переменного напряжения со вторичной обмотки трансформатора.

В этом случае мы можем без проблем определить период сигнала и его частоту. В этом нам поможет переключатель горизонтальной развертки по оси времени.

Мы видим, что его значение стоит на 5. Это означает, что один квадратик по оси «Х» , то есть по оси времени, будет равен 5 миллисекунд или 0,005 секунд.

Период — это время, через которое сигнал повторяется. Обозначается буквой Т. В нашем случае период равен 4 квадратикам.

Так как один квадратик в нашем случае равен 0,005 секунд, то получается, что T=0,005 x 4 = 0,02 секунды. Отсюда можно узнать частоту сигнала.

где

V — это частота, Гц

T — период сигнала, с

Для данного случая

V=1/T=1/0,02=50 Гц.  Трансформатор меняет только амплитуду сигнала, но не изменяет его частоту. Поэтому, частота в нашей сети 50 Герц, что и подтвердил осциллограф.

Цифровой осциллограф

Цифровой осциллограф — это осциллограф, построенный на основе цифровой схемотехники. Его главное отличие от аналогового в том, что внутри него идет цифровая обработка сигналов. Цифровой осциллограф может записывать, останавливать, автоматически подгонять и измерять исследуемый сигнал. И это только часть функций!

Как подготовить цифровой осциллограф к работе

Включаем осциллограф и цепляем щуп на любой из каналов. Я соединил щуп с первым каналом (CH1)

На щупе есть делитель. Ставим его ползунок на 10Х.  В осциллографе по умолчанию также должен стоять делитель на 10Х. Если это не так, ищем в его настройках и ставим в характеристиках канала «10Х».

Каждый нормальный цифровой осциллограф имеет встроенный генератор прямоугольных импульсов с частотой 1000 Герц (1кГц) и амплитудой напряжения в 5 Вольт. Чаще всего этот генератор находится в нижнем правом углу. В нашем случае он называется Probe Comp. Цепляемся за него щупом.

В этом осциллографе есть волшебная кнопка, от которой я без ума. Это кнопка автоматического позиционирования сигнала Autoscale. Нажал на эту кнопку

Согласился с условиями автоматического позиционирования сигнала

и готово!

Но что такое? У нас должен быть ровный прямоугольный периодический сигнал! Вся проблема в том, что щуп осциллографа вносит искажения в сам сигнал, поэтому, его  желательно корректировать каждый раз перед работой .

В современных щупах есть маленький винтик, заточенный под тонкую отвертку. С помощью этого винтика мы будем корректировать щуп.

Крутим и смотрим, что у нас получается на дисплее.

На дисплее у нас ровные прямоугольные сигналы, следовательно н а этом этапе цифровой осциллограф полностью готов к работе.

Как измерить постоянное напряжение цифровым осциллографом

Итак, первым делом выбираем, какое напряжение собираемся измерять. Это делается с помощью кнопочки Coupling (нажимаем клавишу Н1). DC — direct current, что с английского означает «постоянный ток».

Справа экрана сплывают окошки, и мы выбираем DC (нажимаем клавишу F1)

Все, после этого наш осциллограф полностью готов к измерению постоянного тока.

Откуда будем брать постоянный ток? У меня для этого есть блок питания. Выставим на нем для примера 5 Вольт.

Соединяем щупы блока питания и осциллографа. Сигнальный щуп осциллографа желательно соединять с красным плюсовым крокодилом щупа блока питания, а черный щуп (земля) соединить с минусовым черным крокодилом.

Смотрим на дисплей осциллографа

Что мы тут видим? А видим мы тут осциллограмму постоянного напряжения .  Постоянное напряжение — это такое напряжение, которое не изменяется во времени.

На что стоит обратить внимание? Разумеется, на цену деления. Один квадратик по вертикали у нас равен 2 Вольта. Если считать от центра пересечения жирных штриховых линий, то осциллограмма находится на высоте 2,5 стороны квадратика. Значит, напряжение будет 2,5х2=5 Вольт. Так как мне лень считать, я вывожу эти показания осциллографа прямо на экране (нижняя левая зеленая рамка).

Как измерить переменное напряжение цифровым осциллографом

Для опытов я возьму ЛАТР (Лабораторный автотрансформатор) . Как вы помните, ЛАТР понижает или повышает переменное сетевое напряжение.

Выставляем напряжение на ЛАТРе 100 Вольт.

На осциллографе переключаем на АС, что означает alternating current  — переменный ток.

Цепляемся к выходным разъемам ЛАТРа и наблюдаем такую картину.

С помощью кнопки «Measure» я вывел некоторые интересующие нас параметры:

Vk — среднеквадратичное значение напряжения . В данном случае он  нам показывает напряжение, которое мы подавали с ЛАТРа — это 100 Вольт.

F — частота. В данном случае это частота сети 50 Герц. ЛАТР не меняет частоту сети.

T — период. T=1/F. Как мы с вами видим частота напряжения в сети 50 Герц. Период равен 20 миллисекунд. Если единицу разделить на 20 миллисекунд, то мы как раз получим частоту сигнала.

Как вывести все параметры сигнала

Мы будем рассматривать все наши измеряемые параметры на конкретном примере. Для этого будем использовать генератор частоты с заранее выставленной частотой в 1 Мегагерц (ну или 1000 КГц) с прямоугольной формой сигнала

где же правильный прямоугольный сигнал? Вот тебе и раз… Ничего с этим не поделаешь. Это есть, было и будет у всех прямоугольных сигналов. Это возникает вследствие несовершенства цепей и радиоэлементов. Особенно хорошо такая осциллограмма прорисовывается на высоких частотах, как в нашем примере.

Ладно, давайте выведем все параметры сигнала, которые может вывести наш осциллограф. Для этого нажимаем кнопочку «Measure» , что с англ. означает «измерять»

Далее нажимаем кнопочку «Add» ( с англ. — добавлять), с помощью вспомогательной клавиши H1

И потом нажимаем кнопку «Show All» (с англ . — показать всё) с помощью вспомогательной клавиши F3

В результате всех этих операций у нас выскочит табличка с измеряемыми параметрами сигнала:

Описание характеристик сигналов

Как вы знаете, осциллограф нам показывает изменение напряжения сигнала во времени. Поэтому, параметры сигналов в основном делятся на два типа:

— Амплитудные

— Временные

Давайте рассмотрим основные из них. Начнем слева-направо.

Period — с англ. период. Период сигнала — это время, за которое сигнал повторяется. В нашем случае период обозначается буквой «Т».

Чтобы самостоятельно посчитать период, нам надо знать значение одной клетки по горизонтали. Внизу осциллограммы можно найти подсказку. 

Следовательно, одна клеточка по горизонтали равна 500 наносекунд. А так как у нас период длится ровно две клеточки, значит 500 х 2 = 1000 наносекунда или 1 микросекунда.

«Пико» — буквой «p»

«Нано» — буквой «n»

«Микро» обозначается буквой «u» , как и в маркировке современных конденсаторов.

«Милли»  — буквой «m» .

Freq. Полное название frequency — с англ. частота. Обозначается буквой «F». Частоту очень легко можно вычислить по формуле, зная период Т.

F=1/T

В нашем случае получаем 1/1х10 ^-6 =10 ⁶ =1 Мегагерц (MHz).  Смотрим на наши автоматические измерения

Следующий показатель Mean. В нашем случае обозначается просто буковкой «V». Он означает среднюю величину сигнала и используется для измерения постоянного напряжения. В данный момент этот параметр не представляет интереса, потому как измеряется переменный ток и в значении этого сигнала показывается какая-то вата. Постоянный ток меряет нормально, можно вывести этот параметр на дисплей, что мы и делали в прошлой статье:

Еще один интересный параметр: PK-PK . Называется он Peak-to-Peak и показывает напряжение от пика до пика. Обозначается как Vp . Что это за напряжение от пика до пика

Так как мы видим, что значение нашего квадратика  равно 1 Вольту 

То можно высчитать и напряжение от пика до пика. Оно будет где-то эдак 5 Вольт. Сверяемся с автоматическим измерением

Остальные параметры сигнала не столь важны для начинающих электронщиков.

Плюсы и минусы цифрового осциллографа

Начнем с плюсов

• Запись, остановка, автоматические измерения и другие фишки — это еще не весь список, что умеет делать цифровой осциллограф
• Габариты цифрового осциллографа намного меньше, чем аналогового
• Потребление энергии меньше, чем у аналогового осциллографа
• Жидкокристаллический дисплей, в отличие от кинескопного дисплея аналогового осциллографа

Минусы

• Дороговизна
• Дискретная прорисовка сигнала. Хотя дорогие модели ничуть не уступают аналоговым по прорисовке сигнала.

Где купить цифровой осциллограф

Естественно, на Алиэкспрессе, так как в наших интернет-магазинах их цена бывает завышена в два, а то и в три раза. Также очень хорошие отзывы об осциллографе Hantek, характеристики которого даже лучше, чем у моего OWON:

USB осциллограф

USB-осциллограф представляет из себя прибор, который не имеет собственного экрана.

У нас на обзоре USB осциллограф INTRUSTAR.

В придачу с ним шли 2 щупа, шнур USB, расходники, диск с ПО, а также отвертка для регулировки щупов

С одной стороны осциллографа мы видим два разъема для подключения щупов. Первый разъем CH1, что означает первый канал, а второй разъем CH2, то есть второй канал. Следовательно, осциллограф двухканальный .  Справа видим два штыря. Эти штыри — генератор тестового сигнала для калибровки щупов осциллографа. Один из них земля, а другой — сигнальный. Калибруем точно также, как и простой цифровой осциллограф. Как это делать, я писал выше в статье.

В рабочем состоянии USB осциллограф выглядит вот так.

После установки программного обеспечения на компьютер или ноутбук, открываем программу и запускаем осциллограф. Здесь я уже сразу подцепил тестовый сигнал, чтобы подготовить осциллограф к работе.

Также можно вывести значение сигналов, которые осциллограф сразу бы показывал на экране монитора.

Плюсы и минусы USB осциллографа

Плюсы:

1. Умеренная цена и функционал. Стоит в разы дешевле, чем крутые цифровые осциллографы
2. Настройка и установка ПО занимает около 10-15 минут
3. Удобный интерфейс
4. Малогабаритный размер
5. Может производить операции как с постоянным, так и с переменным током
6. Два канала, то есть можно измерять сразу два сигнала и выводить их на дисплей

Минусы:

1. Малая частота дискретизации
2. Обязательно нужен ПК
3. Малая полоса пропускания
4. Глубина памяти тоже никакая

Похожие статьи по теме «осциллограф»

Фигуры Лиссажу

Электрический сигнал