Зачем нужен осциллограф? Электронный осциллограф - это прибор для наблюдения и измерения переменных электрических сигналов. Он позволяет визуализировать форму сигнала и его параметры, такие как амплитуда, частота, фаза.
Устройство осциллографа
Основными функциональными узлами осциллографа являются:
- Входные цепи для подачи исследуемого сигнала.
- Генератор развертки для создания опорного напряжения.
- Усилители сигналов по вертикали и горизонтали.
- Электронно-лучевая трубка для отображения сигнала.
- Блок питания.
Входные цепи обеспечивают согласование исследуемого сигнала с входными цепями осциллографа. Для этого используются специальные щупы. Генератор развертки формирует опорное напряжение для отклонения электронного луча в горизонтальной плоскости. Усилители усиливают сигналы по горизонтали и вертикали для получения достаточной амплитуды отклонения луча. Электронно-лучевая трубка преобразует электрический сигнал в видимое изображение.
Принцип работы
Принцип работы осциллографа основан на отклонении электронного луча электрическими полями, создаваемыми исследуемым сигналом и опорным напряжением. Исследуемый сигнал подается на вертикальные пластины отклонения, а опорное напряжение - на горизонтальные. В результате на экране электронно-лучевой трубки получается график зависимости амплитуды сигнала от времени.
Для измерения параметров сигнала используется калиброванная сетка на экране осциллографа. По горизонтали откладывается время, по вертикали - амплитуда. С помощью органов управления можно менять масштабы по осям, сдвигать изображение, измерять амплитуду и частоту.
Назначение осциллографа
Осциллографы широко используются для:
- Исследования формы сигналов в различных электрических цепях и электронных устройствах.
- Измерения амплитуды, частоты, фазы, длительности импульсов.
- Анализа спектра сигналов.
- Определения характеристик электрорадиоэлементов.
- Обнаружения дефектов и неисправностей.
Осциллографы применяются при наладке и ремонте радиоэлектронной аппаратуры, в лабораторных исследованиях, контрольно-измерительных приборах. Существуют универсальные и специализированные осциллографы для решения конкретных задач.
Типы осциллографов
По конструктивному исполнению различают:
- Настольные осциллографы для стационарного использования в лабораториях.
- Портативные осциллографы для работы в полевых условиях.
- Встраиваемые осциллографы как часть измерительной аппаратуры.
- Цифровые USB-осциллографы для подключения к компьютеру.
По числу каналов различают одно- и многоканальные осциллографы. По частотному диапазону - низкочастотные, высокочастотные, широкополосные.
Выбор осциллографа
При выборе осциллографа следует определить:
- Требуемое число каналов.
- Максимальную частоту сигналов.
- Необходимые функции и режимы работы.
- Точность измерений.
- Условия эксплуатации.
- Наличие дополнительных опций и интерфейсов.
Следует выбирать оптимальную модель, удовлетворяющую задачам исследования сигналов, но не имеющую избыточных функций. Это позволит сэкономить средства при обеспечении всех необходимых возможностей измерений.
Применение осциллографов
Осциллографы широко применяются в радиоэлектронике для исследования и измерения параметров электрических сигналов. Например, осциллограф используется для:
- Измерения амплитуды и частоты синусоидальных сигналов.
- Определения формы импульсных и нелинейных сигналов.
- Анализа модулированных сигналов.
- Исследования характеристик усилителей и генераторов.
- Поиска неисправностей в схемах.
Для подключения к источнику сигнала используют специальный щуп. Он служит для согласования выходного сопротивления источника с входным сопротивлением осциллографа. Для расширения возможностей к осциллографу подключают дополнительные устройства, например генераторы сигналов. Такие устройства называют приставками.
Цифровые осциллографы
Современные осциллографы часто выполняются в цифровом виде. Цифровой осциллограф преобразует сигнал в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя. Это позволяет обрабатывать сигналы с помощью микропроцессора и компьютера.
Преимущества цифровых осциллографов:
- Высокая точность измерений.
- Хранение данных в памяти для дальнейшего анализа.
- Автоматические измерения параметров сигнала.
- Расширенные функции математической обработки.
Осциллографы компании Hantek
Компания Hantek производит различные модели осциллографов - от недорогих портативных до многоканальных высококлассных. Осциллографы Hantek отличаются хорошим соотношением цены и качества.
Например, модель Hantek DSO5202P - это двухканальный цифровой осциллограф со встроенным генератором сигналов. Он имеет полосу пропускания 200 МГц, частоту дискретизации 1 Гвыб/с, глубину памяти 2 Мвыб и цветной ЖК-дисплей.
Безопасное использование
При работе с осциллографом необходимо соблюдать правила техники безопасности, чтобы избежать поражения электрическим током и повреждения прибора:
- Использовать заземление и зануление.
- Не подавать на вход напряжение выше допустимого.
- Быть осторожным при работе с высоким напряжением.
- Регулярно проверять изоляцию щупов.
Соблюдение правил техники безопасности позволит безопасно и эффективно использовать все возможности осциллографа.
Выводы
Осциллограф - незаменимый прибор для исследования и измерения параметров электрических сигналов. Правильный выбор модели осциллографа в соответствии с поставленными задачами позволяет эффективно использовать его возможности. Современные цифровые осциллографы значительно расширяют функционал за счет цифровой обработки сигналов и интерфейсов с компьютером.
Калибровка осциллографа
Для получения точных результатов измерений осциллограф необходимо периодически калибровать. Калибровка нужна для настройки внутренних параметров прибора в соответствии с эталонными значениями.
Процедура калибровки включает:
- Проверку и корректировку синхронизации.
- Юстировку развертки по горизонтали и вертикали.
- Калибровку амплитудных и временных масштабов.
- Настройку фазы и отклонения луча.
Калибровку выполняют с использованием специальных калибраторов осциллографов, формирующих точные эталонные сигналы.
Цифровая фильтрация сигналов
Современные цифровые осциллографы позволяют применять цифровую фильтрацию для улучшения соотношения сигнал/шум и выделения полезных составляющих сигнала.
Применяются такие виды фильтров:
- Фильтры нижних и верхних частот.
- Полосовые и режекторные фильтры.
- Фильтры КИХ и БИХ.
- Усредняющие фильтры.
Цифровая фильтрация позволяет эффективно подавлять помехи и выделять полезный сигнал для дальнейшего анализа.
Поиск неисправностей с осциллографом
Осциллограф является незаменимым инструментом для поиска и диагностики неисправностей в электронных схемах и устройствах.
С помощью осциллографа можно:
- Определить обрыв или короткое замыкание в цепи.
- Обнаружить искажения формы сигнала.
- Найти участок схемы с наводками помех.
- Выявить дефектный блок или элемент.
Для поиска неисправностей используют специальные щупы и методику пошагового контроля сигналов в различных точках схемы.
Цифровые запоминающие осциллографы
Запоминающие осциллографы позволяют сохранять осциллограммы сигналов в памяти для последующего анализа и документирования.
Цифровые запоминающие осциллографы имеют следующие возможности:
- Сохранение больших массивов данных.
- Захват редких и однократных событий.
- Послесвечение для наблюдения быстропротекающих процессов.
- Автоматические измерения на сохраненных сигналах.
Цифровая память позволяет сохранять результаты измерений и передавать осциллограммы в компьютер для обработки.
Автоматизация измерений
Современные осциллографы имеют развитые средства автоматизации измерений и компьютерного управления.
Возможности автоматизации:
- Автоматическая настройка измерений.
- Курсорные и автоматические измерения параметров.
- Математическая обработка сигналов.
- Запуск по сигналам заданной формы.
- Скриптовое программирование сценариев измерений.
Автоматизация повышает скорость и точность измерений, расширяет аналитические возможности осциллографа.
Выбор типа входного сопротивления
Для корректной работы осциллографа нужно правильно выбрать входное сопротивление. Что такое входное сопротивление? Это сопротивление, подключаемое к входным клеммам осциллографа параллельно с исследуемой цепью.
Основные типы входного сопротивления:
- Высокое сопротивление - используется для исследования низкоомных цепей.
- Среднее сопротивление - применяется в высокочастотных цепях.
- Низкое сопротивление - нужно при работе с источниками большой мощности.
Правильный выбор входного сопротивления позволяет избежать искажения формы сигнала и обеспечить точные измерения.
Режимы запуска осциллографа
Запуск осциллографа определяет момент начала развертки для стабильного отображения периодических сигналов. Различают несколько режимов запуска.
Основные режимы:
- Автоматический - синхронизация по первому попавшемуся импульсу.
- Нормальный - синхронизация по заднему фронту импульса.
- По фронту - синхронизация по переднему фронту.
- По видеосигналу - для стандартных видеосигналов.
Правильный выбор режима синхронизации позволяет получить стабильное изображение исследуемого сигнала.
Измерение параметров импульсов
Осциллограф широко используется для исследования импульсных сигналов. Он позволяет измерять такие параметры импульсов:
- Амплитуда импульса.
- Длительность импульса.
- Время нарастания и спада.
- Коэффициент заполнения.
- Задержка между импульсами.
Измерения проводят с использованием курсоров и маркеров. Результаты можно считывать со шкал или дисплея.
Подключение датчиков
К осциллографу можно подключать различные датчики для расширения сферы применения прибора. Что такое датчики? Это устройства, преобразующие физические величины в электрические сигналы.
Типы датчиков:
- Датчики тока и напряжения.
- Датчики температуры.
- Датчики давления, силы, вибрации.
- Оптические и радиационные датчики.
Подключение датчиков расширяет возможности осциллографа для исследований в физике, химии, биологии.
Синхронизация по сигналу с датчика
При подключении датчиков к осциллографу можно использовать их сигнал для синхронизации развертки. Это позволяет устранить дрейф изображения.
Например, синхронизация:
- По сигналу фотодиода в оптоэлектронных экспериментах.
- По выходу датчика оборотов в исследовании двигателей.
- По сигналу электрокардиограммы.
Такая синхронизация обеспечивает устойчивое отображение сигналов от датчиков.
Регистрация однократных процессов
Осциллографы с цифровой памятью позволяют регистрировать однократные или редко возникающие процессы.
Например, можно записать:
- Переходные процессы при включении.
- Импульсные помехи от искрения контактов.
- Случайные выбросы напряжения.
Такая регистрация нужна для дальнейшего анализа редких событий с помощью курсорных измерений.
Исследование формы сигнала
Одна из основных задач осциллографа - исследование формы электрических сигналов. Можно определить:
- Тип сигнала - синусоидальный, прямоугольный и т.д.
- Наличие искажений формы.
- Параметры импульсов, гармоник.
- Модуляцию сигнала.
Для этого используют развертки разных скоростей и режимы запуска, позволяющие "заморозить" сигнал на экране.
Определение частотных характеристик
Осциллограф применяют для определения частотных характеристик различных цепей и устройств.
Можно построить:
- Амплитудно-частотную характеристику усилителя.
- Фазо-частотную характеристику генератора.
- Частотную характеристику фильтра.
Для этого подают на вход тестируемой цепи сигналы с разными частотами и анализируют выходной сигнал.
Использование математических функций
Современные осциллографы имеют математические функции для обработки сигналов. Это позволяет расширить аналитические возможности прибора.
Доступные математические операции:
- Сложение, вычитание сигналов.
- Умножение, деление сигналов.
- Интегрирование, дифференцирование.
- Быстрое преобразование Фурье.
Математическая обработка нужна, например, для выделения полезного сигнала на фоне помех.
Работа с двумя осциллографами
Для расширения возможностей измерений используют комплекс из двух осциллографов.
Это позволяет:
- Одновременно контролировать два сигнала.
- Проводить измерения методом сравнения.
- Исследовать фазовый сдвиг между сигналами.
Два осциллографа удобно использовать для анализа работы стереотрактов и измерения искажений.
Диагностика импульсных источников питания
Осциллограф широко применяют для диагностики импульсных источников питания.
Проверяют:
- Форму импульсов напряжения.
- Величину пульсаций выходного напряжения.
- Стабильность частоты и скважности.
Это позволяет выявить дефекты импульсных блоков питания на ранней стадии.
Контроль сигналов в разных точках схемы
Для настройки и диагностики электронных устройств важно контролировать сигналы в разных узлах схемы.
Для этого используют:
- Входы осциллографа с гальванической развязкой.
- Дифференциальный и фазовый режимы измерений.
- Синхронный контроль нескольких сигналов.
Такой контроль помогает найти неисправный узел и устранить дефект.
Изучение биологических сигналов
Осциллограф применяют в медицинских и биологических исследованиях для регистрации сигналов организма.
Можно исследовать:
- Сердечную активность (ЭКГ).
- Сигналы мозга (ЭЭГ).
- Мышечную активность (ЭМГ).
Анализ таких сигналов важен для диагностики состояния организма.
Проверка линейности усилителя
Одна из важных характеристик усилителя - линейность, то есть постоянство коэффициента усиления в некотором диапазоне входных сигналов. Для проверки линейности на осциллограф подают синусоидальный сигнал от генератора и измеряют амплитуду выходного сигнала при разных уровнях входного. По полученным данным строят график амплитудной характеристики и определяют линейный участок.
Анализ искажений сигнала
Осциллограф позволяет визуально оценить наличие искажений формы сигнала. Можно обнаружить такие искажения как нелинейные, интермодуляционные, фазовые. Анализируя осциллограмму, определяют тип и причину возникновения искажений. Это нужно для настройки тракта на минимум нелинейных искажений.
Исследование переходных процессов
Осциллограф широко используется для исследования переходных процессов в электрических цепях. Переключая тракт в разные режимы, наблюдают форму переходного процесса, его длительность, характер затухания. Полученные данные позволяют оценить качество переходных процессов в схеме и при необходимости оптимизировать параметры.
Поиск помех в схеме
Одно из применений осциллографа - поиск источников помех в электронной схеме. С помощью щупа проверяют форму сигнала в различных узлах и определяют тот участок, где появляются помехи. Затем выясняют причину возникновения помех и устраняют ее, например, экранированием или фильтрацией сигнала.
Калибровка осциллографического тракта
Для получения достоверных результатов измерений необходима периодическая калибровка осциллографа. Проверяют точность установки коэффициентов отклонения и развертки, линейность развертки, синхронизацию. Калибровку выполняют с помощью специальных калибраторов, формирующих точные сигналы заданных параметров.
Определение фазового сдвига
При исследовании связанных электрических сигналов важно определить фазовый сдвиг между ними. На двухканальном осциллографе сигналы подают на разные входы, добиваются их синхронного отображения, и затем по осциллограмме находят значение фазового сдвига с помощью курсорных измерений.
Анализ модулированных сигналов
Одно из применений осциллографа - анализ модулированных сигналов в системах связи. Осциллограмма позволяет оценить качество модуляции, определить тип модуляции, измерить параметры модулирующего сигнала. Эта информация нужна для настройки и диагностики трактов формирования и детектирования модулированных сигналов.
