Как измерить напряжение осциллографом

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.

При касании нулевого провода, сигнал на осциллографе остался бы таким, какой был. То есть чистый ноль.

Как измерить постоянное напряжение аналоговым осциллографом

Для того, чтобы измерить постоянное напряжение, мы должны переключить осциллограф в режим DC, что означает «постоянный ток». В разных моделях это делается по разному, но этот переключатель обязательно должен быть в каждом осциллографе.

Давайте рассмотрим на реальном примере, как можно измерить постоянное напряжение. Для этого нам потребуется источник постоянного тока. В данном случае я возьму лабораторный блок питания. Выставляю на нем значение напряжения в 1 Вольт.

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.

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.

Все должно выглядеть приблизительно вот так:

На дисплее в это время происходит какой-то

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

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.

Ого, слишком сильно крутанул винт.

Крутим чуточку в обратную сторону и выравниваем горизонтально вершины сигнала.

Вот! Совсем другое дело! 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:

Сигнал с генератора частоты на экране осциллографа выглядит вот так.

А 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

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. Я ее пометил в желтый прямоугольник

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.

Сходятся ли наши расчетные показания с показаниями автоматических измерений? Смотрим и проверяем.

Стопроцентное попадание! Кстати, чтобы не было дальнейших вопросов, привожу небольшую табличку.

«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.

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

Ну разве не чудо? 😉

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, показано на осциллограмме ниже:

Так как мы видим, что значение нашего квадратика равно 1 Вольту (внизу слева)

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

Почти в тютельку!

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

• 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:

Посмотреть его можете на Алиэкпрессе по этой ссылке.

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

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

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

Более подробно про характеристики цифровых осциллографов вы можете прочитать, скачав учебное пособие по цифровым осциллографам.

Похожие статьи по теме «осциллограф»

Как правильно пользоваться осциллографом

Как пользоваться осциллографом, надо знать каждому, кто желает углубить свои навыки в починке, обслуживании электротехники, в диагностических мероприятиях. Осциллограф предназначен для мониторинга изменений напряжения во времени. Устройство оснащено экраном с движущейся разверткой, показывающую графики, амплитуду, синусоиду колебаний за определенные периоды.

Что такое осциллограф

Осциллографом (O-Scope, Oscilloscope) регистрируют изменения (амплитуды, колебания) напряжений сигналов электроцепи с выводом в виде синусоид, пилообразных и других линий на координатную сетку на мониторе. Прибор применяют для изучения динамики системы во время ее работы. Характерный пример: тестирование импульсных, генераторных устройств (источники питания). Oscilloscope покажет форму напряжения, электросигналов во времени, уровень колебаний, изменения при определенных условиях и факторах (поломки, температура, магнитные поля, помехи, экранирование).

Назначение

O-Scope измеряет такие величины и решает следующие задачи:

• тестовые меры для электросхем, сборок, изделий при их выпуске, починке, в исследовательских учреждениях;
• всегда используется при проверке измерительных устройств;
• электро, теле и радио сфера: свойства сигналов, степень шумов, искажений;
• для узкоспециализированного аппаратного оснащения, для анализа АСУ, исполнительных приспособлений;
• замеры частот и амплитуд при отладке;
• визуальный мониторинг сигналов, фазных сдвигов;
• анализ функционирования датчиков автомобиля.

Если кратко отобразить функции, то аппарат позволяет наблюдать изменения напряжения:

• во времени: частоту, промежутки, скважность, циклы, скачки, спады, всплески;
• на физике: колебания, амплитуды, макс./мин. среднеквадратичные значения.

Осциллограф — это «глаза», позволяющие посмотреть внутрь цепи во время ее работы. Кроме простого измерения электросигнала, современные изделия могут делать математические преобразования в реальном времени (Фурье и пр.).

Где применяется

• всегда в научных, технических лабораториях, исследовательских отделениях на заводах, выпускающих электроприборы, например, производитель должен знать, как реагирует его продукция на помехи;
• при углубленном анализе сборок, при наладке, ремонте электроустройств: от радио и сотовой связи до цепей двигателей машин. Для радиолюбителей прибор незаменим.

Аппарат выдает визуальную информацию о характеристиках сложных сигналов, показывает временные и амплитудные данные изменений, что важно для расчетов и определения, как будет себя вести изучаемый объект за периоды в конкретных условиях.

Что может измерить осциллограф

Осциллограф может измерить:

• покажет по сигналам:
  • форму;
  • частотность;
  • период;
  • амплитуду;
  • угол сдвига фазы;
  • сравнение сигналов;

  

  O-Scope — фактически это вольтметр, но отображающий изменения напряжения онлайн, им можно обозначить форму тока, подключив последовательно к обслуживаемой сети резистор (Rt, «t» — токовый, он же шунтирующий). Его число Ом подбирают намного меньшим, чем у цепи, чтобы отсутствовали влияния на схему. Далее, вычисляют по формуле и, зная величину Rt, можно найти ток.

  

  Виды

  У цифровых моделей есть функция записи и архивирования, что расширяет возможности. Для сопоставления результатов онлайн используют аппараты с несколькими каналами. Есть экземпляры, подключаемые к ПК и комбинации с другими измерительными девайсами.

  

  Выбор аналоговых моделей (кроме простых и учебных) подразумевает наличие познаний во множестве настроек, регулировка усложненная. С другой стороны, такие приборы дают углубленную практику.

  

  Цифровые модели — это рекомендованный выбор, на таком аппарате можно быстро освоить основы. Это вычислительные комплексы, с ними получение данных, интерпретация проще и намного быстрее. Есть также модели аналогово-цифровые.

  

  

  Устройство

  Главный узел осциллографа — трубка как у старых телевизоров, электронно-лучевая, осуществляющая визуализацию величин, принимаемых входным делителем, от которого зависят рамки допустимых замеров. Происходит усиление, синхронизация с генератором развертки. Далее, исследуемая величина попадает на оконечный усиливающий узел, на ЭЛТ, затем происходит отображение его онлайн без каких-либо задержек.

  

  

  

  Алгоритм, как работает цифровой осциллограф несколько иной: он сначала пропускает сигнал через преобразователь (аналого-цифровой), замеряя его несколько раз в сек. Затем происходит реконструкция и отображение на мониторе. Одновременно данные записываются буферной памятью, есть возможность будущей их обработки.

  

  

  Работать с цифровым осциллографом удобнее, его преимущества — полная функциональность с дополнительными опциями в маленьком корпусе, простота настроек. Выбор осциллографа в современных условиях обычно осуществляется среди указанных видов. Отдельные аналоговые старые основательные советские экземпляры (дешевле в 4–5 раз) неплохи, но они габаритные, требуют больше навыков по настройке.

  Как функционирует осциллограф

  Если смотреть на быстро пробегающие объекты, то увидим размытую линию. Но если периодически открывать «окошко», то будут выхватываться статичные кадры. Это принцип стробоскопа, так же, но в электронной форме работает Oscilloscope.

  

  Действие «окошка» синхронизуется (главное условие) со скоростью объектов (сигнала), поэтому при его открытии их место стабильно. В противном случае возникнет рассинхронизация.

  

  Аппарат визуализирует периодические изменения в реальном времени на табло синусоидой или линией другой формы (пила, меандр и прочее). Каждый будущий отрезок схожий с прошедшим, он «останавливается» и показывается (в 1 момент — 1 период).

  

  На что обратить внимание в Oscilloscope, ориентиры для выбора

  Рассмотрим основы характеристик O-Scope, которые послужат также ориентирами, как выбрать осциллограф, надежную его модель.

  

  Способы, чтобы проверить осциллограф:

  • встроенным генератором (Калибровка), все цифровые модели имеют его. Включают режим и смотрят, есть ли синусоида. Если магазин специализированный, там должен быть внешний генератор для проверки;
  • старые осциллографы начинают подвирать со временем, как проверить их есть простой способ: взять эталонный источник, например, ту же батарейку 1.5 В;
  • экран должен быть достаточной яркости, луч без артефактов;
  • дотронуться до щупа: фаза покажет синусоиду (правда с большими помехами), земля — ровную линию;
  • посредством ПК, специальным ПО.

  

  Полоса пропускания

  Это минимальная и максимальная частоты, амплитудность, то есть диапазон, который может измерить прибор. Достаточно учесть верхнюю черту; нижнюю рисуют все устройства.

  Частота дискретизации (Sampling rate)

  У цифровых моделей. Данный параметр связан с предыдущим. Чем выше, тем лучше (например, у Siglent SDS — 1×109). Это число считываний за единицу времени, определяет максимальные частоты без потерь на экране. У приборов с несколькими каналами может уменьшаться при задействовании их всех (при покупке надо учесть).

  

  По теореме Котельникова част. дискр. должна превышать в 2 раза верхнюю рамку пропускания, но на практике потребуется превышение в 4–5 раза. На этом и основывается выбор. Пример для изделия с полосой до 200–800 МГц (важно учесть параметр при использовании 2 и больше каналов).

  Число каналов

  Многие модели способны обрабатывать больше сигналов вместе, одновременно раздельно показывая их на мониторе. Обычно от 2 до 4. Иногда включение других каналов сказывается на производительности. Выбор осциллографа рекомендовано делать среди изделий с двумя каналами, что позволит сравнивать исследуемые величины, исчислять фазные сдвиги. Три и больше входа, это хорошо, но для обычных задач иногда чрезмерно, цена прибора возрастет многократно.

  

  Эквивалентная частота дискретизации

  Когда недостаточно реальной част. дискр., итоговая картинка реконструируется по нескольким последовательным измерениям. Пример: анализируется сигнал 200 МГц на модели с част. дискр. 1 млрд. выборок/сек. (1 GSa/s) — получают всего 5 измерений. По теор. Котельникова этого хватает, но можно детализировать (алгоритмическим методом) и активировать опцию: будет не 1 GSa/s, а уже 2 GSa/s.

  Глубина памяти

  Всегда есть в цифровых моделях (DSO=Digital Storage Oscilloscope). Чем ниже скорость развертки, тем точнее показатели и тем больше значений приходится сохранять прибору в памяти. Чем глубже память — тем лучше. Но иногда наблюдается негативный момент: при медленных измерениях прибор подтормаживает, выбирая изделие, надо поинтересоваться этим нюансом.

  

  Обновление экрана

  Чем чаще обновляется монитор, тем короче «мертвое время», требуемое для обработки захватываемой информации, более оперативно происходит обновление осциллограмм. Больше шансов, что аппарат покажет малозаметный артефакт. Впрочем, это имеет значение только для фанатов-электронщиков.

  Максимальное входное напряжение (питание)

  Любой прибор имеет предел по мощности питания, при превышении которого без дополнительных мер он просто сгорит, выйдет из строя. Нужно учитывать параметры обслуживаемых цепей. Пример: макс. напр. в режиме щупа 1:1 — 40 В, в режиме 1:10 — 400 В, то есть лезть в цепь с 400 В и больше без предохранительных мер уже небезопасно.

  Основы управления

  Большинство ручек, кнопок, переключателей осциллографа пригодятся только для профессионалов электронщиков. Поэтому рассмотрим основы, которых достаточно для большинства задач. Все остальные опции по сути, это дополнения, упрощающие исследования.

  

  Начало работы

  Работа с осциллографом по аналоговому прибору описывается более подробно. В роли объекта изучения можно использовать несложные модели: чрезвычайно простой учебный осциллограф н3013 или популярный С1-83. По цифровому — все то же, но он унифицирует, обобщает некоторые моменты.

  

  

  В лучевой трубке Oscilloscope пучки электронов, идущие на табло, провоцируют свечение люминофора (светлая точка посередине). Отклоняющие пластины (2 пары) дают возможность гонять ее. Чем выше напряжение на клеммах, тем значительнее она подвигается. Подающееся напряжение на пласт. Х (вертикальные) инициирует пилообразную развертку, луч бегает циклически (это линия развертки или нуля). На пласт. Y подключают исследуемые величины.

  

  Синхронизация

  Перед тем, как работать с осциллографом, надо изучить основы (управление, подключение, какие щупы и прочее). Главный пункт взаимодействия — синхронизация. Если старт пилы (самое левое положение луча) и сигнала совпали, то 1 проход развертки покажет 1 или больше периодов и изображение как бы застынет. Изменяя скор. развертки делают так, что на табло будет только 1 отрезок: за 1 пер. пилы пройдет 1 пер. анализируемого сигнала.

  

  1. Пила и сигнал синхронизируются, регулируя селектором скорость до остановки синусоиды
  2. Задается уровень, указывают напряжение на входе для активации генератора. Пила появится, только при выставленном значении, синхронизация автоматическая. Надо учесть помехи: они могут активировать генератор ошибочно (уровень чрезмерно низкий), если очень высокий — сигнал не запустит систему.

  Надо знать следующее:

  • по горизонтали смещение луча прямо пропорциональное времени;
  • по вертикали — пропорционально исследуемому напряжению.

  Подключение

  В осциллографе нет отдельных двух щупов, как у мультиметра. Есть один кабель с 2 отростками, жилами (напряжение меряют между 2 точками), втыкаемыми в розетку с 2 клеммами. Если на приборе гнезд с ними больше одного, то прибор двух или многоканальный.

  

  • для фазы — подключена к входу усилителя, отклоняющего луч по вертикали;
  • общая (земля, минус) — связана непосредственно с корпусом аппарата.

  В иностранных приборах провод с «крокодилом» — земля, фаза — игла, которой тыкают в контакты проверяемых схем, в ножки микропроцессоров и прочее. В отечественной продукции часто провода одинаковые. Узнать назначение можно, коснувшись их рукой: минус (земля) — на экране ровная линия, фаза — искаженная синусоида.

  

  Нельзя использовать любой провод для щупа — в осциллографе это только коаксиальные специальные изделия, любой другой кабель покажет чушь.

  

  Упрощенно алгоритм использования, как подключить к анализируемой цепи и провести исследование:

  1. Осциллограф ставят в удобное место, ручки приводят в нормальное или нейтральное положение.
  2. Если есть калибратор, то надо откалибровать по инструкции.
  3. Землю сажают на «−» или общую жилу в исследуемой схеме. Если их невозможно определить — подключают к любому из контактов, между которыми проводят исследование. Сигналом тычут по схеме.

  Прибор отображает напряжение на щупе по отношению к общему проводку. На некоторых таких шнурах (прямо на них) есть делители 1:0, 1:100 с тумблерами вкл./выкл., позволяющие воткнуть концы хоть напрямую в 220 В, не рискуя сжечь прибор.

  

  Режим входа

  Регулятор с прямой и, ниже нее, волнистой чертой — это режим входа. Верхняя позиция — допустимо подавать любое напряжение. Средняя — позволяет установить развертку. Нижняя позиция — только для переменной величины, при этом подключение идет через встроенный конденсатор.

  Пример: надо проанализировать помехи на БП с 12 В, их интенсивность возможна до 0.3 В. На фоне 12 В незаметно. Можно повысить коэфф. по Y, но график выйдет за монитор, а смещения не хватит для наблюдения вершины. Тогда включаем в цепь конденсатор и 12 В осядут там, а в O-Scope пойдет переменная величина — 0.3 В помех, визуализацию усиливают и разглядывают полный масштаб.

  

  Быстрый старт

  Экран размечен линиями с делениями Y (вертикаль) и X (горизонталь) – это декартовая система координат, их селекторы (большие и заметные) — главные органы управления:

  • Усиление (В/дел, вольт/на деление) — масштабирует по оси Y, чтобы просмотреть весь сигнал, и там же указано, сколько В на деление в итоге отобразится. Пример: если стоит 2 В на деление, а сигнал занимает две клеточки в высоту, то амплитуда равна 4 В; при выборе 1 В и подачи синусоиды ампл. в 0.2 В она займет 4 кл.;
  • Длительность (Развертка) — регулировка частоты. Тут деления в мс и мкс. Чем меньший промежуток и больше частота, тем высокочастотный сигнал можно разглядеть и по его ширине можно исчислить, сколько он клеток, а умножив на масш. по линии X, получим его длительность в сек. Можно рассчитать один период, затем — значение частоты — f=1/t. Данная ручка — для выставления скорости луча на табло слева/направо. В цифровых аппаратах — сплошная линия. Поступающий через вход сигнал отклоняет луч вверх/вниз: возникает волнообразная синусоида, пила или иная форма линии, отображая шумы, помехи.

  

  Клавиша развертка и крутилки со стрелочками позволят гонять график по экрану для удобства его восприятия и подгонки нужного участка под квадратики сетки. А изменяя скорость, частотность бега луча (величину частоты развертки), добиваются синхронизации, замирания изображения.

  

  Измеряем напряжение

  Для уменьшения погрешности, так как наблюдение визуальное, рекомендовано, чтобы график занимал 80–90 % монитора. Когда делают замеры напряжения и по частоте (есть временный интервал), надо регуляторы усиления и скорости развертки разместить в крайние правые позиции.

  

  Порядок действий

  

  Напряжение измеряется масштабированием по вертикали. Алгоритм:

  1. Перед началом замыкают сигнал щупа на свой же земляной проводок (иглу на «крокодил») или выставляют тумблер режима входа в позицию «земля».
  2. Высветится «пульс трупа», если нет, то надо подвигать смещение, стабилизацию и уровень — возможно изображение спряталось, не запустилось.
  3. Регулируем селекторами смещение полосы на ноль и регулятором «вверх-вниз» выставляем развертку на горизонталь сетки, так можно будет корректно рассчитать высоту осциллограммы. Если осциллограф старый или аналоговый, то надо ему дать прогреться минут 5.
  4. Выставляем предел измерений по напряжению, рекомендовано брать с запасом, потом можно уменьшить.
  5. На вход дают сигнал (или его переключатель переводится в одно из рабочих позиций). На мониторе появится график.
  6. Проиллюстрируем процесс: батарейка имеет 1.5 V, если прикоснуться земляным отростком щупа к ее минусу, а сигнальным — к плюсу, то появится скачок графика на 1.5 Вольта.

  

  Для нахождения высоты графика осциллограмму подвигают селектором, чтобы отметка, по которой исчисляется амплитуда, была на центральной вертикали с долями. Получим чувствительность отклонения — 1 в/дел, размер осциллогр. — 2.6 дел., а отсюда ампл. = 2.6 В.

  Ниже иллюстрация на аналоговом аппарате: 3.4 дел. — макс. напряжения. На соседнем рисунке — масштабирование по вертикали. Регулятор «плавно» (часть с зеленой риской) – в правой предельной позиции, черточка тумблера чувствительности — 0.5 в/дел. Множитель по масшт. — ×10. Расчет напряжения:

  

  

  Измерение частоты

  Частота — это временная характеристика, интервалы, периоды сигнала; их измерение — прямое назначение осциллографа. Исследуемое значение всегда обратно пропорционально его периоду, который можно замерить в любой области осциллограммы. Но комфортнее и точнее это сделать в точках пересечения графика с горизонталью по центру (ось времени).

  

  Перед исследованием полосу развертки выставляем на центральную горизонталь. Используя ручку со стрелкой в обе стороны, смещаем начало периода с самой крайней левой полосой на мониторе. В нашем случае промежуток = 6.8 дел., скор. развертки — 100 мкс/дел. Исчисления:

  

  

  Выше на схожих двух рисунках те же сигналы, но при разной скорости развертки. По первому изображению исчисление частоты (точное значение — 1.459 кГц) имеет большую погрешность, по второму — меньшую, так как большую точность при измерении получают, если растянуть картинку.

  На втором рисунке период чуть превышает 6.8 дел. и частота в реальности чуть ниже (1.459 КГц), чем полученная (1,47 КГц). Отклонение меньше 1 %, это допустимо и считается высокой точностью, ее обеспечит цифровой O-Scope (с линейной разверткой). В аналоговых моделях отклонение было бы выше. Характерная закономерность: с увеличением периода снижается частота (пропорция обратная), и наоборот.

  Измеряем сдвиг фаз

  Иногда бывает, что фазы напряжения и тока расходятся (при проходе через конденсаторы, индуктивность). С двухканальным O-scope возможно посмотреть уровень различий.

  

  Сдвиг фаз покажет два процесса в движении, их положение с колебаниями. Измеряют не в ед. времени (горизонталь), а в долях промежутка сигнала (ед. угла). Одинаковому взаимному размещению сигналов соответствует такой же сдвиг, и он не зависит от периода и частоты. Поэтому измерения достовернее при максимальном растяжении периодов на мониторе.

  Порядок действий

  

  

  Этапы (модель С1-83):

  1. Крутилками со стрелками 2 каналов (по вертикали) развертку ставят на центральную линию (сигнал на входе отсутствует).
  2. Усил. (вертикаль) на первом канале устанавливают (ступени и плавно) большую амплитуду, на втором — делают ее меньшей.
  3. Скор. разв. настраивают, чтобы на табло поместился 1 определенный промежуток.
  4. Уровнем синхронизации выставляют старт графика с временной линии (развертки, т. А), а селектором с горизонтальной чертой с двумя стрелками — чтобы с крайней левой грани экрана (т. А);
  5. Скор. разв. (ступени и плавно) добиваются финиша графика на крайней правой вертикальной грани.
  6. Повторяют описанное, растягивая диаграмму на весь монитор, стартовая и финишная точка должны совпадать с полосой развертки.
  7. Определяют опережение, угол сдвига (φ) зависит от этого. Ниже на первом рис., ток отстает его старт позже (т. А и Б). На соседнем рисунке (б) он первый, его старт не показывается, поэтому смотрят на финиш первого полупериода: первым к 0 придет диаграмма, начавшаяся раньше (отметка Г подходит быстрее В).

  φ — модуль угла, промежуток между начальной и финишной точками периода. Далее, φ узнаем по правилу: 1 промежуток любого колебания = 360° (это стабильная пропорция).

  

  

  Замеры возможны и по концам периодов (Д и Е), но в правом сегменте монитора линейность плохая, вероятность погрешностей увеличивается.

  Пример исчисления с графической иллюстрацией:

  

  

  Видео по теме

  • Главная
  • Электропроводка
  • Приборы и инструменты

  Как измерить ток осциллографом: гайд от Суперайс

  

  Осциллограф – универсальный прибор, способный регистрировать сигналы произвольной формы в широком амплитудном диапазоне. Помимо обычной визуализации сигнала, они также способны к его анализу и интерпретации. Поэтому осциллографы получили широкое распространение в радиотехнике и электронике.

  Все осциллографы способны измерять только изменение напряжения, но существуют ли способы изучения характеристик тока при помощи осциллографа?

  Время чтения: 12 минут

  Как измерить ток осциллографом?

  • Общие сведения
  • Метод 1. Измерение тока на шунте
  • Метод 2. Использование токоизмерительных пробников
    • Измерение переменного тока
    • Измерение переменного и постоянного тока

    Распространение импульсных схем привело
    к тому, что форма протекающего тока, часто не совпадает с формой напряжения. Искажения оказывают значительное влияние как на элементы схемы источника питания, так и потребителя. Поэтому достоверная информация о форме сигнала, в первую очередь, необходима для:

    • оценки характеристик получаемого сигнала;
    • определения наличия в сигнале выбросов;
    • обнаружения источника создаваемых искажений;
    • определения необходимых характеристик электронных компонентов схемы.

    Осциллограф широко применяется для регистрации периодических и быстроменяющихся импульсов напряжения. А что ток? Как дело обстоит с ним? Взглянем, какие используются способы регистрации сигналов электрического тока при помощи осциллографа.

    Способ 1. Измерение на токоизмерительном шунте

    Измерение на токоизмерительном шунте – один из наиболее часто применяемых методов измерения больших токов. Суть метода основана на том, что исследуется не сам ток, протекающий по проводнику, а создаваемое на нем падение напряжения. Так как сам шунт является чисто активным элементом, то форма напряжения, регистрируемого на нем, будет полностью идентична форме действующего тока. Обычно, в качестве шунтов, используются резисторы не большого сопротивления (менее 0,5 Ом).

    

    Шунт постоянного тока (DC 0 — 100 В, Ток: 0 — 50 А).

    Регистрируемое на шунте падение напряжения так же называют дифференциальным, а сам шунт — токоизмерительным или токочувствительным резистором.

    В ряд устройств уже могут быть встроены токочувствительные шунты. Так в конструкции большинства блоков питания такие резисторы используют для получения сигнала обратной связи. Если в исследуемую электрическую схему уже встроен резистор обратной связи или иной шунт, то проводить измерения следует именно на нем.

    Чтобы улучшить получаемые результаты измерения падения напряжения на шунте, можно воспользоваться дифференциальным пробником. Но следует учитывать, что синфазный сигнал присутствующий на резисторе, не должен быть выше допустимого к измерению значения. При этом напряжение на резисторе должно быть достаточно велико.

    

    Схема включения шунтирующего резистора.

    При исследовании слабых сигналов необходимо обеспечить минимальный уровень шума в измерительной системе. Дифференциальные пробники должны выбираться с минимальным затуханием сигнала, а также иметь минимально необходимую для измерения полосу пропускания. Сами измерения следует проводить используя на щупах минимальный коэффициент усиления. Чтобы уменьшить шум измерительной системы, также необходимо ограничить, до допустимых пределов, полосу пропускания осциллографа.

    Также необходимо учитывать наличие у щупа емкости, а также собственного сопротивления. Они оказывают значительное влияние на работу измерительной системы осциллографа. В первую очередь это связано с тем, что сопротивление измерительного резистора очень мало.

    

    Щуп G3100 к осциллографу с делителем 1:100 (100 МГц, 2,5 кВ).

    При отсутствии встроенного шунта, последовательно нагрузке, необходимо самостоятельно установить резистор. К выбору токоизмерительного шунта необходимо подходить тщательно.

    Причина этого в том, что слишком низкое сопротивление резистора даст малое значение падения напряжения, которое сложно будет зарегистрировать. Слишком большое сопротивление даст хорошее качество сигнала, но на шунте будет слишком большая рассеиваемая мощность, что окажет значительное влияние на работу самой схемы.

    Также необходимо помнить, что существует ряд факторов, значительно влияющих на форму получаемого с шунта сигнала. И это:

    • индуктивное сопротивление, привносимое токочувствительным шунтом в общую схему;
    • образование RC-фильтра входной емкостью дифференциального пробника и измерительным резистором.

    При самостоятельном добавлении измерительного резистора постарайтесь включить его в цепь как можно ближе к земле, чтобы свести к минимуму синфазные сигналы, возникающие на резисторе. В первую очередь из-за того, что они способны привнести дополнительные помехи в измерительную систему.

    Учитывайте также, что с повышением исследуемой частоты характеристика подавления синфазных сигналов ослабевает. Это также ведет к снижению точности измерений при регистрации высокочастотных токов. В такой ситуации необходимо использовать активные пробники.

    Способ 2. Использование токоизмерительного пробника

    Протекающий по проводнику электрический ток создает вокруг него электромагнитное поле.

    Чтобы измерить его силу и в последующем зарегистрировать полученный сигнал при помощи осциллографа, необходимо преобразовать энергию электромагнитного поля в электрический ток и напряжение. Для осуществления этого используют специальные датчики – токоизмерительные пробники.

    Использование токоизмерительных пробников позволяет не только визуализировать сигнал, но также выполнить анализ его текущей формы. А при наличии функции математических вычислений, встроенной в осциллограф, можно определять у регистрируемого сигнала: мгновенные значения, полную и активную составляющие, смещение фазы, а также некоторые другие характеристики.

    В настоящее время в осциллографии применяют два вида дифференциальных пробников:

    • переменного тока (AC);
    • переменного и постоянного тока (AC/DC).

    AC пробники

    Для измерения переменного тока в обоих видах устройств используют принцип работы трансформатора. Где основным условием для его реализации является протекание переменного сигнала по проводнику. Изменение импульса сопровождается колебанием с определенной частотой амплитуды напряжения, а также сменой полярности. Эти изменения вызывают появление, исчезновение, а также смену направления вектора электромагнитного поля, образующегося вокруг проводника.

    При размещении чувствительной электромагнитной катушки, в этом переменном электромагнитном поле, в ней появляется электрический ток. Данное явление называется электромагнитной индукцией, а сам ток считается наведенным или индуцированным.

    

    Принцип действия электромагнитной индукции.

    Индуцированный в катушке сигнал имеет ту же форму и характеристики, что и исходный, протекающий в проводнике. Отличается он только меньшей амплитудой. Подученный таким образом сигнал, можно визуализировать, а также подвергнуть необходимому анализу на осциллографе.

    Самые простые AC пробники – это пассивные катушки, намотанные на сердечник из ферромагнитного материала. Сами катушки изготавливают с высокой точностью, с выверенными размерами и характеристиками.

    Ряд устройств выполняются на сердечниках тороидальной формы. При их использовании нужно продеть проводник с исследуемым сигналом через катушку. Однако чаще, токоизмерительные пробники, конструируются разъемными. Их конструкция позволяет свободно открывать и закрывать замкнутый сердечник для свободного размещения внутрь проводника. Такая конструкция позволяет проводить измерения без необходимости разрыва тестируемой цепи.

    Токовые пробники с разъемным сердечником обладают хорошей чувствительностью и работают без внешнего источника питания. К их недостаткам можно отнести высокую механическую жесткость, а также часто небольшую апертуру. Эти факторы ограничивают их применимость.

    

    Токовый пробник LOTO AC100A.

    Для исследования переменного тока могут использоваться устройства, основанные на конструкции катушки (петли) Роговского. Устройства такого типа считаются альтернативой классическим токоизмерительным пробникам имеющих разъемный магнитопровод. Конструктивно они имеют высокую механическую гибкость за счет отсутствия твердого магнитопровода, коим выступает воздух. Это свойство позволяет раскрыть катушку на необходимую ширину и намотать ее на вывод исследуемого компонента или сигнальный провод.

    У катушек, имеющих ферромагнитный сердечник, при работе возникает магнитное насыщение. Значительно это проявляется при высоких уровнях тока, что приводит к искажению индуцированного сигнала. Однако, поскольку сердечник у петли Роговского не обладает магнитными свойствами, то это явление у него отсутствует. Следовательно, катушки Роговского обладают высокой достоверностью принимаемого сигнала независимо от уровня протекающего тока.

    Однако отсутствие ферромагнитного сердечника и общая пассивная конструкция катушки дают невысокую чувствительность. Поэтому для усиления принимаемого с катушки сигнала им необходимы активные усилители, требующие дополнительный источник питания.

    AC/DC пробники

    Для исследования большинства преобразователей энергии требуются универсальные устройства, способные зарегистрировать переменный, а также постоянный импульсы.

    Универсальные AC/DC пробники, для измерения переменного тока, используют встроенный воздушный трансформатор. Для измерения же постоянного тока задействован специальный датчик, работающий на эффекте Холла. Для обеспечения работы датчика Холла требуется электронная схема, а также дополнительный источник электропитания. Из-за этой особенности такие пробники называют активными.

    В качестве питания может использоваться источник, интегрированный в конструкцию осциллографа или другой, внешний. Это может быть батарея, аккумулятор или блок питания. Также существуют модели, использующие питание от USB.

    Активные пробники более требовательны к настройке. Плохая калибровка или же её отсутствие – ведет к появлению значительных временных и амплитудных расхождений регистрируемых сигналов.

    

    Токовый пробник для осциллографа PINTECH PT710-D.

    Выводы и заключение

    Для достижения максимальной точности измерения, нужно подобрать подходящий способ измерения, а также использовать соответствующую технику. Все рассмотренные нами методы измерения имеет как свои преимущества, так и недостатки.

    При использовании первого метода измерения достаточно шунтирующего резистора, а также классических измерительных щупов, поставляемых в комплекте с большинством осциллографов. При необходимости их можно приобрести отдельно. Например, такие:

    • Щуп к осциллографу с делителем P6020 (1:10, 20МГц);
    • Щуп к осциллографу с делителем Hantek T3100 (1:100, 100МГц);
    • Щуп к осциллографу с делителем Р2200 (1:10, 200МГц).

    Для второго метода измерения могут применяться как пассивные, так и активные устройства. К преимуществам пассивных можно отнести: отсутствие дополнительного питания, простота конструкции и низкая цена. Однако при этом у них низкая полоса пропускания и чувствительность. Например, модель LOTO AC100A имеет полосу пропускания в диапазоне от 50 Гц до 150 кГц.

    Активные же устройства, напротив, имеют высокую чувствительность, большую полосу пропускания (от 500МГц и выше) и способны измерять не только переменные, но также и постоянные сигналы. Однако активные модели требуют дополнительный источник питания.

    Среди активных моделей пробников можно выделить следующие:

    • Дифференциальный пробник Micsig DP10013;
    • Дифференциальный пробник с гальванической развязкой Hantek HT8100;
    • Токовый пробник AC/DC Micsig CP2100A.

    
    

    источники:

    https://www.ruselectronic.com/tsifrovoj-ostsillograf/

    https://profazu.ru/provodka/instruments/kak-polzovatsya-ostsillografom.html

    https://supereyes.ru/articles/oscillograph/kak-izmerit-tok-ostsillografom-gayd-ot-superays/