Измерить простые электрические величины, такие как ток, сопротивление, напряжение можно используя мультиметр. Но исследовать форму сигнала или поведение его во времени им не удастся. Поэтому для измерений, проверки и точной настройки приборов нужен осциллограф. Это универсальное устройство ранее применялось только в лабораториях и сервисных центрах, но сегодня стало вполне доступным для использования и радиолюбителями.
Виды и характеристики
Различные исследования в области электричества требовали прибора, позволяющего выполнять ряд измерений поведения того или иного параметра в течение промежутка времени. Родоначальником такого устройства стал Андре Блондель, родившийся в 1863 году во Франции. Изучая электротехнику, он основал в городе Леваллупе лабораторию. В ней, основываясь на теории Альфреда Корню, учёный придумал и сконструировал магнитоэлектрический прибор с бифилярным подвесом. Произошло это в 1893 году.
Это устройство позволяло регистрировать интенсивность переменных токов путём записи колебаний маятника с чернилами, соединённого с катушкой индуктивности. Измеритель отличался низкой точностью из-за механических частей. А полоса пропускания его лежала в диапазоне 10−19 кГц.
Дальнейшая эволюция прибора привела к появлению в 1897 году осциллографа с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Его конструктором стал физик из Германии Карл Браун. Но первый промышленный экземпляр был выпущен только в 1932 году британской компанией A. C. Cossor Ltd. В ноябре американская фирма Allen B. DuMont Laboratories представила осциллограф, состоящий из двух частей: ЭЛТ и кожуха. В последнем размещались блоки фокусировки луча, источник питания и узел развёртки. Но технология производства экрана позволяла его использовать не более одной тысячи часов.
Вторая мировая война остановила развитие прибора, но по её окончании инженеры Воллюм и Мердок, основатели компании Tektronix, внедряют в устройство прибора ждущую развёртку, то есть ту, которая запускается только во время возникновения электромагнитного сигнала. Этот прибор работал с полосой пропускания 10 МГц.
Развитие полупроводниковой техники привело к разработке цифрового устройства фирмой LeCroy в 1980 году. После чего цифровые аппараты стали массово производиться в Европе, не только профессионального уровня, но и радиолюбительского. На рынках появились всевозможные устройства, отличающиеся классом точности и функциональностью.
На начало 2000 годов цифровая техника почти полностью вытеснила аналоговые приборы, этому поспособствовало развитие персональных компьютеров и возможность сопряжения с ними измерителя. Но при этом, какой бы способ обработки сигналов ни использовался, принцип работы различных осциллографов остаётся одинаковым.
Аналоговое устройство
Сегодня всё реже можно встретить аналоговые осциллографы в исследовательских лабораториях или сервисных центрах. Но у радиолюбителей всё ещё достаточно морально устаревших, но ещё вполне работоспособных таких приборов. Любое аналоговое устройство состоит из одного или нескольких вертикальных каналов, горизонтального канала, схемы запуска и электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).
ЭЛТ является основной частью устройства. На ней отображается форма исследуемого сигнала. Выполняется она из вакуумной колбы, в которую впаиваются электроды различного назначения. Первая группа формирует электронную пушку, образующую луч. На неё подаётся исследуемый сигнал. А вторая — состоит из контактов вертикально и горизонтально отклоняющих пластин и к ней подводится напряжение генератора развёртки.
Таким образом, устройство состоит из следующих частей:
- аттенюатора — входной делитель напряжения;
- предварительный усилитель;
- блок задержки;
- схема синхронизации и запуска развёртки;
- генератор;
- оконечный усилитель.
Измеряемый сигнал поступает на вертикальные пластины, а далее на аттенюатор, который позволяет настраивать чувствительность прибора. Выполняется регулирующее устройство в виде поворотной ручки. Шкала переключения указывается в вольтах на одно деление. При измерениях мощного сигнала используются делители. Это специальные устройства, работающие по принципу аттенюаторов, но при этом они уменьшают сигнал до безопасного уровня для входных цепей осциллографа.
Сигнал с делителя или аттенюатора разветвляется на предварительном усилителе и попадает в блок задержки и синхронизации. Последний узел создаёт условия для запуска генератора при появлении электромагнитных колебаний. Пилообразный сигнал с генератора поступает в горизонтальный канал X, где усиливается и подаётся на экран.
Вторая же часть сигнала через линию задержки поступает в канал Y, а затем на ЭЛТ. В результате на экране в системе координат XY выводится положение импульса. Нижний частотный предел находится в районе 10 Гц, а верхний зависит от ёмкости пластин и качества усилителей.
Поэтому если на пластины подаётся измеряемое напряжение, то луч начинает отклоняться по вертикали и горизонтали. Эти перемещения происходят синхронизировано, и в результате сигнал «разворачивается» во времени. Получившееся изображение на экране называют осциллограммой.
Цифровой прибор
Цифровое устройство сочетает в себе аналоговый осциллограф и мини-компьютер. Используя его можно не только визуально увидеть форму, но и выполнить ряд операций, таких как сложение и вычитание сигналов, преобразование Фурье, определение спектра. В состав прибора входит:
масштабирующий узел;- аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
- оперативная память (ОЗУ);
- микроконтроллер;
- запоминающие ячейки;
- экран;
- элементы управления (кнопки, ручки).
Сигнал поступает на вход масштабирующего узла, где снижается до безопасной величины для внутренних схем прибора. Далее он подаётся через усилитель на АЦП. В нём происходит преобразование аналоговой формы в ряд дискретной последовательности логического кода. Для этого используется микроконтроллер, работающий на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Код записывается в ОЗУ, из которого после выполнения определённого условия передаётся в запоминающие ячейки. Каждому блоку соответствует пиксель, который засвечивается. Координата Х определяется номером ячейки, а координата Y кодом, записанным в неё. В запоминающей ячейке может содержаться несколько символов кода, которые и формируют линию из непрерывно горящих пикселей.
Цифровые осциллографы разделяются на несколько подтипов и могут быть:
Виртуальными — имеющими различные порты ввода и вывода. Они предназначены для работы с внешним программным обеспечением, устанавливаемым на ПК.- Стробоскопическими — использующими последовательную выборку мгновенных значений и временное их преобразование с помощью непродолжительных импульсов (стробов).
- Фосфорными — отображающими сигнал во временной и амплитудной плоскости, а также его интенсивность. Такие приборы характеризуются высокой плотностью выборки и точностью.
Использование ЖК экрана повышает удобство в работе с осциллографом. На нём становится возможным визуально отображать любые данные, а использование памяти в устройстве позволяет сравнивать любые изменения формы сигнала во времени.
Параметры приспособления
Осциллограф, как и любой электрический прибор, имеет ряд технических параметров. Именно они определяют его функциональность и степень использования. К его работе предъявляются требования по классу точности, стабильности работы, шумовым характеристикам.
Важнейшими параметрами прибора являются:
Полоса пропускания частоты. Характеризует точность измерений. Чем она больше, тем более детально можно изучить форму сигнала. При этом значение этого параметра должно превышать частоту исследуемого сигнала в несколько раз.- Дискретизация. Определяет разрешающую способность прибора.
- Число каналов. Их значение определяет число одновременно независимых измерений, которые можно выполнить на устройстве. Это даёт возможность выводить на экран сразу несколько графиков и сравнивать их между собой. Радиолюбительский класс имеет 2−4 канала, а профессиональный до 16.
- Размер памяти. Её величина влияет на скорость отклика устройства.
- Тип питания. Существуют приборы, работающие от сети переменного напряжения 220 вольт или аккумуляторных батарей.
- Время нарастания входного сигнала. Чем меньше, тем лучше. Это значит, что чем меньше «отгрызается» начало первого сигнала на экране при внутренней синхронизации, то тем лучше частотные свойства осциллографа.
- Характеристики экрана. Сюда относится: детализация, инертность, частота развёртки. Причём чем выше разрешение, тем больше степень детализации.
- Режим сегментированной памяти. Некоторые цифровые приборы имеют режим сегментированной памяти. То есть у них есть возможность выборочно фиксировать сигналы с нужной (высокой) частотой дискретизации.
- Наличие эквивалентного режима. Применяется для исследования периодического сигнала. Позволяет поднять частоту дискретизации в несколько раз.
Применение осциллографа
Осциллограф предназначен для изучения различных взаимосвязей между несколькими величинами. Отображаемая на экране осциллограмма показывает как изменяется форма напряжения во времени. Так, по ней можно легко определить полярность, амплитуду, длительность, скважность и частоту сигнала.
В грубом приближении осциллограф работает как графический вольтметр. Он измеряет сигнал и выводит его форму на дисплей. Устройством можно измерить даже напряжение высокой частоты. Его основное назначение заключается использование поиска неисправностей в сложных радиоэлектронных схемах или исследовательских измерениях. Например, с помощью него возможно:
- определять временные параметры;
- изучать фазовый сдвиг;
- фиксировать частоту сигнала;
- наблюдать переменную и постоянную составляющую напряжения;
- отмечать присутствие гармоник и их параметров;
- выяснять процессы, происходящие во времени.
Таким образом, осциллограф нужен для того, чтобы можно было наглядно наблюдать колебания электротехнического сигнала, а также видеть помехи и искажения, тем самым определяя неисправный элемент в различных узлах по форме входного и выходного импульса. Кроме этого, осциллограф широко применяется при диагностике электродвигателей. Изучая генерации, возникающие при работе мотора, можно вычислить неисправность катализатора, выявить увеличенный подсос воздуха, отследить сигналы с различных датчиков.
Работа с измерителем
Перед тем как воспользоваться осциллографом, выполняется калибровка. Для этого измерительные щупы подключаются к входу усилителя (отклонение луча в вертикальной плоскости) и общему выводу, обозначаемому как земля. В случае если используется ЭЛТ, после включения необходимо подождать некоторое время для прогрева экрана. Затем понадобится пройти следующие этапы:
Регулятор установки времени выставляется на деление, соответствующее 1 мс/дел.- Ручка «Вольт/деление» переключается в положение 0,5 В/дел.
- Контроль синхроимпульсов переводится в режим «авто». Если такое положение не предусмотрено, то выбирается внутренняя синхронизация и устанавливается тип сигнала — переменный.
- Вращая регуляторы положения луча (вверх/вниз и вправо/влево), устанавливают режим «Авто» или просто добиваются появления луча на экране.
- Переключатель вида сигнала переводится в позицию GND (земля).
- Общий щуп соединяется со специальным контактом заземления корпуса устройства. Если в осциллографе такого контакта нет, то зажим щупа одевается на любую неизолированную металлическую часть корпуса.
- Переключатель «Тип сигнала» переводится в нейтральное положение для подключения вывода к земле. Если же такого переключателя нет, то щупы замыкаются друг с другом.
- Ручками вертикальной и горизонтальной настройки добиваются установки луча на середину экрана.
Если устройство имеет переключатель «Тип сигнала», то он устанавливается в положение замера постоянной формы или щуп просто отсоединяется от гнезда заземления.- Переключением масштаба «Вольт/деление» добиваются разворачивания сигнала на весь экран, что повышает точность наблюдений.
- С помощью измерительных проводов приступают к нужным исследованиям, подстраивая в случае необходимости масштаб «Вольт/деление».
Таким образом, использование осциллографа, позволяет осуществлять операции по настройке и ремонту сложных приборов, которые с помощью тестера выполнить невозможно. Работа на современном устройстве не намного сложнее измерений, проводимых мультиметром.
