Mengambil Pengukuran Oscilloscope

Osiloskop digital tentu saja jauh lebih sempurna daripada satu konvensional elektronik, membolehkan anda mengingati bentuk gelombang, boleh menyambung ke komputer peribadi, mempunyai pemprosesan hasil matematik, penanda skrin dan banyak lagi. Tetapi dengan semua kelebihan, peranti generasi baru ini mempunyai satu kelemahan penting - ini adalah harga yang tinggi.

Dia yang membuat osiloskop digital tidak boleh diakses untuk tujuan amatur, walaupun terdapat "saku" oscilloscopes bernilai hanya beberapa ribu rubel, yang dijual di Aliexpress, tetapi ia tidak begitu mudah untuk digunakan. Nah, hanya mainan yang menarik. Oleh itu, sementara kita akan membincangkan pengukuran menggunakan osiloskop elektronik.

Mengenai topik memilih oscilloscope untuk digunakan di makmal rumah di Internet, anda boleh menemui sejumlah forum yang mencukupi. Tanpa menafikan kelebihan oscilloscopy digital, ia dinasihatkan dalam banyak forum untuk memilih osiloskop domestik yang sederhana, kecil dan boleh dipercayai oscilloscopes C1-73 dan C1-101 dan sejenisnya, yang telah kita temui sebelum ini artikel ini.

Pada harga yang agak berpatutan, peranti ini akan membolehkan anda melakukan kebanyakan tugas radio amatur. Sementara itu, mari kita mengenali prinsip-prinsip am pengukuran dengan menggunakan osiloskop.

Rajah 1. Oscilloscope S1-73

Apa langkah osiloskop

Isyarat yang diukur disalurkan kepada input saluran pesongan menegak Y, yang mempunyai rintangan masukan yang besar, biasanya 1MΩ, dan kapasitans input kecil, tidak lebih daripada 40pF, yang membolehkan memperkenalkan penyelewengan minimum ke isyarat yang diukur. Parameter ini sering ditunjukkan di sebelah masukan saluran pesongan menegak.

Rajah 2. Oscilloscope C1-101

Impedans masukan yang tinggi adalah jenis voltmeters, jadi selamat untuk mengatakan bahawa oscilloscope mengukur voltan. Penggunaan pemisah input luaran membolehkan anda mengurangkan kapasitansian input dan meningkatkan impedans input. Ia juga mengurangkan pengaruh oscilloscope pada isyarat yang disiasat.

Perlu diingat bahawa terdapat oscilloscopes frekuensi tinggi khas, impedans input yang hanya 50 Ohms. Dalam amalan radio amatur, peranti sedemikian tidak mencari aplikasi. Oleh itu, kita akan terus fokus osiloskop sejagat konvensional.

Lebar jalur Channel Y

Oscilloscope mengukur voltan dalam julat yang sangat luas: dari voltan DC kepada voltan frekuensi yang cukup tinggi. Angin voltan boleh agak pelbagai, dari puluhan millivolts hingga puluhan volt, dan apabila menggunakan pembahagi luar sehingga beberapa ratus volt.

Perlu diingat bahawa jalur lebar saluran penyimpangan menegak Y db tidak kurang daripada 5 kali lebih tinggi daripada kekerapan isyarat untuk diukur. Iaitu, penguat sisihan menegak mesti melepasi sekurang-kurangnya harmonik kelima isyarat di bawah kajian. Ini terutamanya diperlukan apabila mengkaji denyutan empat segi empat yang mengandungi banyak harmonik, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3. Hanya dalam kes ini, imej dengan distorsi yang minimum diperolehi pada skrin.

Rajah 3. Sintesis isyarat segiempat tepat dari komponen harmonik

Di samping kekerapan asas, Rajah 3 menunjukkan harmonik ketiga dan ketujuh. Apabila bilangan harmonik meningkat, kekerapannya meningkat: kekerapan harmonik ketiga adalah tiga kali lebih tinggi daripada asas, harmonik kelima adalah lima kali, ketujuh adalah tujuh, dan lain-lain. Oleh itu, amplitud harmonik yang lebih tinggi berkurang: semakin tinggi bilangan harmonik, semakin rendah amplitudnya. Hanya jika penguat saluran menegak tanpa banyak pelemahan boleh terlepas harmonik yang lebih tinggi, imej nadi akan menjadi segi empat tepat.

Rajah 4 menunjukkan bentuk gelombang yang berliku dengan jalur lebar Y jalur yang tidak mencukupi.

Rajah 4

Rakaman dengan kekerapan 500 KHz kelihatan seperti ini pada skrin oscilloscope OMSh-3M dengan jalur lebar 0 ... 25 KHz. Seolah-olah denyutan segi empat tepat dilalui melalui litar RC yang mengintegrasikan. Osiloskop sedemikian dihasilkan oleh industri Soviet untuk kerja makmal dalam pelajaran fizik di sekolah. Malah voltan bekalan peranti ini untuk alasan keselamatan bukanlah 220, tetapi hanya 42V. Sudah tentu jelas bahawa osiloskop dengan jalur lebar sedemikian akan memungkinkan untuk memerhatikan isyarat dengan kekerapan tidak lebih daripada 5 kHz dengan hampir tidak ada penyelewengan.

Untuk osiloskop sejagat konvensional, jalur lebar paling kerap ialah 5 MHz. Walaupun dengan band seperti ini, anda dapat melihat isyarat sehingga 10 MHz dan lebih tinggi, tetapi imej yang diterima pada skrin membolehkan anda menilai hanya kehadiran atau ketiadaan isyarat ini. Ia akan menjadi sukar untuk mengatakan apa-apa tentang bentuknya, tetapi dalam beberapa keadaan bentuknya tidak begitu penting: contohnya, terdapat penjana sinusoid, dan ia cukup untuk memastikan terdapat sinusoid ini atau tidak. Situasi seperti ini ditunjukkan dalam Rajah 4.

Sistem pengkomputeran moden dan talian komunikasi beroperasi pada kekerapan yang sangat tinggi, atas perintah ratusan megahertz. Untuk melihat isyarat frekuensi tinggi tersebut, jalur lebar osiloskop mestilah sekurang-kurangnya 500 MHz. Seperti band lebar benar-benar "mengembang" harga osiloskop.

Contohnya adalah oscilloscope digital U1610A yang ditunjukkan dalam Rajah 5. Jalur lebarnya adalah 100 MHz, dan harganya hampir 200,000 rubel. Setuju, tidak semua orang mampu membeli peranti mahal itu.

Rajah 5

Biarkan pembaca tidak menganggap gambar ini sebagai iklan, kerana semua koordinat penjual tidak dicat: sebarang tangkapan yang sama boleh muncul di tempat gambar ini.

Jenis isyarat yang dikaji dan parameternya

Jenis yang paling biasa dalam ayunan dan teknologi adalah sinusoid. Ini adalah fungsi penderitaan yang sama Y = sinX, yang diadakan di sekolah dalam pelajaran trigonometri. Banyak proses elektrik dan mekanikal mempunyai bentuk sinusoidal, walaupun bentuk isyarat lain yang sering digunakan dalam teknologi elektronik. Sebahagian daripada mereka ditunjukkan dalam Rajah 6.

Rajah 6. Bentuk getaran elektrik

Isyarat berkala. Ciri-ciri Isyarat

Osiloskop elektronik sejagat membolehkan anda mengkaji secara tepat isyarat berkala. Jika, pada input Y, anda menghantar isyarat bunyi sebenar, sebagai contoh, sebuah fonogram muzik, maka pecah rambang akan kelihatan pada skrin. Sememangnya, adalah mustahil untuk menyiasat isyarat sedemikian secara terperinci. Dalam kes ini, penggunaan osiloskop penyimpanan digital akan membantu, yang membolehkan anda menyimpan bentuk gelombang.

Angin yang ditunjukkan dalam Rajah 6 adalah berkala, diulang selepas tempoh tertentu T. Ini boleh dipertimbangkan secara lebih terperinci dalam Rajah 7.

Rajah 7. Perubahan turun naik berkala

Angin digambarkan dalam sistem koordinat dua dimensi: tekanan diukur sepanjang paksi ordinat, dan masa diukur sepanjang paksi abscissa. Voltan diukur dalam volt, masa dalam saat. Untuk getaran elektrik, masa sering diukur dalam milisaat atau microseconds.

Di samping komponen X dan Y, bentuk gelombang juga mengandungi komponen Z - intensiti, atau semata-mata kecerahan (angka 8). Ia adalah orang yang menghidupkan rasuk untuk masa stroke ke hadapan balok dan memadamkan untuk masa stroke pulang. Sesetengah oscilloscopes mempunyai input untuk mengawal kecerahan, yang dipanggil input Z. Jika anda menggunakan voltan denyut dari penjana rujukan untuk input ini, maka anda boleh melihat label kekerapan pada skrin. Ini membolehkan anda lebih tepat mengukur tempoh isyarat sepanjang paksi X.

Rajah 8. Tiga komponen isyarat yang disiasat

Osiloskop moden mempunyai, sebagai peraturan, menyapu masa yang diselaraskan yang membolehkan masa yang tepat. Oleh itu, menggunakan penjana luaran untuk membuat tag hampir tidak diperlukan.

Di bahagian atas Rajah 7 ialah gelombang sinus. Ia mudah dilihat bahawa ia bermula pada awal sistem koordinat. Semasa masa T (tempoh), satu ayunan selesai dilakukan. Kemudian semuanya berulang, tempoh seterusnya. Isyarat sedemikian dipanggil berkala.

Isyarat segiempat tepat ditunjukkan di bawah gelombang sinus: meander dan nadi segi empat. Mereka juga berkala dengan tempoh T. Tempoh pulse dinamakan sebagai τ (tau). Dalam kes ricih, tempoh denyut τ adalah sama dengan tempoh jeda antara denyutan, hanya separuh tempoh T. Oleh itu, jambatan itu adalah kes khas gelombang persegi.

Kadar Kewajipan dan Duti

Untuk mencirikan denyutan segiempat tepat, parameter yang dipanggil kitaran tugas digunakan. Ini adalah nisbah tempoh pengulangan nadi T kepada tempoh nadi τ. Untuk jarak jauh, kitaran tugas adalah sama dengan dua, - nilai itu tidak berdimensi: S = T / τ.

Dalam istilah bahasa Inggeris, sebaliknya adalah benar. Di sana, denyutan ini dicirikan oleh kitaran tugas, nisbah tempoh denyut hingga tempoh kitaran Duty: D = τ / T. Faktor pengisian dinyatakan dalam %%. Oleh itu, untuk jambatan itu, D = 50%. Ternyata bahawa D = 1 / S, kitaran duti dan kitaran tugas saling berbalik, walaupun mereka mencirikan parameter nadi yang sama. Bentuk gelombang meander ditunjukkan dalam Rajah 9.

Rajah 9. Gelombang yang berliku D = 50%

Di sini, input osiloskop disambungkan kepada output penjana berfungsi, yang ditunjukkan dengan segera di sudut bawah angka. Dan di sini seorang pembaca yang penuh perhatian boleh bertanya: "Amplitud dari isyarat keluaran dari penjana 1V, sensitiviti input osiloskop adalah 1V / div, Dan skrin memaparkan denyutan empat segi dengan magnitud 2V. Mengapa?

Faktanya ialah penjana berfungsi menjana denyutan bujur segi empat bulat dengan tahap 0V, kira-kira sama dengan gelombang sinus, dengan amplitud positif dan negatif. Oleh itu, denyutan dengan rentang ± 1V diperhatikan pada skrin oscilloscope. Dalam angka berikut, kita menukar kitaran tugas, contohnya, kepada 10%.

Rajah 10. Momentum segi empat tepat D = 10%

Adalah mudah untuk melihat bahawa tempoh pengulangan nadi adalah 10 sel, manakala tempoh denyut adalah hanya satu sel. Oleh itu, D = 1/10 = 0.1 atau 10%, seperti yang dapat dilihat dari tetapan penjana. Sekiranya anda menggunakan formula untuk mengira kitaran tugas, anda mendapat S = T / τ = 10/1 = 1 - nilai itu tidak berdimensi. Di sini kita dapat menyimpulkan bahawa kitaran tugas mencirikan impuls lebih jelas daripada kitaran tugas.

Sebenarnya, isyaratnya sendiri sama seperti dalam Rajah 9: nadi segi empat dengan amplitud 1 V dan kekerapan 100 Hz. Hanya faktor mengisi atau kitaran tugas berubah, ia seperti seseorang yang lebih akrab dan mudah. Tetapi bagi kemudahan pemerhatian dalam Rajah 10, tempoh imbasan adalah separuh berbanding Rajah 9 dan ialah 1ms / div. Oleh itu, tempoh isyarat mengambil 10 sel pada skrin, yang menjadikannya agak mudah untuk mengesahkan bahawa kitaran tugas adalah 10%. Apabila menggunakan osiloskop sebenar, tempoh sapu dipilih hampir sama.

Pengukuran voltan denyut nadi rectangular

Seperti yang disebutkan di awal artikel, osiloskop mengukur voltan, iaitu perbezaan potensi antara dua mata. Biasanya, pengukuran diambil relatif terhadap wayar biasa, tanah (sifar sifar), walaupun ini tidak perlu. Pada dasarnya, adalah mungkin untuk mengukur dari minimum kepada nilai isyarat maksimum (nilai puncak, peak-to-peak). Walau bagaimanapun, langkah pengukuran adalah agak mudah.

Datar segi empat tepat paling sering unipolar, yang tipikal untuk teknologi digital. Bagaimana untuk mengukur voltan nadi segi empat tepat ditunjukkan dalam Rajah 11.

Rajah 11. Pengukuran amplitud nadi segi empat tepat

Jika sensitiviti saluran sisihan menegak adalah 1V / div, maka ternyata bahawa angka itu menunjukkan nadi dengan voltan 5.5V. Dengan kepekaan 0.1V / div. Voltan akan hanya 0.5V, walaupun pada skrin kedua-dua denyutan nampak sama.

Apa lagi yang boleh dilihat dalam dorongan segiempat tepat

Denyut segi empat tepat yang ditunjukkan dalam Rajah 9, 10 adalah ideal kerana ia disintesis oleh Elektronik WorkBench. Dan kekerapan nadi adalah hanya 100 Hz, oleh itu, masalah dengan "kesedaran" imej tidak boleh timbul. Dalam peranti sebenar, pada kadar pengulangan yang tinggi, denyutannya agak terdistorsi, pertama sekali, pelbagai lonjakan dan pecah muncul disebabkan oleh induktansi pemasangan seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 12.

Rajah 12. Impuls Segitiga Sebenar

Jika anda tidak memberi perhatian kepada "perkara kecil" seperti itu, maka impuls segiempat tepat seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 13.

Rajah 13. Parameter nadi segi empat tepat

Angka ini menunjukkan bahawa pinggir utama dan trailing nadi tidak muncul dengan serta-merta, tetapi mempunyai beberapa kali kenaikan dan jatuh, dan agak cenderung berbanding dengan garis menegak. Cerun ini disebabkan oleh sifat frekuensi daripada mikrosirkuit dan transistor: semakin tinggi frekuensi transistor, kurang "front" dari denyut. Oleh itu, tempoh denyutan ditentukan oleh tahap 50% dari julat penuh.

Atas sebab yang sama, amplitud nadi ditentukan oleh tahap 10 ... 90%. Tempoh denyut, serta voltan, ditentukan dengan mendarabkan bilangan bahagian skala mendatar oleh nilai bahagian, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 14.

Rajah 14.

Angka ini menunjukkan satu tempoh denyut segiempat tepat, sedikit berbeza dari jarak jauh: tempoh denyutan positif adalah 3.5 bahagian skala mendatar, dan tempoh jeda ialah 3.8 bahagian. Tempoh pengulangan nadi adalah 7.3 bahagian. Gambar sedemikian mungkin tergolong dalam beberapa bebanan berbeza dengan frekuensi yang berbeza. Segala-galanya bergantung pada tempoh sapuan.

Anggapkan tempoh imbasan 1ms / div. Kemudian tempoh pengulangan nadi adalah 7.3 * 1 = 7.3ms, yang sepadan dengan frekuensi F = 1 / T = 1 / 7.3 = 0.1428KHz atau 143 Hz. Sekiranya tempoh imbasan adalah 1 μs / div, maka frekuensi akan berubah menjadi seribu kali lebih tinggi, iaitu 143KHZ.

Menggunakan data dalam Rajah 14, tidak sukar untuk mengira kitaran tugas denyut: S = T / τ = 7.3 / 3.5 = 2.0857, ternyata hampir seperti jurang. Kitaran duti kitaran duti D = τ / T = 3.5 / 7.3 = 0.479 atau 47.9%. Perlu diingatkan bahawa parameter ini tidak bergantung kepada kekerapan: kitaran duti dan kitaran duti dikira hanya oleh bahagian pada bentuk gelombang.

Dengan impuls segi empat tepat, semuanya kelihatan jelas dan mudah. Tetapi kita terlupa sepenuhnya tentang gelombang sinus. Malah, perkara yang sama ada di sana: anda boleh mengukur voltan dan parameter masa. Satu tempoh gelombang sinus ditunjukkan dalam Rajah 15.

Rajah 15. Parameter Gelombang Sine

Jelasnya, bagi sinusoid ditunjukkan dalam angka tersebut, kepekaan saluran pesongan menegak adalah 0.5 V / div. Parameter yang selebihnya dapat ditentukan dengan mudah dengan mendarabkan bilangan bahagian dengan 0.5V / div.

Gelombang sinus mungkin lain, yang perlu diukur dengan kepekaan, sebagai contoh, 5V / div. Kemudian bukannya 1V anda mendapat 10V. Bagaimanapun, pada skrin, imej kedua-dua sinusoid kelihatan sama.

Masa sinusoid yang ditunjukkan tidak diketahui. Jika kita menganggap bahawa tempoh imbasan adalah 5ms / div, tempohnya akan menjadi 20ms, yang sepadan dengan frekuensi 50Hz. Angka-angka dalam darjah pada paksi masa menunjukkan fasa sinusoid, walaupun ini tidak begitu penting untuk sinusoid tunggal. Selalunya adalah perlu untuk menentukan peralihan fasa (secara langsung dalam milisaat atau mikrosecond) sekurang-kurangnya di antara dua isyarat. Ini terbaik dilakukan dengan osiloskop dua-rasuk. Bagaimana ini dilakukan akan ditunjukkan di bawah.

Bagaimana mengukur arus dengan osiloskop

Dalam beberapa kes, ukuran magnitud dan bentuk arus diperlukan. Sebagai contoh, arus bolak yang mengalir melalui kapasitor adalah lebih awal daripada voltan dengan ¼ tempoh. Kemudian, perintang dengan rintangan kecil (tenth daripada Ohm) dimasukkan ke dalam litar terbuka. Rintangan ini tidak menjejaskan operasi litar. Penurunan voltan merentas perintang ini akan menunjukkan bentuk dan magnitud arus yang mengalir melalui kapasitor.

Ammeter tolok yang sama disusun dalam kira-kira dengan cara yang sama, yang akan dimasukkan dalam pemecahan litar elektrik. Dalam kes ini, perintang pengukur terletak di dalam ammeter itu sendiri.

Litar untuk mengukur arus melalui kapasitor ditunjukkan dalam Rajah 16.

Rajah 16. Pengukuran semasa melalui kapasitor

Voltan sinusoidal 50 Hz dengan amplitud 220 V dari penjana XFG1 (rasuk merah pada skrin osiloskop) dibekalkan ke litar bersiri dari kapasitor C1 dan perintang pengukur R1. Penurunan voltan merentas perintang ini akan menunjukkan bentuk, fasa dan magnitud arus melalui kapasitor (rasuk biru). Bagaimana ia akan kelihatan pada skrin oscilloscope ditunjukkan dalam Rajah 17.

Rajah 17. Arus melalui kapasitor adalah lebih awal daripada voltan dengan ¼ tempoh

Pada frekuensi gelombang sinus 50 Hz dan masa imbasan 5 ms / Div, satu gelombang gelombang sinus mengambil 4 bahagian di sepanjang paksi X, yang sangat mudah untuk pemerhatian. Adalah mudah untuk melihat bahawa sinar biru berada di hadapan merah dengan tepat 1 bahagian di sepanjang paksi X, yang sepadan dengan ¼ tempoh. Dengan kata lain, arus melalui kapasitor adalah lebih awal daripada voltan fasa, yang sepenuhnya konsisten dengan teori.

Untuk mengira arus melalui kapasitor, cukup untuk menggunakan hukum Ohm: I = U / R Apabila rintangan perintang pengukuran adalah 0.1 Ohm, kejatuhan voltan merangkumi 7 mV. Ini adalah nilai amplitud. Kemudian arus maksimum melalui kapasitor akan menjadi 7 / 0.1 = 70mA.

Mengukur bentuk arus melalui kapasitor bukanlah tugas yang sangat mendesak, semuanya jelas dan tanpa pengukuran. Daripada kapasitor, terdapat sebarang beban: induktor, motor penggulungan, tahap penguat transistor dan banyak lagi. Adalah penting bahawa kaedah ini boleh digunakan untuk mengkaji arus, yang dalam beberapa kes berbeza dengan ketara dalam bentuk dari voltan.

Boris Aladyshkin