Efectuarea unei măsurători a osciloscopului

Un osciloscop digital este, desigur, mult mai perfect decât unul electronic convențional, vă permite să vă amintiți formele de undă, vă puteți conecta la un computer personal, are procesare matematică a rezultatelor, markere de ecran și multe altele. Cu toate avantajele, aceste dispozitive de nouă generație au un dezavantaj semnificativ - acesta este un preț ridicat.

Ea este cea care face ca osciloscopul digital să fie inaccesibil în scop amator, deși există oscilloscopuri „de buzunar” în valoare de doar câteva mii de ruble, care sunt vândute pe Aliexpress, dar nu este deosebit de convenabil să le folosească. Ei bine, doar o jucărie interesantă. Prin urmare, în timp ce vom vorbi despre măsurători folosind un osciloscop electronic.

Pe tema alegerii unui osciloscop pentru a fi utilizat într-un laborator intern pe Internet, puteți găsi un număr suficient de forumuri. Fără a nega avantajele osciloscopilor digitale, se recomandă în multe forumuri să opteze pentru osciloscopuri interne simple și mici și de încredere C1-73 și C1-101 și altele asemenea, pe care le-am întâlnit anterior în acest articol.

La un preț destul de accesibil, aceste dispozitive vă vor permite să efectuați cele mai multe activități radio amator. Între timp, să facem cunoștință cu principiile generale ale măsurătorilor folosind un osciloscop.

Figura 1. Osciloscopul S1-73

Ce măsoară un osciloscop

Semnalul măsurat este alimentat la intrarea canalului de deviere verticală Y, care are o rezistență mare la intrare, de obicei 1MΩ, și o capacitate mică de intrare, nu mai mult de 40pF, ceea ce permite introducerea unei distorsiuni minime în semnalul măsurat. Acești parametri sunt adesea indicați lângă intrarea canalului de deviere verticală.

Figura 2. Osciloscopul C1-101

O impedanță mare de intrare este tipică pentru voltmetre, deci este sigur că osciloscopul măsoară tensiunea. Utilizarea divizoarelor de intrare externe vă permite să reduceți capacitatea de intrare și să creșteți impedanța de intrare. De asemenea, reduce influența osciloscopului asupra semnalului investigat.

Trebuie amintit că există osciloscoape speciale de înaltă frecvență, a căror impedanță de intrare este de doar 50 Ohmi. În practica radio amator, astfel de dispozitive nu găsesc aplicație. Prin urmare, ne vom concentra mai departe osciloscopuri universale convenționale.

Lățimea de bandă a canalului Y

Osciloscopul măsoară tensiunile într-un interval foarte larg: de la tensiuni de curent continuu la tensiuni cu o frecvență suficient de mare. Deplasarea de tensiune poate fi destul de diversă, de la zeci de milivoli la zeci de volți și când folosiți divizoare externe până la câteva sute de volți.

Trebuie avut în vedere faptul că lățimea de bandă a canalului deviației verticale Y db nu mai puțin de 5 ori mai mare decât frecvența semnalului de măsurat. Adică, amplificatorul deviației verticale trebuie să treacă cel puțin a cincea armonică a semnalului studiat. Acest lucru este necesar mai ales atunci când studiați impulsuri dreptunghiulare care conțin multe armonice, așa cum se arată în figura 3. Doar în acest caz, pe ecran se obține o imagine cu o distorsiune minimă.

Figura 3. Sinteza unui semnal dreptunghiular din componente armonice

Pe lângă frecvența fundamentală, figura 3 prezintă a treia și a șaptea armonică. Pe măsură ce numărul armonicului crește, frecvența sa crește: frecvența celui de-al treilea armonic este de trei ori mai mare decât cel fundamental, a cincea armonică este de cinci ori, a șaptea este șapte etc. În consecință, amplitudinea armonicelor superioare scade: cu cât numărul armonicului este mai mare, cu atât amplitudinea este mai mică. Doar dacă amplificatorul canalului vertical fără atenuare poate lipsi armonicele superioare, imaginea pulsului va fi dreptunghiulară.

Figura 4 prezintă forma de undă a unui meandru cu lățimea de bandă insuficientă a canalului Y.

Figura 4

Meandro cu o frecvență de 500 KHz arată așa ceva pe ecranul unui osciloscop OMSh-3M cu lățimea de bandă de 0 ... 25 KHz. Ca și cum impulsurile dreptunghiulare ar fi trecut printr-un circuit RC integrator. Un astfel de osciloscop a fost produs de industria sovietică pentru lucrări de laborator în lecții de fizică în școli. Nici măcar tensiunea de alimentare a acestui dispozitiv nu a fost de 220, ci doar de 42V. Este absolut evident că un osciloscop cu o astfel de lățime de bandă va face posibilă observarea unui semnal cu frecvențe de cel mult 5 kHz fără aproape nicio distorsiune.

Pentru un osciloscop universal convențional, lățimea de bandă este cel mai adesea de 5 MHz. Chiar și cu o astfel de bandă, puteți vedea un semnal de până la 10 MHz și mai mare, dar imaginea primită pe ecran vă permite să judecați doar prezența sau absența acestui semnal. Va fi dificil să spunem ceva despre forma sa, dar în unele situații, forma nu este atât de importantă: de exemplu, există un generator de unde sinusoidale și este suficient să vă asigurați că există sau nu această undă sinusoidală. O asemenea situație este prezentată în figura 4.

Sistemele moderne de calcul și liniile de comunicare funcționează la frecvențe foarte mari, de ordinul a sute de megahertzi. Pentru a vedea astfel de semnale de înaltă frecvență, lățimea de bandă a osciloscopului trebuie să fie de cel puțin 500 MHz. O astfel de bandă largă „extinde” cu adevărat prețul osciloscopului.

Un exemplu este osciloscopul digital U1610A, prezentat nu în figura 5. Lățimea sa de bandă este de 100 MHz, iar prețul este de aproape 200.000 de ruble. De acord, nu toată lumea își permite să cumpere un dispozitiv atât de scump.

Figura 5

Lăsați cititorul să nu considere această imagine ca pe o reclamă, deoarece toate coordonatele vânzătorului nu sunt pictate: orice captură de ecran similară ar putea apărea în locul acestei imagini.

Tipuri de semnale studiate și parametrii acestora

Cel mai frecvent tip de oscilație în natură și tehnologie este un sinusoid. Aceasta este aceeași funcție de suferință îndelungată Y = sinX, care a avut loc la școală în lecțiile de trigonometrie. Foarte multe procese electrice și mecanice au o formă sinusoidală, deși destul de des sunt folosite alte forme de semnale în tehnologia electronică. Unele dintre ele sunt prezentate în figura 6.

Figura 6. Forme ale vibrațiilor electrice

Semnalele periodice. Caracteristicile semnalului

Un osciloscop electronic universal vă permite să studiați cu exactitate semnalele periodice. Dacă la intrarea Y trimiteți un semnal sonor real, de exemplu, o piesă muzicală, atunci pe ecran vor fi vizibile explozii intermitente aleatoare. Desigur, este imposibil de investigat în detaliu un astfel de semnal. În acest caz, utilizarea unui osciloscop de stocare digitală vă va ajuta, ceea ce vă permite să salvați forma de undă.

Oscilațiile prezentate în figura 6 sunt periodice, repetate după o anumită perioadă de timp T. Acest lucru poate fi considerat mai detaliat în figura 7.

Figura 7. Fluctuații periodice

Oscilațiile sunt reprezentate într-un sistem de coordonate bidimensional: tensiunea este măsurată de-a lungul axei ordonate, iar timpul este măsurat de-a lungul axei abscisei. Tensiunea se măsoară în volți, timp în secunde. Pentru vibrațiile electrice, timpul este adesea măsurat în milisecunde sau microsecunde.

Pe lângă componentele X și Y, forma de undă conține, de asemenea, intensitatea componentelor Z, sau pur și simplu strălucire (figura 8). Ea este cea care pornește fasciculul pentru timpul fasciculului înainte și se stinge pentru timpul cursei de întoarcere. Unele osciloscoape au o intrare pentru controlul luminozității, care se numește intrare Z. Dacă aplicați o tensiune de impuls de la un generator de referință la această intrare, puteți vedea pe ecran etichetele de frecvență. Acest lucru vă permite să măsurați mai precis durata semnalului de-a lungul axei X.

Figura 8. Trei componente ale semnalului investigat

Osciloscopurile moderne au, de regulă, măturate calibrate în timp care permit o sincronizare precisă. Prin urmare, utilizarea unui generator extern pentru a crea etichete nu este practic necesară.

În partea de sus a figurii 7 se află o undă sinusoidală. Este ușor de observat că începe la începutul sistemului de coordonate. În timpul perioadei T (perioada) se efectuează o oscilație completă. Apoi, totul se repetă, perioada următoare. Astfel de semnale sunt numite periodice.

Semnalele dreptunghiulare sunt afișate sub unda sinusoidală: meandru și puls dreptunghiular. De asemenea, acestea sunt periodice cu perioada T. Durata pulsului este notată ca τ (tau). În cazul unui meandro, durata pulsului τ este egală cu durata pauzei dintre impulsuri, doar jumătate din perioada T. Prin urmare, meandro este un caz special al unui semnal dreptunghiular.

Rata de taxe și taxe

Pentru a caracteriza impulsurile dreptunghiulare, se utilizează un parametru numit ciclu de serviciu. Acesta este raportul dintre perioada de repetare a pulsului T și durata pulsului τ. Pentru meandru, ciclul de serviciu este de două, - fără dimensiuni: S = T / τ.

În terminologia engleză, exact contrariul este adevărat. Acolo, impulsurile se caracterizează prin ciclul de serviciu, raportul dintre durata impulsului și perioada ciclului de lucru: D = τ / T. Factorul de umplere este exprimat în%%. Astfel, pentru meandru, D = 50%. Se dovedește că D = 1 / S, ciclul de serviciu și ciclul de serviciu sunt invers invers, deși caracterizează același parametru de impuls. Forma de undă a meanderului este prezentată în figura 9.

Figura 9. Forma de undă a meandrului D = 50%

Aici, intrarea osciloscopului este conectată la ieșirea generatorului funcțional, prezentată chiar aici în colțul inferior al figurii. Și aici un cititor atent poate pune o întrebare: „Amplitudinea semnalului de ieșire de la generatorul 1V, sensibilitatea intrării osciloscopului este de 1V / div. Și ecranul afișează impulsuri dreptunghiulare cu o magnitudine de 2V. De ce? "

Cert este că generatorul funcțional generează impulsuri dreptunghiulare bipolare în raport cu nivelul 0V, aproximativ la fel ca un sinusoid, cu amplitudini pozitive și negative. Prin urmare, pe ecranul osciloscopului se observă impulsuri cu o durată de ± 1V. În figura următoare, schimbăm ciclul de serviciu, de exemplu, la 10%.

Figura 10. Momentul dreptunghiular D = 10%

Este ușor de observat că perioada de repetare a pulsului este de 10 celule, în timp ce durata pulsului este de o singură celulă. Prin urmare, D = 1/10 = 0,1 sau 10%, așa cum se poate observa din setările generatorului. Dacă utilizați formula pentru calcularea ciclului de serviciu, obțineți S = T / τ = 10/1 = 1 - valoarea este fără dimensiuni. Aici putem concluziona că ciclul de serviciu caracterizează impulsul mult mai clar decât ciclul de serviciu.

De fapt, semnalul în sine a rămas același ca în figura 9: un impuls dreptunghiular cu o amplitudine de 1 V și o frecvență de 100 Hz. Numai factorul de umplere sau ciclul datoriei se schimbă, parcă cineva este mai familiar și mai convenabil. Dar pentru comoditatea observației din figura 10, durata scanării este înjumătățită în comparație cu figura 9 și este de 1ms / div. Prin urmare, perioada semnalului ia 10 celule pe ecran, ceea ce face destul de ușor să verifice dacă ciclul de serviciu este de 10%. Când utilizați un osciloscop real, durata de mărire este selectată aproximativ la fel.

Măsurarea tensiunii dreptunghiulare a impulsului

Așa cum am menționat la începutul articolului, osciloscopul măsoară tensiunea, adică. diferență de potențial între două puncte. În mod obișnuit, măsurătorile sunt luate în raport cu un fir comun, la sol (zero volți), deși acest lucru nu este necesar. În principiu, este posibilă măsurarea valorilor semnalului minim până la maxim (valoarea de vârf, vârf până la vârf). În orice caz, etapele de măsurare sunt destul de simple.

Impulsurile dreptunghiulare sunt cel mai adesea unipolare, ceea ce este tipic pentru tehnologia digitală. Modul de măsurare a tensiunii unui impuls dreptunghiular este prezentat în figura 11.

Figura 11. Măsurarea amplitudinii unui impuls dreptunghiular

Dacă sensibilitatea canalului de deviere verticală este de 1V / div, se dovedește că figura arată un impuls cu o tensiune de 5,5 V. Cu o sensibilitate de 0,1 V / div. Tensiunea va fi de doar 0,5 V, deși pe ecran ambele impulsuri arată exact la fel.

Ce altceva se poate vedea într-un impuls dreptunghiular

Impulsurile dreptunghiulare prezentate în figurile 9, 10 sunt pur și simplu ideale, deoarece sunt sintetizate de Electronics WorkBench. Și frecvența pulsului este de doar 100 Hz, prin urmare, nu pot apărea probleme cu „necuviința” imaginii. Într-un dispozitiv real, cu o rată de repetare ridicată, impulsurile sunt oarecum distorsionate, în primul rând, apar mai multe surplusuri și explozii din cauza inductanței instalării, așa cum se arată în figura 12.

Figura 12. Impulsul dreptunghiular real

Dacă nu acordați atenție unor astfel de „fleacuri”, atunci impulsul dreptunghiular arată ca cel arătat în figura 13.

Figura 13. Parametrii unui impuls dreptunghiular

Figura arată că marginile conducătoare și de final ale pulsului nu apar imediat, ci au niște timpi de creștere și cădere și sunt oarecum înclinați în raport cu linia verticală. Această pantă se datorează proprietăților de frecvență ale microcircuitelor și tranzistoarelor: cu cât tranzistorul de înaltă frecvență este mai mare, cu atât mai puțin „fronturi” ale impulsurilor. Prin urmare, durata pulsului este determinată de nivelul de 50% din întreaga gamă.

Din același motiv, amplitudinea pulsului este determinată de nivelul de 10 ... 90%. Durata pulsului, precum și tensiunea, sunt determinate prin înmulțirea numărului de diviziuni ale scării orizontale cu valoarea diviziunii, așa cum se arată în figura 14.

Figura 14.

Figura prezintă o perioadă a unui impuls dreptunghiular, ușor diferită de meandro: durata unui impuls pozitiv este de 3,5 diviziuni ale scării orizontale, iar durata pauzei este de 3,8 diviziuni. Perioada de repetare a pulsului este de 7,3 diviziuni. O astfel de imagine poate aparține mai multor impulsuri diferite cu frecvențe diferite. Totul va depinde de durata de măturare.

Presupunem o durată de scanare de 1ms / div. Atunci perioada de repetare a impulsului este de 7,3 * 1 = 7,3ms, ceea ce corespunde unei frecvențe de F = 1 / T = 1 / 7,3 = 0,1428KHz sau 143 Hz. Dacă durata scanării este de 1 µs / div, atunci frecvența se va dovedi a fi de o mie de ori mai mare, și anume 143KHZ.

Folosind datele din figura 14, nu este dificil să calculăm ciclul de funcționare a impulsului: S = T / τ = 7.3 / 3.5 = 2.0857, se dovedește aproape ca un meandru. Ciclul de serviciu D = τ / T = 3,5 / 7,3 = 0,479 sau 47,9%. Trebuie menționat că acești parametri nu sunt în niciun caz dependenți de frecvență: ciclul de serviciu și ciclul de serviciu au fost calculate doar prin diviziuni pe forma de undă.

Cu impulsuri dreptunghiulare, totul pare a fi clar și simplu. Dar am uitat complet de unda sinusoidală. De fapt, același lucru este acolo: puteți măsura tensiunile și parametrii de timp. Figura 15 prezintă o perioadă de undă sinusoidală.

Figura 15. Parametrii valurilor sinale

Evident, pentru sinusoidul prezentat în figură, sensibilitatea canalului de deviere verticală este de 0,5 V / div. Parametrii rămași pot fi ușor determinați prin înmulțirea numărului de divizii cu 0,5V / div.

Undul sinusoidal poate fi altul, care va trebui să fie măsurat cu sensibilitate, de exemplu, 5V / div. Apoi în loc de 1V primiți 10V. Totuși, pe ecran, imaginea ambelor sinusoide arată exact aceeași.

Momentul sinusoidului arătat nu este cunoscut. Dacă presupunem că durata scanării este de 5ms / div, perioada va fi de 20ms, ceea ce corespunde unei frecvențe de 50Hz. Numerele în grade pe axa timpului indică faza sinusoidului, deși acest lucru nu este deosebit de important pentru un singur sinusoid. Mai des este necesar să se determine deplasarea de fază (direct în milisecunde sau microsecunde) cel puțin între două semnale. Acest lucru se realizează cel mai bine cu un osciloscop cu două raze. Cum se face acest lucru va fi prezentat mai jos.

Cum se poate măsura curentul cu un osciloscop

În unele cazuri, este necesară măsurarea mărimii și a formei curentului. De exemplu, curentul alternativ care trece printr-un condensator este înainte de tensiune cu ¼ perioadă. Apoi, un circuit cu o rezistență mică (zecimi de Ohm) este inclus în circuitul deschis. O astfel de rezistență nu afectează funcționarea circuitului. Scăderea de tensiune pe acest rezistor va arăta forma și mărimea curentului care circulă prin condensator.

Un amperometru de calibru similar este dispus în aproximativ același mod, care va fi inclus în ruperea circuitului electric. În acest caz, rezistența de măsurare este amplasată în interiorul amperometrului propriu-zis.

Circuitul pentru măsurarea curentului prin condensator este prezentat în figura 16.

Figura 16. Măsurarea curentului printr-un condensator

O tensiune sinusoidală de 50 Hz cu o amplitudine de 220 V de la generatorul XFG1 (fascicul roșu de pe ecranul osciloscopului) este furnizată circuitului serial din condensatorul C1 și rezistența de măsurare R1. Scăderea de tensiune pe acest rezistor va arăta forma, faza și amploarea curentului prin condensator (fascicul albastru). Cum va arăta pe ecranul osciloscopului este prezentat în Figura 17.

Figura 17. Curentul prin condensator este înainte de tensiune cu ¼ perioadă

La o frecvență de undă sinusoidală de 50 Hz și un timp de scanare de 5 ms / Div, o perioadă de undă sinusoidală are 4 diviziuni de-a lungul axei X, ceea ce este foarte convenabil pentru observare. Este ușor de observat că raza albastră este înaintea roșului cu exact 1 divizare de-a lungul axei X, care corespunde cu ¼ perioadă. Cu alte cuvinte, curentul prin condensator este înainte de tensiunea de fază, care este complet în concordanță cu teoria.

Pentru a calcula curentul prin condensator, este suficient să folosim legea lui Ohm: I = U / R. Când rezistența rezistenței de măsurare este de 0,1 Ohm, căderea de tensiune peste ea este de 7 mV. Aceasta este valoarea amplitudinii. Atunci curentul maxim prin condensator va fi de 7 / 0,1 = 70mA.

Măsurarea formei curentului prin condensator nu este o sarcină foarte urgentă, totul este clar aici și fără măsurători. În locul unui condensator, poate exista orice încărcare: inductor, înfășurare motor, stadiu amplificator tranzistor și multe altele. Este important ca această metodă să poată fi utilizată pentru a studia curentul, care în unele cazuri diferă semnificativ sub formă de tensiune.

Boris Aladyshkin