В статье будет подробно рассказано о том, как пользоваться осциллографом, что это такое и для каких целей он необходим. Никакая лаборатория не может просуществовать без измерительной аппаратуры или источников сигналов, напряжений и токов. А если вы планируете заниматься проектированием и созданием различных устройств (особенно если речь идет о высокочастотной технике, например, инверторных блоках питания), то без осциллографа сделать что-либо окажется проблематично.
Что такое осциллограф
Это такой прибор, который позволяет «увидеть» напряжение, а если точнее, то его форму в течение определенного промежутка времени. С его помощью можно измерить немало параметров – напряжение, частоту, силу тока, углы сдвигов фаз. Но чем хорош особенно этот прибор, так это тем, что он позволяет визуально оценить форму сигнала. Ведь в большинстве случаев именно она говорит о том, что конкретно происходит в цепи, в которой проводится измерение.
В некоторых случаях, например, напряжение может содержать не только постоянную, но и переменную составляющую. И форма второй может быть далека от идеальной синусоиды. Такой сигнал вольтметры, например, воспринимают с большими погрешностями. Стрелочные приборы будут выдавать одно значение, цифровые - намного меньшее, а вольтметры постоянного тока в - несколько раз больше. Самое точное измерение получается провести именно при помощи описываемого в статье прибора. И не имеет значения, применяется ли осциллограф Н3013 (как пользоваться, рассмотрено ниже) либо иной модели. Измерения происходят одинаково.
Особенности прибора
Цифровые осциллографы могут не только показывать в режиме реального времени форму сигнала, но и сохранять все данные, которые впоследствии можно будет прочитать на персональных компьютерах. По осциллограмме, изображенной на рисунке выше, можно определить некоторые особенности сигналов:
- Характер сигнала импульсный.
- Отрицательных значений не имеет входящий сигнал.
- Происходит очень быстрое изменение значений от 0 до максимума и обратно.
- Длительность импульса выше длительности паузы более чем в три раза.
Как правило, при помощи осциллографа проводятся исследования периодических сигналов. Именно о них и пойдет речь в статье.
Как он функционирует
Сердце всех осциллографов – электронно-лучевая трубка. Это, можно сказать, радиолампа, следовательно, внутри находится вакуум. На катоде происходит излучение электронов. При помощи фокусирующей системы производится формирование тонкого луча из этих электронов. Внутренняя часть экрана покрыта ровным слоем люминофора. Он при воздействии электронов начинает светиться. Глядя снаружи на экран, можно видеть посредине светлую точку.
В электронно-лучевой трубке имеется две пары пластинок, которые направляют электронный луч в нужную сторону. Причем его отклонение происходит в перпендикулярных (взаимно) направлениях. Если говорить проще, то получается две координатные системы. Чтобы наблюдать за напряжением на экране трубки, нужно:
- По горизонтали луч следует отклонять таким образом, чтобы значение отклонения было прямо пропорционально времени.
- В вертикальной плоскости необходимо, чтобы значение отклонения было пропорционально тому напряжению, исследование которого проходит.
Развертка
Напряжение развертки необходимо подавать на те пластины, которые расположены в вертикальной плоскости. Оно пилообразной формы, медленно нарастает линейно, и у него очень быстрый спад. При этом положительное напряжение приводит к тому, что луч отклоняется вправо. А отрицательное – к тому, что луч движется влево. Это в том случае, если наблюдатель находится перед экраном, и можно видеть, как луч совершает движение слева направо. При этом скорость его постоянна. После достижения крайней правой границы он быстро идет на исходную. Затем заново повторяется движение.
В данной статье будет максимально подробно рассказано о том, как правильно пользоваться осциллографом. Вышеизложенный процесс и носит название «развертка». Линия развертки – это линия (горизонтальная), прочерчиваемая лучом на экране. Когда проводятся измерения, ее называют линией нуля. Она же является осью времени на графике. Частота развертки – это не что иное, как частота, с которой происходит повторение импульсов пилообразной формы. В процессе измерений она не применяется. Важные параметры для измерений – это скорость.
Как подключить импортный осциллограф
Напряжение мерить нужно в двух точках, значит, вход осциллографа – это две клеммы. Обратите внимание на то, что функции у каждой из клемм разные:
- Первая подключается на вход усилителя, который отклоняет луч в вертикальной плоскости.
- Вторая клемма – это общий провод (земля, минус, корпус). Имеет электрическую связь непосредственно с корпусом прибора.
Отсюда вывод можно сделать о том, что при помощи осциллографа измеряется фазовое напряжение относительно земли. Причем необходимо знать, какой из входов - фаза. В приборах зарубежного производства применяются специальной конструкции щупы. В них общий провод сделан в виде зажима типа «крокодил». Наиболее разумное решение, так как именно этот провод чаще всего соединяется с металлическим корпусом устройства, на котором проходят измерения. А вот фаза выполняется в виде иглы. С ее помощью можно без труда ткнуть в любое место печатного монтажа, даже в одинокую ножку микропроцессора.
Как подключить отечественный осциллограф
В России иные стандарты, поэтому на приборах отечественного производства все по-другому. Чаще всего используются штекеры диаметром 4 мм. Причем они одинаковые, приходится выяснять некоторые признаки, чтобы не спутать подключение:
- Минусовой вывод, как правило, имеет большую длину.
- Черный или коричневый цвет характерен для земляного провода.
- На земляном штекере нанесены УГО «заземление» или «общий провод».
Но такое можно не всегда встретить, так как кабели часто подвергаются ремонту, во время которого на провод устанавливают штекер, имеющийся в наличии. С вероятностью 100% можно определить, какой провод нулевой, а какой - фазовый, одним способом. Сначала коснитесь рукой одного штекера, затем - другого. И это не зависит от модели, неважно, это осциллограф С1-118А (как пользоваться приборами, рассказано будет ниже) или какой-либо другой.
В том случае, если вы будете держать в руке минусовой провод, на экране устройства можно наблюдать ровную горизонтальную линию. А если дотронетесь до фазового провода, то на экране появится искаженная синусоида с огромным количеством помех. Последние наблюдаются по причине того, что имеется некоторая емкость между проводами бытовой электросети в комнате и вашим телом (пространство в помещении – это диэлектрик).
Дальнейшие действия
Когда фаза и минус определены, можно проводить измерения. В том случае, если вы не можете визуально определить общий для всех элементов провод, необходимо подключаться к точкам, между которыми нужно измерить напряжение. Но чаще всего в цепи имеется общий провод, он может даже быть соединен с заземлением. Таким же образом подготавливается и осциллограф ОМШ-2М. Как пользоваться им для измерения величин, будет рассказано ниже. В этом случае земляной провод осциллографа необходимо соединять с ним.
По сути, осциллограф – это вольтметр, который показывает график изменения напряжения на определенном участке времени. Но он позволяет увидеть и форму электрического тока. Для осуществления этого нужно подключить специальное токовое сопротивление. Причем значение его должно быть меньше, нежели полное сопротивление самой цепи. В этом случае резистор не сможет оказывать влияние на работу цепи.
Двухканальный осциллограф
Еще его называют двухлучевым, он обладает одной особенностью – может выдавать на экране сигналы из двух различных источников одновременно. У него есть два канала, которые обозначаются римскими цифрами. Обратите внимание на то, что в обоих каналах минусовые клеммы соединены электрически с корпусом. Поэтому при проведении измерений не допускайте подключения этих проводов к различным участкам цепи. Вот как пользоваться осциллографом С1-68, например, для измерений тока и напряжения одновременно.
Кроме того, есть риск получить неверные сведения, так как цепь кардинально изменяется из-за этого короткого замыкания. Недостаток – это невозможность наблюдения за двумя различными напряжениями. Но он не очень существенный, так как в большинстве приборов один из полюсов (как правило, минусовой вывод источника питания) соединен с корпусом, и он общий. Следовательно, измерения всех напряжений происходят относительно этого общего провода.
Возможности двухканального прибора
Воспользовавшись двухканальным осциллографом, вы получаете возможность контролировать ток и напряжение в цепи одновременно. Следовательно, без труда проводите замер сдвига фаз между напряжением и током. Один канал должен измерять ток, а второй - напряжение в исследуемой цепи. Для измерения тока, как вы помните, необходимо включить в схему некоторый резистор с определенным сопротивлением. Так как пользоваться осциллографом С1-94 и аналогами довольно сложно, нужно держать под рукой рекомендуемые схемы подключений для измерения того или иного параметра.
Стоит обращать внимание на конструкцию осциллографов – она немного несимметричная. Другими словами, синхронизация первого канала намного качественнее и стабильнее, нежели второго. Следовательно, нужно подключать выводы первого канала для измерения напряжения, а не тока. Это позволит получить более стабильное отображение осциллограммы на экране прибора. Никогда не подключайте минусовые клеммы двух каналов к разным точкам цепи! Всегда соединяйте их вместе.
Органы управления
На передней панели прибора имеется несколько рукояток, которые необходимы для проведения точной настройки осциллографа. Два потенциометра - для управления каналами 1 и 2. Также имеется функция управления синхронизацией, разверткой, присутствует возможность регулировки фокусировки, яркости, подсветки. Если присмотреться к экрану, то можно увидеть, что он разбит на небольшие квадраты - деления. Ими необходимо пользоваться при проведении измерений. Именно к этим квадратам следует привязывать масштабы по горизонтали и вертикали. Такие особенности имеет осциллограф С1-67. Как пользоваться приборами такого типа для измерений величин, будет рассказано ниже.
Обратите внимание, что по горизонтали масштаб измеряется в секундах на деление. А по вертикали - в вольтах на деление. Как правило, в осциллографе имеется примерно 6-10 квадратов в горизонтальной плоскости и 4-8 - в вертикальной. На центровые линии нанесены риски, они делят каждый отрезок на 10 частей (равных) или на 5. Благодаря этим делениям можно производить более точные расчеты.
Режим входа
На передней панели имеется специальный переключатель, который переводит прибор в различные состояния. Обозначается символом - сверху прямая черта, ниже нее -волнистая. При переводе в верхнее положение на вход может поступать как переменное, так и постоянное напряжение. Вход открытый считается для постоянного тока. При переключении в нижнее положение допустима подача на вход только переменного напряжения. Благодаря этому появляется возможность проводить замеры очень маленького переменного напряжения (по отношению к очень большим значениям постоянного). Актуально для проведения измерений в усилительных каскадах.
Реализовать это довольно просто – необходимо ко входу усилителя подключить конденсатор. В данном случае вход закрыт. Обратите внимание на то, что в этом режиме измерения НЧ-сигналы с частотой менее 5 Гц ослабевают. Следовательно, измерять их можно лишь в режиме открытого входа.
Когда переключатель установлен в среднее положение, то от разъема входа отключается усилитель, и происходит замыкание на корпус. Благодаря этому имеется возможность установить развертку. Так как пользоваться осциллографом С1-49 и аналогами без знания основных органов управления невозможно, стоит о них более подробно поговорить.
Вход канала осциллографа
На передней панели имеется масштаб в вертикальной плоскости – он определяется при помощи регулятора чувствительности того канала, по которому происходит измерение. Существует возможность сменить масштаб не плавно, а ступенчато, при помощи переключателя. Какие задать значения можно с его помощью, смотрите на корпусе рядом с ним. На одной оси с этим переключателем находится регулятор для плавной корректировки (вот как пользоваться осциллографом С1-73 и аналогичными моделями).
На передней панели можно найти ручку с изображением двунаправленной стрелки. Если вращать ее, то график этого канала начнет перемещаться в вертикальной плоскости (вниз-вверх). Обратите внимание на то, что возле этой ручки имеется графическое обозначение, которое показывает, в какую сторону необходимо ее вращать, чтобы изменить значение множителя в меньшую или большую сторону. Органы управления обоих каналов одинаковые. Кроме того, на передней панели имеются ручки регулировки контрастности, яркости, синхронизации. Стоит отметить, что цифровой карманный осциллограф (как пользоваться девайсом, мы рассматриваем) также имеет ряд настроек отображения графиков.
Как проводятся измерения
Продолжаем описывать, как пользоваться цифровым осциллографом или аналоговым. Важно отметить, что у них у всех есть недостаток. Стоит упомянуть одну особенность – все измерения осуществляются визуально, поэтому имеется риск того, что погрешность окажется высокой. Также следует учитывать тот факт, что напряжения развертки обладают крайне малой линейностью, что приводит к погрешности измерений сдвига фаз или частоты примерно на 5%. Чтобы минимизировать эти погрешности, требуется выполнить одно простое условие – график должен занимать примерно 90% площади экрана. Когда проводятся измерения частоты и напряжения (имеется временной интервал), следует регуляторы корректировки усиления сигнала на входе и скорости развертки выставить в крайние правые положения. Стоит заметить одну особенность: так как пользоваться цифровым осциллографом может даже новичок, приборы с электронно-лучевой трубкой потеряли актуальность.
Как измерить напряжение
Чтобы провести измерение напряжения, необходимо использовать значения масштаба в вертикальной плоскости. Для начала нужно выполнить одно из этих действий:
- Соединить обе входные клеммы осциллографа между собой.
- Перевести переключатель режимов входа в положение, которое соответствует соединению с общим проводом. Затем регулятором, возле которого изображена двунаправленная стрелка, добиться того, чтобы линия развертки совпала с центральной (горизонтальной) чертой на экране.
Переводите прибор в режим измерений и подаете на вход сигнал, который необходимо исследовать. При этом в какое-либо рабочее положение устанавливается переключатель режимов. А вот как пользоваться портативным цифровым осциллографом? Немного сложнее - у таких приборов намного больше регулировок.
В результате можно видеть на экране некоторый график. Для точного измерения высоты следует использовать ручку с изображением горизонтальной двунаправленной стрелки. Добиваетесь того, чтобы верхняя точка графика попадала на вертикальную линию, расположенную в центре. На ней имеется градуировка, поэтому будет намного проще произвести расчет действующего напряжения в цепи.
Как измерить частоту
При помощи осциллографа можно провести измерения временных интервалов, в частности, периода сигнала. Вы понимаете, что частота любого сигнала всегда пропорциональна периоду. Измерение периода можно провести в любой области осциллограммы. Но удобнее и точнее провести замер в тех точках, в которых график пересекается с горизонтальной осью. Следовательно, перед началом измерений обязательно установите развертку четко на горизонтальную линию, расположенную по центру. Так как пользоваться портативным цифровым осциллографом намного проще, нежели аналоговым, последние давно канули в лету и редко используются для измерений.
Далее, используя рукоятку, обозначенную горизонтальной двунаправленной стрелкой, необходимо сместить начало периода с крайней левой линией на экране. После вычисления периода сигнала можно, используя простую формулу, рассчитать частоту. Для этого нужно единицу разделить на вычисленный ранее период. Точность измерений бывает различной. Чтобы увеличить ее, необходимо как можно сильнее растягивать график по горизонтали.
Обратите внимание на одну закономерность: при увеличении периода уменьшается частота (пропорция ведь обратная). И наоборот – при уменьшении периода происходит увеличение частоты. Низкое значение погрешности – это когда она составляет менее 1 процента. Но такую высокую точность не каждый осциллограф способен обеспечить. Только на цифровых, в которых линейная развертка, можно получить такие точные измерения.
Как определяется сдвиг фаз
А теперь о том, как пользоваться осциллографом С1-112А для измерения сдвига фаз. Но для начала – определение. Сдвиг фаз – это характеристика, показывающая, как располагаются относительно друг друга два процесса (колебательных) в течение некоторого времени. Причем измерение происходит не в секундах, а в частях периода. Другими словами, единица измерения – это единицы угла. Если сигналы будут одинаково располагаться взаимно, то у них сдвиг фаз будет также одинаков. Причем это не зависит от частоты и периода – реальный масштаб графиков на горизонтальной (временной) оси может быть любым.
Максимальная точность измерения будет в том случае, если растянуть график на всю длину экрана. В аналоговых осциллографах график сигнала для каждого канала будет иметь одну яркость и цвет. Чтобы отличить эти графики друг от друга, необходимо сделать для каждого свою амплитуду. И напряжение, которое подается на первый канал, важно делать максимально большим. При этом получится намного лучше удерживать синхронизацией изображение на экране. Вот как пользоваться осциллографом С1-112А. Другие приборы отличаются в эксплуатации незначительно.
