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
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.
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.
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.
Особенности внутреннего устройства
Несмотря на сложное внутреннее оснащение на базе ЭЛТ, прибор с дисплеем может состоять из нескольких составляющих. К ним относятся:
- Входной стандартный усилитель для наблюдаемых сигналов, чей выход подключается напрямую к пластинам вертикального отклонения.
- Электронно-лучевая осциллографическая трубка. Широко используется в ряде близких по назначению измерительных приборов.
- Далее идёт блок горизонтальной развёртки. Однократный тип или периодический сигнал преобразуется в пилообразную форму. Он направляется к пластинам с горизонтальным типом отклонения ЭЛТ. Помимо этого, в период спадающей фазы создаётся импульс гашения электронных лучей, подаваемый на модуляторы ЭЛТ.
- К вспомогательным или дополнительным частям устройства осциллографа относят калибратор длительности, возможной амплитуды и блок управления яркости.
Экран «А» позволяет чётко отобразить графики каждого поступающего входного сигнала. Цифровые аналоги выводят на цветной или специфический монохромный дисплей желаемое изображение как полностью готовую картинку. Остальные модели используют электронно-лучевую трубку, оснащённую показателями электростатического отклонения. Для таких экранов характерна нанесённая в виде координатной сетки разметка, миссия которой — показывать точное местоположение данных.
Выделяют два базовых типа развёртки: ждущий и автоколебательный, или автоматический. Реже можно встретить модели с дополнительным однократным режимом. Каждый вид имеет свои специфические черты:
Однократный запуск. Характерный механизм запуска — внешнее воздействие. Так, нажатие кнопки и дальнейшее ожидание запуска сходны со ждущим режимом. После запуска развёртывание производится однократно. Повторная развёртка требует ещё одного запуска. Подобная система работы комфортна для изучения функционирования процессов непериодического типа. Недостатком является однократный пробег светящегося пятна по дисплею. Яркость картинки недостаточна, что серьёзно затрудняет процесс наблюдения при быстрой развёртке.
Ждущий режим. Недостаточный уровень или отсутствие сигнала вызывает отсутствие развёртки и дальнейшее угасание экрана. Запуск возможен только при достижении сигналами определённого заданного оператором уровня. Возможна настройка запуска как по падающему, так и по нарастающему сигнальному фронту
Важно отметить, что при изучении непериодических типов импульсных процессов такая система гарантирует зрительную неподвижность картинки на экране. Зачастую развёртывание запускается синхронным, несколько опережающим процесс наблюдения сигналом.
Автоматическое развёртывание. В этом случае генератор функционирует в автоколебательном типе режима
Благодаря этому даже при отсутствии сигнала в момент окончания цикла произойдёт очередной момент её запуска. Это делает возможным наблюдение изображения на экране даже в ситуации подачи на входе вертикального типа отклонения постоянного напряжения или отсутствия сигнала. Подобный режим характеризуется особым захватом частоты генератора развёртывания наблюдаемым сигналом. Важно, что частота генераторов при этом в целое количество раз меньше частоты исследуемых сигналов.
В этом случае генератор функционирует в автоколебательном типе режима. Благодаря этому даже при отсутствии сигнала в момент окончания цикла произойдёт очередной момент её запуска. Это делает возможным наблюдение изображения на экране даже в ситуации подачи на входе вертикального типа отклонения постоянного напряжения или отсутствия сигнала. Подобный режим характеризуется особым захватом частоты генератора развёртывания наблюдаемым сигналом
Важно, что частота генераторов при этом в целое количество раз меньше частоты исследуемых сигналов.
https://youtube.com/watch?v=31uBNjV9DN4
Области применения
Осциллограф предназначен для изучения динамических процессов. Чтобы пользоваться прибором правильно, следует не превышать конструкционные возможности. Ниже представлены примеры решения практических задач.
Наблюдение фигур Лиссажу
При одновременной подаче на входы осциллографа сигналов с приблизительно равными частотами на экране будут видны характерные изображения. Этот метод используют для настройки генератора по эталонному образцу.
Фигура Лиссажу на ЭЛТ аналогового прибора
Курсорные измерения
Для повышения точности измерений на экран выводят вспомогательные координатные полосы (курсоры). При хорошей оснащенности осциллограф индицирует отдельные показатели в цифровом виде.
Математические функции
Некоторые модели современных осциллографов (блоки для подключения к компьютеру) способны обрабатывать сигналы по сложному алгоритму. Необходимый вариант описывают соответствующей математической функцией: сложение, вычитание или др.
Захват строки телевизионного сигнала
В соответствии с названием такой режим предназначен для изучения телевизионного сигнала. Главная особенность – специальная синхронизация, позволяющая выводить на экран необходимое количество строк.
Аналоговые осциллографы
Наиболее распространенными приборами среди электриков и энергетиков являются аналоговые осциллографы благодаря своей простоте, надежности и невысокой цене. Наиболее типичным представителем класса является двухканальный осциллограф Matrix модели MOS-620CH, производимый на крупнейшем заводе в г Шенжень (Китай). Благодаря своей простоте и надежности, а процент брака по данной продукции практически сведен к нулю, позволяет выполнять задачи, которые ставятся перед приборами подобного класса. Несмотря на кажущуюся простоту — осциллограф обеспечивает полосу от 0 до 20 МГц и чувствительность от 5 милливольт на деление. Недостатки данной модели свойственны всем аналоговым осциллографам — большие габариты и масса (8 кг), необходимость сетевого питания 220 Вольт, 35 Ватт, невозможность записи, анализа и передачи на компьютер записанных форм сигналов.
Pico Technology PicoScope 6000E — серия с оптимальным сочетанием цена / возможности
Pico Technology — это компания из Великобритании, которая выпускает инновационные осциллографы с подключением к компьютеру по интерфейсу USB. Их осциллографы снабжены большими объёмами встроенной памяти и содержат мощные специализированные процессоры, которые в реальном времени выполняют всю обработку сигналов прямо «на борту» приборов. Через интерфейс USB в компьютер передаются уже обработанные массивы данных, что обеспечивает такое же время отклика интерфейса пользователя компьютерной программы, как и у классических осциллографов со встроенным дисплеем и кнопками управления.
В серии PicoScope 6000E есть четыре осциллографа с 500 МГц. Это две восьмиканальные модели: 6804E (8 аналоговых каналов с АЦП 8 бит) и 6824E (8 аналоговых каналов с АЦП переменной разрядности 8-12 бит) и две четырёхканальные модели: 6404E (8 аналоговых каналов с АЦП 8 бит) и 6424E (8 аналоговых каналов с ). Кроме аналоговых каналов, эти четыре модели также содержат 16 цифровых каналов, для работы с которыми используются пробники TA369 (один пробник добавляет 8 цифровых каналов). Стандартно обеспечивается 15 видов автоматических измерений, а декодирование и анализ около двадцати является базовой функцией.
Осциллографы PicoScope 6000E в базовой комплектации оснащаются огромной встроенной памятью (512 млн. точек на канал). Быстрый поиск редких аномалий сигналов обеспечивается благодаря с измерением до 300 000 осциллограмм в секунду. В комплекте с каждым прибором поставляется мощное программное обеспечение PicoScope 6, совместимое с операционными системами Windows, Linux и macOS. Интерфейс пользователя в виде компьютерной программы даёт возможность использовать большие 4K мониторы с разрешением 3840 на 2160 точек, на которых хорошо видно мельчайшие детали сигналов.
Модели осциллографов серии PicoScope 6000E с полосой 500 МГц обеспечивают отличные измерительные возможности, однако стоят существенно дешевле аналогичных моделей со встроенным экраном.
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:
- Перед началом замыкают сигнал щупа на свой же земляной проводок (иглу на «крокодил») или выставляют тумблер режима входа в позицию «земля».
- Высветится «пульс трупа», если нет, то надо подвигать смещение, стабилизацию и уровень — возможно изображение спряталось, не запустилось.
- 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.
- Выставляем предел измерений по напряжению, рекомендовано брать с запасом, потом можно уменьшить.
- На вход дают сигнал (или его переключатель переводится в одно из рабочих позиций). На мониторе появится график.
- 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:
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.
What is an oscilloscope used for?
Oscilloscopes are often used when designing, manufacturing or repairing electronic equipment. Engineers use an oscilloscope to measure electrical phenomena and solve measurement challenges quickly and accurately to verify their designs or confirm that a sensor is working properly.
Who uses an oscilloscope?
Scientists, engineers, physicists, repair technicians and educators use oscilloscopes to see signals change over time. An automotive engineer might use an oscilloscope to correlate analog data from sensors with serial data from the engine control unit. Meanwhile, a medical researcher might use an oscilloscope to measure brain waves. There is no shortage of applications for this powerful instrument.
How does an oscilloscope work?
There are three primary oscilloscope systems: vertical, horizontal and trigger systems. Together, these systems provide information about the electrical signal, so the oscilloscope can accurately reconstruct it. The picture below shows the block diagram of an oscilloscope.
The first stage attenuates or amplifies the signal voltage in order to optimize the amplitude of the signal; this is referred to as the vertical system since it depends on the vertical scale control. Then the signal reaches the acquisition block, where the analog-to-digital converter (ADC) is used to sample the signal voltage and convert it in a digital format value. The horizontal system, which contains a sample clock, gives each voltage sample a precise time (horizontal) coordinate. The sample clock drives the ADC and its digital output is stored in the acquisition memory as a record point. The trigger system detects a user-specified condition in the incoming signal stream and applies it as a time reference in the waveform record. The event that met the trigger criteria is displayed, as is the waveform data preceding or following the event.
Oscilloscope vs. digital multimeter vs. voltmeter
Oscilloscope, digital multimeter, voltmeter—what’s the difference and are they interchangeable? A voltmeter measures the potential difference between two nodes on an electrical circuit. Though a digital multimeter also measures voltage, it can measure current and resistance as well. And an oscilloscope shows how the voltage changes over time. Typically, as the application becomes more advanced, so does the instrument.
Аналоговый стробоскопический осциллограф
Принцип выборки был разработан в 1930-х годах в Bell Laboratories Найквистом, в честь которого названа теорема выборки . Однако первый стробоскопический осциллограф был разработан в конце 1950-х годов в Исследовательском центре атомной энергии в Харвелле в Англии Дж. Б. Б. Чаплином, А. Р. Оуэнсом и А. Дж. Коулом. [«Чувствительный транзисторный осциллограф с откликом от постоянного тока до 300 МГц / с», Proc IEE (London) Vol.106, Part B. Suppl., No. 16, 1959].
Первый стробоскопический осциллограф был аналоговым прибором, первоначально разработанным как интерфейсный блок для обычного осциллографа. Потребность в этом приборе возникла из-за того, что ученые-ядерщики из Харвелла требовали захвата формы очень быстрых повторяющихся импульсов. Современные осциллографы с полосой пропускания обычно 20 МГц не могут этого сделать, а эффективная полоса пропускания 300 МГц их аналогового стробоскопического осциллографа представляет собой значительный прогресс.
Небольшая серия этих «интерфейсов» была сделана в Харвелле и нашла большое применение, а Чаплин и др. запатентовал изобретение. Коммерческое использование этого патента в конечном итоге было осуществлено компанией Hewlett-Packard (позже Agilent Technologies).
Стробоскопические осциллографы достигают большой полосы пропускания за счет того, что не принимают весь сигнал за один раз. Вместо этого берется только образец сигнала. Затем образцы собираются для создания формы волны. Этот метод может работать только с повторяющимися сигналами, но не с переходными событиями. Идею отбора проб можно рассматривать как стробоскопическую технику. При использовании стробоскопа видны только части движения, но когда сделано достаточное количество этих изображений, можно зафиксировать общее движение.
