Utföra ett oscilloskopmätning

Ett digitalt oscilloskop är naturligtvis mycket mer perfekt än ett konventionellt elektroniskt, det låter dig komma ihåg vågformer, kan ansluta till en persondator, har matematisk bearbetning av resultat, skärmmarkörer och mycket mer. Men med alla fördelarna har dessa nya generationsenheter en betydande nackdel - det är ett högt pris.

Det är hon som gör det digitala oscilloskopet otillgängligt för amatörsyften, även om det finns "pocket" -oscilloskop som bara är värda några tusen rubel, som säljs på Aliexpress, men det är inte särskilt bekvämt att använda dem. Tja, bara en intressant leksak. Därför, medan vi kommer att prata om mätningar med hjälp av ett elektroniskt oscilloskop.

När det gäller att välja ett oscilloskop för användning i ett hemmalaboratorium på Internet kan du hitta ett tillräckligt antal forum. Utan att förneka fördelarna med digitala oscilloskop, rekommenderas det i många forum att välja enkla, små och pålitliga inhemska oscilloskop C1-73 och C1-101 och liknande, som vi tidigare mötte i den här artikeln.

Till ett ganska överkomligt pris låter dessa enheter dig utföra de flesta amatörradiouppgifter. Låt oss under tiden bekanta oss med de allmänna principerna för mätningar med hjälp av ett oscilloskop.

Figur 1. Oscilloskop S1-73

Vad ett oscilloskop mäter

Den uppmätta signalen matas till ingången på den vertikala avböjningskanalen Y, som har ett stort ingångsmotstånd, vanligtvis 1MΩ, och en liten ingångskapacitans, inte mer än 40 pF, vilket möjliggör införande av minimal distorsion i den uppmätta signalen. Dessa parametrar indikeras ofta bredvid ingången på den vertikala avböjningskanalen.

Figur 2. Oscilloskop C1-101

Hög ingångsimpedans är typisk för voltmetrar, så det är säkert att säga att oscilloskopet mäter spänningen. Användningen av externa ingångsdelare gör att du kan minska ingångskapacitansen och öka ingångsimpedansen. Det minskar också inflytandet från oscilloskopet på den undersökta signalen.

Det bör komma ihåg att det finns speciella högfrekventa oscilloskop, vars ingångsimpedans endast är 50 ohm. I amatörradiopraxis hittar sådana enheter inte tillämpning. Därför kommer vi att fokusera ytterligare konventionella universella oscilloskop.

Kanal Y-bandbredd

Oscilloskopet mäter spänningar i ett mycket brett område: från likspänningar till spänningar med tillräckligt hög frekvens. Spänningssvingningen kan vara ganska varierande, från tiotals millivolt till tiotals volt, och när man använder externa avdelare upp till flera hundra volt.

Man bör komma ihåg att bandbredden för kanalen för den vertikala avvikelsen Y db inte mindre än 5 gånger högre än frekvensen för signalen som ska mätas. Det vill säga förstärkaren av den vertikala avvikelsen måste passera åtminstone den femte övertonen för signalen som studeras. Detta krävs särskilt när du studerar rektangulära pulser som innehåller många övertoner, som visas i figur 3. Endast i detta fall erhålls en bild med minimal distorsion på skärmen.

Figur 3. Syntes av en rektangulär signal från harmoniska komponenter

Förutom den grundläggande frekvensen, visar figur 3 den tredje och sjunde harmoniken. När det harmoniska antalet ökar ökar dess frekvens: frekvensen för den tredje harmoniken är tre gånger högre än den grundläggande, den femte harmoniken är fem gånger, den sjunde är sju, etc. Följaktligen minskar amplituden för de högre övertonerna: ju högre det harmoniska antalet, desto lägre är amplituden. Endast om förstärkaren på den vertikala kanalen utan mycket dämpning kan missa de högre övertonerna, kommer bilden av pulsen att vara rektangulär.

Figur 4 visar vågformen för en slingrare med otillräcklig kanal Y-bandbredd.

Figur 4

Slingrar med en frekvens på 500 KHz ser ut så här på skärmen på ett OMSh-3M oscilloskop med en bandbredd på 0 ... 25 KHz. Som om rektangulära pulser passerade genom en integrerande RC-krets. Ett sådant oscilloskop producerades av den sovjetiska industrin för laboratoriearbete i fysiklektioner i skolor. Även strömförsörjningen för denna enhet av säkerhetsskäl var inte 220 utan endast 42V. Det är helt uppenbart att ett oscilloskop med en sådan bandbredd gör det möjligt att observera en signal med frekvenser på högst 5 kHz utan nästan ingen distorsion.

För ett konventionellt universellt oscilloskop är bandbredden oftast 5 MHz. Även med ett sådant band kan du se en signal upp till 10 MHz och högre, men bilden som tas emot på skärmen låter dig bara bedöma närvaron eller frånvaron av denna signal. Det kommer att vara svårt att säga något om dess form, men i vissa situationer är formen inte så viktig: till exempel finns det en sinusvåggenerator, och det räcker bara för att se till att det finns denna sinusvåg eller inte. Just en sådan situation visas i figur 4.

Moderna datorsystem och kommunikationslinjer fungerar med mycket höga frekvenser i storleksordningen hundratals megahertz. För att se sådana högfrekventa signaler måste oscilloskopets bandbredd vara minst 500 MHz. Ett så brett band "expanderar" verkligen priset på oscilloskopet.

Ett exempel är det digitala oscilloskopet U1610A, som inte visas i figur 5. Dess bandbredd är 100 MHz, och priset är nästan 200 000 rubel. Håller med, inte alla har råd att köpa en så dyr enhet.

Figur 5

Låt läsaren inte betrakta den här bilden som en annons, eftersom alla koordinater för säljaren inte är målade över: något liknande skärmdump kan visas på platsen för denna bild.

Typer av studerade signaler och deras parametrar

Den vanligaste typen av svängning i natur och teknik är en sinusoid. Detta är samma långvariga funktion Y = sinX, som hölls på skolan i lektioner i trigonometri. Ganska många elektriska och mekaniska processer har sinusform, även om ganska ofta andra former av signaler används inom elektronisk teknik. Vissa av dem visas i figur 6.

Bild 6. Former av elektriska vibrationer

Periodiska signaler. Signalegenskaper

Med ett universellt elektroniskt oscilloskop kan du noggrant studera periodiska signaler. Om du på ingång Y skickar en riktig ljudsignal, till exempel ett musikaliskt fonogram, kommer slumpmässiga flimrande skurar att visas på skärmen. Naturligtvis är det omöjligt att undersöka en sådan signal i detalj. I detta fall hjälper användningen av ett digitalt lagringsoscilloskop, vilket gör att du kan spara vågformen.

Svängningarna som visas i figur 6 är periodiska, upprepade efter en viss tid T. Detta kan betraktas mer detaljerat i figur 7.

Figur 7. Periodiska fluktuationer

Svängningarna avbildas i ett tvådimensionellt koordinatsystem: spänning mäts längs ordinataxeln, och tiden mäts längs abscissaxeln. Spänningen mäts i volt, tiden i sekunder. För elektriska vibrationer mäts tiden ofta i millisekunder eller mikrosekunder.

Förutom komponenterna X och Y innehåller vågformen också komponent Z - intensitet, eller helt enkelt ljusstyrka (figur 8). Det är hon som slår på strålen för strålens framåtslag och släcker för tidpunkten för returslaget. Vissa oscilloskop har en ingång för att kontrollera ljusstyrkan, som kallas ingång Z. Om du tillämpar en pulsspänning från en referensgenerator till denna ingång, kan du se frekvensetiketterna på skärmen. Detta gör att du mera exakt kan mäta signalens varaktighet längs X-axeln.

Figur 8. Tre komponenter i den undersökta signalen

Moderna oscilloskop har som regel tidskalibrerade svep som möjliggör exakt tidtagning. Därför är det praktiskt taget inte nödvändigt att använda en extern generator för att skapa taggar.

Överst i figur 7 är en sinusvåg. Det är lätt att se att det börjar i början av koordinatsystemet. Under tiden T (period) utförs en fullständig svängning. Sedan upprepar allt, nästa period. Sådana signaler kallas periodiska.

Rektangulära signaler visas under sinusvågen: slingrande och rektangulär puls. De är också periodiska med period T. Pulslängden betecknas τ (tau). När det gäller ett slingrande är pulsvaraktigheten τ lika med pausens varaktighet mellan pulser, bara halva perioden T. Därför är slingraren ett speciellt fall av en kvadratisk våg.

Tull och tullsats

För att karakterisera rektangulära pulser används en parameter som kallas arbetscykel. Detta är förhållandet mellan pulsrepetitionsperioden T och pulslängden τ. För slingraren är arbetscykeln lika med två, - värdet är måttlöst: S = T / τ.

I engelsk terminologi är det motsatta sant. Där kännetecknas pulserna av arbetscykeln, förhållandet mellan pulslängden och perioden för driftscykeln: D = τ / T. Påfyllningsfaktorn uttrycks i%%. Således, för slingrande, är D = 50%. Det visar sig att D = 1 / S, arbetscykel och arbetscykel är inbördes omvända, även om de karaktäriserar samma pulsparameter. Slingrarnas vågform visas i figur 9.

Figur 9. Vågform av slingrande D = 50%

Här är ingången från oscilloskopet ansluten till utgången från funktionsgeneratorn, som visas omedelbart i figurens nedre hörn. Och här kan en uppmärksam läsare ställa en fråga: ”Amplituden på utsignalen från 1V-generatorn, känsligheten för oscilloskopingången är 1V / div., Och skärmen visar rektangulära pulser med en storlek på 2V. Varför? "

Faktum är att den funktionsgenerator genererar bipolära rektangulära pulser med avseende på 0V-nivån, ungefär densamma som sinusvågen, med positiva och negativa amplituder. Därför observeras pulser med ett intervall på ± 1V på oscilloskopskärmen. I följande figur ändrar vi till exempel tullcykeln till 10%.

Figur 10. Rektangulär momentum D = 10%

Det är lätt att se att pulsupprepningsperioden är 10 celler, medan pulslängden endast är en cell. Därför är D = 1/10 = 0,1 eller 10%, vilket framgår av inställningarna på generatoren. Om du använder formeln för att beräkna arbetscykeln får du S = T / τ = 10/1 = 1 - värdet är måttlöst. Här kan vi dra slutsatsen att arbetscykeln karakteriserar impulsen mycket tydligare än arbetscykeln.

Egentligen förblev själva signalen densamma som i figur 9: en rektangulär puls med en amplitud på 1 V och en frekvens av 100 Hz. Endast påfyllningsfaktorn eller arbetscykeln förändras, det är som att någon är mer bekant och bekväm. Men för att underlätta observationen i figur 10 halveras skanningsvaraktigheten jämfört med figur 9 och är 1 ms / div. Därför tar signalperioden 10 celler på skärmen, vilket gör det ganska enkelt att verifiera att arbetscykeln är 10%. När du använder ett riktigt oscilloskop väljs svepvaraktigheten ungefär densamma.

Rektangulär mätning av pulsspänning

Som nämnts i början av artikeln mäter oscilloskopet spänning, d.v.s. potentiell skillnad mellan två poäng. Vanligtvis utförs mätningar relativt en gemensam tråd, mark (noll volt), även om detta inte är nödvändigt. I princip är det möjligt att mäta från minsta till maximala signalvärden (toppvärde, topp till topp). I alla fall är mätstegen ganska enkla.

Rektangulära pulser är oftast enpolära, vilket är typiskt för digital teknik. Hur man mäter spänningen på en rektangulär puls visas i figur 11.

Bild 11. Mätning av amplituden hos en rektangulär puls

Om känsligheten för den vertikala avvikelseskanalen är 1V / div, visar det sig att figuren visar en puls med en spänning på 5,5V. Med en känslighet på 0,1 V / div. Spänningen kommer att vara bara 0,5V, även om på skärmen båda pulserna ser exakt lika ut.

Vad mer kan ses i en rektangulär impuls

De rektangulära pulserna som visas i figurerna 9, 10 är helt enkelt idealiska eftersom de syntetiseras av Electronics WorkBench. Och pulsfrekvensen är bara 100 Hz, därför kan problem med bildens "kännedom" inte uppstå. I en verklig anordning, med en hög repetitionshastighet, är pulserna något förvrängda, för det första uppträder olika spänningar och skurar på grund av installationsinduktansen, såsom visas i figur 12.

Bild 12. Real Rectangular Impuls

Om du inte uppmärksammar sådana "bagateller" ser den rektangulära impulsen ut som den som visas i figur 13.

Bild 13. Parametrar för en rektangulär puls

Figuren visar att pulsens främre och bakre kanter inte visas omedelbart utan har några stig- och falltider och är något lutande relativt den vertikala linjen. Denna lutning beror på frekvensegenskaperna hos mikrokretsar och transistorer: ju högre högfrekvenstransistor, desto mindre "fronter" på pulserna. Därför bestäms pulslängden av nivån 50% av hela intervallet.

Av samma anledning bestäms pulsens amplitud av nivån 10 ... 90%. Pulsvaraktigheten såväl som spänningen bestäms genom att multiplicera antalet uppdelningar av den horisontella skalan med delningsvärdet, såsom visas i figur 14.

Figur 14

Figuren visar en period av en rektangulär puls, något annorlunda från slingan: varaktigheten för en positiv puls är 3,5 delar av den horisontella skalan, och pausens varaktighet är 3,8 indelningar. Pulsrepetitionsperioden är 7,3 divisioner. En sådan bild kan tillhöra flera olika pulser med olika frekvenser. Allt kommer att bero på svepets längd.

Anta en skanningsvaraktighet på 1 ms / div. Sedan är pulsrepetitionsperioden 7,3 * 1 = 7,3ms, vilket motsvarar frekvensen F = 1 / T = 1 / 7.3 = 0.1428KHz eller 143 Hz. Om skanningsvaraktigheten är 1 µs / div, kommer frekvensen att visa sig vara tusen gånger högre, nämligen 143KHZ.

Med hjälp av data i figur 14 är det inte svårt att beräkna pulsens arbetscykel: S = T / τ = 7.3 / 3.5 = 2.0857, det visar sig nästan som en slingrare. Driftscykel tjänstecykel D = τ / T = 3,5 / 7,3 = 0,479 eller 47,9%. Det bör noteras att dessa parametrar inte på något sätt är beroende av frekvensen: arbetscykeln och arbetscykeln beräknades helt enkelt genom uppdelningar på vågformen.

Med rektangulära impulser verkar allt vara tydligt och enkelt. Men vi glömde helt sinusvågen. Samma sak är faktiskt där: du kan mäta spänningar och tidsparametrar. En sinusvågperiod visas i figur 15.

Figur 15. Sinusvågsparametrar

För sinusformen som visas i figuren är uppenbarheten för den vertikala avböjningskanalen uppenbarligen 0,5 V / div. De återstående parametrarna kan enkelt bestämmas genom att multiplicera antalet divisioner med 0,5V / div.

Sinusvågen kan vara en annan, som måste mätas med känslighet, till exempel 5V / div. I stället för 1V får du 10V. Men på skärmen ser bilden av båda sinusoiderna exakt densamma.

Tidpunkten för den visade sinusformen är okänd. Om vi ​​antar att skanningsvaraktigheten är 5ms / div kommer perioden att vara 20ms, vilket motsvarar en frekvens på 50Hz. Siffrorna i grader på tidsaxeln indikerar sinusoidens fas, även om detta inte är särskilt viktigt för en enda sinusoid. Oftare är det nödvändigt att bestämma fasförskjutningen (direkt i millisekunder eller mikrosekunder) åtminstone mellan två signaler. Detta görs bäst med ett tvåstrålsoscilloskop. Hur detta görs kommer att visas nedan.

Hur man mäter ström med ett oscilloskop

I vissa fall krävs mätning av strömmens storlek och form. Exempelvis är växelström som strömmar genom en kondensator före spänningen under ¼ period. Sedan ingår ett motstånd med ett litet motstånd (tiondelar av en Ohm) i den öppna kretsen. Sådant motstånd påverkar inte kretsens drift. Spänningsfallet över detta motstånd visar formen och storleken på strömmen som strömmar genom kondensatorn.

En liknande mätarmometer är anordnad på ungefär samma sätt, som kommer att inkluderas i den elektriska kretsens brytning. I detta fall är mätmotståndet beläget i själva ammetern.

Kretsen för att mäta strömmen genom kondensatorn visas i figur 16.

Bild 16. Strömmätning genom en kondensator

En sinusformad spänning på 50 Hz med en amplitud på 220 V från XFG1-generatorn (röd stråle på oscilloskopskärmen) matas till seriekretsen från kondensatorn C1 och mätmotståndet R1. Spänningsfallet över detta motstånd visar formen, fasen och storleken på strömmen genom kondensatorn (blå stråle). Hur det kommer att se ut på oscilloskopskärmen visas i figur 17.

Bild 17. Strömmen genom kondensatorn ligger före Spänningen med ¼ period

Vid en sinusvågfrekvens på 50 Hz och en avsökningstid på 5 ms / Div, tar en sinusvågperiod fyra uppdelningar längs X-axeln, vilket är mycket bekvämt för observation. Det är lätt att se att den blå strålen ligger före den röda med exakt 1 delning längs X-axeln, vilket motsvarar ¼ av perioden. Med andra ord är strömmen genom kondensatorn före fasspänningen, vilket är helt överensstämmande med teorin.

För att beräkna strömmen genom kondensatorn räcker det att använda Ohms lag: I = U / R. När mätmotståndets motstånd är 0,1 Ohm är spänningsfallet över det 7 mV. Detta är amplitudvärdet. Då blir den maximala strömmen genom kondensatorn 7 / 0,1 = 70 mA.

Att mäta formen på strömmen genom kondensatorn är inte någon mycket brådskande uppgift, allt är klart och utan mätningar. I stället för en kondensator kan det finnas någon belastning: induktor, motorlindning, transistorförstärkningssteg och mycket mer. Det är viktigt att denna metod kan användas för att studera strömmen, som i vissa fall skiljer sig väsentligt i form från spänning.

Boris Aladyshkin