Работа с осциллографом для начинающих

Аналоговый осциллограф

Что такое осциллограф

Осциллограф – прибор, используемый для наблюдения формы сигнала напряжения во времени. Выглядеть он может примерно вот так:

Здесь мы видим экран, на котором отображается сигнал. Форма сигнала на осциллографе называется осциллограммой.

Ниже на картинке можно увидеть щуп для осциллографа.

Если у мультиметра щуп состоит из простого провода, то щуп осциллографа состоит кабеля. А в кабеле два провода-щупа, которые в конце разветвляются. Этот кабель способен измерять высокочастотные напряжения без помех. Пипочка посередине – это сигнальный щуп, а экран – это щуп масса или земля. Электронщики по разному его называют, но я привык так. На конце щупа зажим белый крокодильчик – это земля, а сигнальный – с иголочкой.

Подключаем кабель в разъем. На моем осциллографе имеется два разъема. В моем случае осциллограф двухканальный. На некоторых крутых осциллографах можно увидеть даже по 4 и более каналов.

Бывает ситуация, когда надо определить сигнальный провод, для этого берем один из проводов, касаемся пальцем и смотрим на дисплей осциллографа. Если сигнал не исказился – это земля. Если исказился – это сигнальный. На фото ниже пример определения сигнального провода.

Как пользоваться осциллографом

Осциллографом мы можем измерять только форму напряжения, силу тока измерять напрямую не можем! Если только косвенно, используя шунт. Для того, чтобы измерить величину напряжения постоянного тока, нам понадобится источник постоянного напряжения. Это может быть простая батарейка или блок питания. В моем случае – это Блок питания. Для наглядности выставляем 1 Вольт.

Единица измерения осциллографа – сторона квадратика на дисплее. Для того, чтобы измерять в масштабе 1:1, мы ставим щелкунчик по У на 1.

Цепляемся землей на “минус” блока питания, сигнальным на “плюс” блока питания. Видим такую картину:

Линия сдвинулась вверх на 1 квадратик. Это значит, что во времени сигнал с блока питания все время 1 Вольт.

А как же измерить сигналы, которые скажем 100 Вольт? Для этого и придуман щелкунчик по У :-). Оставляем на блоке питания 1 Вольт и щелкаем на риску “2”.

Что это значит? Это значит, что полученный сигнал на дисплее надо умножить на 2.

На осциллограмме мы видим значение по У=0,5. Умножаем это значение на то, которое на риске осциллографа и получаем искомое значение. То есть 2х0,5=1 Вольт.

А вот такой будет сигнал, если мы поставим щелкунчик на 5.

Если же прикладываем щупы наоборот, то ничего страшного не происходит. Например, выставляем 2 Вольта на блоке питания. Земля осциллографа к “плюсу” блока, а сигнальный к “минусу” блока – то есть все подцеплено наоборот. Линия у нас просто ушла вниз, но от этого ничего не меняется. 2 Вольта как есть , так и осталось.

А вот для практики, как я уже говорил, требуется знать форму сигнала. В электронике используются на 90 % периодические сигналы. Это значит, что они повторяются через какой-то промежуток времени. Очень часто нужно узнать период и частоту переменного сигнала. Для этого и используется наш электронно-лучевой приборчик.

Для того, чтобы не спалить осциллограф, я взял трансформатор. Благодаря понижающему трансформатору, на выходе у меня амплитуда напряжения (это значит от нуля и до самого верхнего или нижнего пика) в пределах 1,5 Вольта, а заходит на первичную обмотку напряжение 220 Вольт.

Цепляемся ко вторичной обмотке трансформатора щупами осциллографа и выводим показания на дисплей.

В идеале нам должна доставляться в розетки чистая синусоида. Россия, что же еще сказать))). Ну и ладно. Думаю в ваших дом в розетку идет синусоида почище моей :-).

Период и частота сигнала

В периодическом сигнале нам важны такие параметры, как частота сигнала и его форма. Поэтому, чтобы определить частоту, мы должны знать период. T – период, V – частота. Они взаимосвязаны между собой формулами:

Определим период сигнала. Период – это время, через которое сигнал опять повторяется.

Считаем стороны квадратиков по Х. Я насчитал 4 стороны квадратика.

Далее смотрим на крутилку, по Х, которая у нас отвечает за временную развертку. Риска стоит на 5. Сверху написана цена этого деления – msec/div . То есть получается 5 миллисекунд на одну сторону квадратика.

Милли – это тысяча. Следовательно 0,005 сек. Это значение умножаем на наши сосчитанные стороны квадратов. 0,005х4=0,02. То есть один период у нас длится 0,02 сек или 20 миллисекунд. Зная период, находим по формуле выше частоту сигнала. V= 1/0,02=50 Гц. Частота напряжения в нашей розетке 50 Гц, что и требовалось доказать.

В настоящее время я себе купил уже цифровой осциллограф

Подробнее про цифровой осциллограф вы можете прочитать по этой ссылке.

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:

История

Ондограф Госпиталье

Электрический колебательный процесс изначально фиксировался вручную на бумаге. Первые попытки автоматизировать запись были предприняты Жюлем Франсуа Жубером в 1880 году, который предложил пошаговый полуавтоматический метод регистрации сигнала. Развитием метода Жубера стал полностью автоматический ондограф Госпиталье. В 1885 году русский физик Роберт Колли создал осциллометр, а в 1893 году французский физик Андре Блондель изобрел магнитоэлектрический осциллоскоп с бифилярным подвесом.

Подвижные регистрирующие части первых осциллографов обладали большой инерцией и не позволяли фиксировать быстротечные процессы. Этот недостаток был устранён в 1897 году Уильямом Дадделлом, который создал светолучевой осциллограф, использовав в качестве измерительного элемента небольшое лёгкое зеркальце. Запись производилась на светочувствительную пластину. Вершиной развития этого метода стали в середине XX века многоканальные ленточные осциллографы.

Практически одновременно с Дадделлом Карл Фердинанд Браун использовал для отображения сигнала изобретённый им кинескоп. В 1899 году устройство было доработано Йонатаном Зеннеком, добавившим горизонтальную развертку, что сделало его похожим на современные осциллографы. Кинескоп Брауна в 1930-е годы заменил кинескоп Зворыкина, что сделало устройства на его основе более надёжными.

В конце XX века на смену аналоговым устройствам пришли цифровые. Благодаря развитию электроники и появлению быстрых аналого-цифровых преобразователей, к 1980-м годам они заняли доминирующую позицию среди осциллографов.

Сборка осциллографа из планшета

Для стабилизации сигнала и расширения диапазона входного напряжения можно использовать схему осциллографа для планшета. Она долго и успешно используется для сборки устройств для компьютера.

Для этого применяются стабилитроны КС 119 А с резисторами на 10 и 100 кОм. Первый резистор и стабилитроны подключают параллельно. Второй и более мощный резистор подключается на вход электросхемы. Это расширяет максимальный диапазон напряжений. В конечном счёте пропадают дополнительные помехи и повышается напряжение до 12 вольт.

Нужное программное обеспечение для сборки осциллографа на основе планшета и андроида

Чтобы работать с подобной схемой потребуется программа, которая способна нарисовать графики на основе входящего звукового сигнала. Множество таких вариантов легко найти в «Маркете». С помощью них можно выбрать дополнительную калибровку и добиться максимальной точности для профессионального осциллографа из планшета или другого функционального устройства.

Широкодиапазонная частота с помощью отдельного гаджета

Широкий диапазон частот с помощью отдельного гаджета достигается его приставкой с аналогово-цифровым преобразователем, который обеспечивает передачу сигнала в цифровом варианте. За счёт этого достигается более высокая точность измерений. На практике — это портативный дисплей, который аккумулирует информацию с отдельных устройств.

Часто задаваемые вопросы

Компания Fluke — один из мировых лидеров в производстве цифровых портативных осциллографовВопрос №1. При выборе осциллографа какая полоса пропускания считается оптимальной?

Полоса пропускания прибора должна немного превышать максимальную частоту сигналов, подлежащих измерению. Например: при максимальной частоте сигнала 80 МГц рекомендуется подобрать модель с полосой 100 МГц.

Вопрос №2. Является ли стоимость осциллографа гарантией более высоких его технических показателей?

Не всегда. При выборе следует задуматься в первую очередь о том, нужна ли дорогая модель именно для ваших измерений. Ведь многие технические функции и «навороты» могут просто «простаивать» из-за ненадобности.

Вопрос №3. Прибор больше не может выполнять поставленные задачи в связи с их усложнением. Что делать? Покупать новый?

Некоторые серии осциллографов от известных производителей позволяют увеличить в будущем полосу пропускания, то есть выполнить апгрейд. Для этого не требуется куда-то отвозить прибор, достаточно просто купить цифровой ключ и ввести код в соответствующем меню.

Вопрос №4. Иногда случаются настолько кратковременные аномалии, которые осциллограф не может воспроизвести на экране. Как их обнаружить?

С обнаружением суперкратковременных аномалий отлично справляется функция цифровой подсветки (люминофор), отображающая на экране иным цветом редко происходящие события. Благодаря этому они хорошо видны на экране.

Вопрос №5. Может ли недорогой прибор, исправно работающий в лабораторных условиях, использоваться для решения более серьезных задач для более сложного оборудования?

Вряд ли. Цена все же во многом зависит от технических параметров осциллографа. Для решения более сложных задач придется либо апгрейдить имеющийся прибор (если это возможно), либо приобретать новый. Профессиональные осциллографы не могут стоить дешевле 1500 тысяч долларов.

Радиолюбитель

Простая схема низкочастотного осциллографа, в которой можно использовать любую электронно-лучевую трубку

Доброго дня уважаемые радиолюбители! Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“

В этой статье мы рассмотрим очередную простую радиолюбительскую схему – низкочастотный осциллограф.

Эта радиолюбительская конструкция выполнена по простой и легкой в повторении схеме (единственная сложность – намотка силового трансформатора). Схема осциллографа такова, что в ней можно использовать практически любую осциллографическую электронно-лучевую трубку, которую удастся приобрести.

Канал горизонтального отклонения собран на трех транзисторах VT1-VT3, первые два из них образуют синхронизируемый высоковольтный мультивибратор, а третий – генератор пилообразного напряжения. На коллекторе VT3 образуется пилообразное напряжение, а на коллекторе VT2 импульсы гашения обратного хода луча. Пилообразное напряжение поступает на горизонтальные отклоняющие пластины, а импульсы гашения – на модулятор ЭЛТ. Усилитель вертикального отклонения выполнен на транзисторах VT4, VT5. Резисторы R1-R5 образуют входной делитель и регулятор усиления “Y”. Для работы каскада на коллектор VT5 нужно подать отрицательное напряжение 10 вольт. Каскад сделанный по такой схеме отличается хорошей линейностью и большим коэффициентом усиления. Система питания ЭЛТ обычная, путем подачи отрицательного напряжения около 1200 вольт на катод относительно заземленного второго анода. Резисторы R23 и R24 служат для центровки изображения, они изменяют постоянное напряжение смещения на отклоняющих пластинах.

Детали. Трансформатор питания содержит: сетевая обмотка №5 1000 витков ПЭВ 0,16; высоковольтная обмотка состоит из двух частей №1 3400 витков, №2 1100 витков провода ПЭВ 0,06. Эту обмотку надо делать с особой тщательностью, сначала наматывают слой №2 а затем №1, оба слоя наматываются в одну сторону, между слоями необходимо проложить лакоткань. Выводы этих обмоток надо сделать с разных сторон каркаса. Обмотка №3 выполнена проводом ПЭВ 0,43 и содержит 30 витков. Обмотка №4 – 60 витков ПЭВ 0,16. Вместо диодов КД209 можно использовать любые кремниевые выпрямительные диоды, на обратное напряжение не ниже 400 вольт. Диод VD2 – любой выпрямительный. Стабилитрон КС210Ж – любым другим на напряжение стабилизации 10-11 вольт. Переменные резисторы – СП-2. Переключатель S2 галетный на 11 положений. При желании можно сделать 11 положений переключения развертки подобрав соответствующие конденсаторы (вместо С4-С6), например: 2,2 мкФ; 0,47 мкФ; 0,22 мкФ; 0,1 мкФ; 0,047 мкФ; 4700 р; 2200 р; 1000 р; 470 р; 180 р. Источник питания должен выдавать: на С14 +10 вольт, на С16 +250…270 вольт, на С17 -1000…-1300 вольт. При исправных деталях прибор функционирует сразу, налаживание сводится только к калибровке входного делителя и частоты развертки. Если генератор “пилы” не хочет работать – необходимо подобрать R10.

От автора

Без электронного осциллографа сегодня немыслимо быстро и качественно настроить практически любое устройство — от детекторного приемника до телевизора. Осциллограф — «глаза» радиолюбителя, позволяющие вторгаться в мир электронных процессов радиоконструкций, наблюдать форму сигнала и измерять его такие параметры, как амплитуду и длительность импульсов, скорость их нарастания и спада, амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения, частоту электрических колебаний, напряжения в различных цепях каскадов. Осциллограф не только существенно упростит налаживание конструкций, но и поможет быстрее и лучше усвоить теоретические основы радиотехники, провести немало интересных опытов, экспериментов, разнообразных исследовательских работ.

Конечно, все это станет реальным лишь при хорошем знании устройства осциллографа, овладении методикой работы с ним.

Один из популярных и доступных для приобретения осциллографов сегодня ОМЛ-3М, выпускаемый Саратовским ПО им. С. Орджоникидзе. Он малогабаритен и удобен в работе, его параметры вполне соответствуют многим видам измерений, встречающихся в радиолюбительской практике. Его предшественником был ОМЛ-2М, а еще ранее — ОМЛ-2-76. О методике самых разнообразных измерений с помощью осциллографа этой серии и рассказывается в настоящей брошюре. Хотя, конечно, материал будет полезен и для владельцев других осциллографов.

В одной из последующих брошюр Приложения под таким же названием предполагается рассказать об электронных приставках к осциллографу, значительно расширяющих его возможности.

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:

  1. Первая подключается на вход усилителя, который отклоняет луч в вертикальной плоскости.
  2. 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.

Управление и настройка осциллографа

У подавляющего большинства моделей настройка организована таким образом, что одна группа устанавливает амплитудные режимы, а вторая управляет разверткой.

Самым крупным и заметным органом амплитудной настройки является регулятор масштаба сигнала по оси Y, маркируемый «V/дел». Его функция — установить масштаб таким образом, чтобы изображение соответствовало размеру экрана.

Например, для измерения сигналов амплитудой 30V необходимо установить масштаб 10V на деление, тогда сигнал на экране будет достигать 3 делений. Конструктивно регулировка выполнена в виде вращающейся рукоятки со ступенчатым переключением. Имеется риска, указывающая на значение, выбранное из тех, которые расположены вокруг рукоятки.

Обычно присутствует еще дополнительная рукоятка плавной подстройки, скомпонованная с основной

Второй по важности орган управления — регулятор вертикального сдвига, перемещающий изображение сигнала вверх-вниз по вертикали. Это нужно как для калибровки прибора, так и для более точного измерения амплитуды

Смещение позволяет использовать для измерения весь экран и совмещать сигнал с линиями сетки.

На любом осциллографе также имеется тумблер переключения с прямого входа на емкостной (через конденсатор). Использование последнего позволяет отсечь постоянную составляющую и работать только с переменной составляющей сигнала. Что очень полезно, например, при оценке уровня шумов блока питания.

В группе управления разверткой центральным элементом является переключатель скорости развертки, маркируемый «Время/дел». Конструктивно он аналогичен переключателю масштаба сигнала, с ручками ступенчатого переключения и плавной подстройки. Этим переключателем выставляется значение в ms или µs на деление в соответствии с частотой исследуемого сигнала таким образом, чтобы на экране помещался один или несколько периодов.

Всегда имеется рукоятка горизонтального сдвига луча, маркируемая обычно стрелками вправо-влево. Используя эту рукоятку, можно подвести исследуемый участок под линии сетки для более точного измерения.

Все модели осциллографов имеют возможность вместо внутреннего генератора использовать внешний источник развертки. Именно с его помощью на экране получаются фигуры Лиссажу, по которым можно видеть соотношение частот и фаз двух сисусоид. Вход для внешней развертки маркируется «Вход Х» и располагается в группе управления разверткой.

Отдельную группу составляют настройки синхронизации. В нее входят переключатель «внутренняя-внешняя синхронизация», вход для внешней синхронизации и ручка точной подстройки.

Помимо этого, присутствуют технические органы управления:

  • кнопка включения/выключения прибора;
  • регулировка яркости и фокусировки луча электронно-лучевой трубки;
  • включение подсветки шкалы экрана.

Обзор лучших приборов для радиолюбителей

«Сиглент SDS 1022»

Высокоточный прибор, отображающий все сигналы. Верхняя граница частоты сигнала доходит до 100 Гц. Работает в 3 режимах. Стоимость около 16 тысяч рублей. Погрешность в работе практически отсутствует. Обрабатывает частоту сигнала от 10 до 100 Гц.

Торговая марка «Ригол»

Главный их козырь – высокая производительность, простота в использовании и регулирующаяся чувствительность. Качественный фильтр практически исключает погрешности. Устройство имеет двойной дисплей.

В работе широко используется модель DS1102C. Запускается в фронтальном и наклонном режиме. Прибор двухканальный. Интерфейс простой. Цена – 20 тысяч рублей.

«Тектроникс TDS 3064»

Несмотря на использование для проверки электронных линий, благодаря нему можно проверить функционирование платы. Двухканальный, широкая полоса пропускания. Легко настраиваемый цифровой фильтр. Преимущество модели – 20 автоматических измерений. Благодаря функции хранения и воспроизведения, есть возможность записи данных по кадрам. Встроенные математические функции, автокалибровка, аппаратный частометр и преобразователь «Фурье». Прибор работает с задержкой старта. Компактная модель, приятный дизайн. Цена – 22 000 рублей.

«Тектроникс MSO 4104»

Как и предыдущая модель, обладает широкой полосой пропускания – 100 МГц. На старте, частота дискретизации составляет 1 Гц. Главная особенность модели – встроенный входной импеданс. Прибор двухканальный, объем памяти 1 Мб.

Высокая чувствительность по вертикали, можно запускать по видео и фронту. Может выполнять все математические функции. Данные по измерению прибор позволяет получать автоматически. Модель довольно компактная и легкопереносимая.

Цена осциллографа -около 18 тысяч рублей.

Осциллографы от производителя «Акип»

Главное их преимущество – удобный интерфейс и многофункциональность. По сравнению с предыдущими приборами – полоса пропускания неширокая – около 60 МГц. Стандартный объем памяти (32 000 точек). Прибор поддерживает СР – команды, разрешение экрана – 480 на 234 пикселей. Шестиразрядный аппаратный частотомер.

USB осциллограф обзор лучших моделей

В этой категории лучшими станут Hantek, Instrustar, SainSmart. Это лучшие бюджетные варианты. Подходят для ремонта телевизоров и ноутбуков.

Основываясь на данные характеристики, выбрать нужный осциллограф будет легко.

Что представляет собой осциллограф и его функции

Для тех кто не особо знаком с работой осциллографа и его визуальными видами поясню. Это прибор (в старом варианте типа мини-телевизора, в новом — дизайн планшета и т. п.), который измеряет и отслеживает частотные колебания в электрической сети. На практике он широко используется многими специализирующимися лабораториями и профессиональными радиотелемастерами. Поскольку точные настройки многих электроприборов производятся только с его помощью.

Его показания в электронной или бумажной форме позволяют видеть синусоидальные формы сигнала. Частота и интенсивность этого сигнала, в свою очередь, позволяет определить неисправность или неправильную сборку электросхемы. Сегодня мы рассмотрим двухканальный осциллограф, который можно собрать своими руками на основе действующих схем смартфона, планшета и соответственного программного обеспечения.