kategória: Najlepšie články » Praktická elektronika
Počet zobrazení: 124786
Komentáre k článku: 1
Meranie osciloskopu
Digitálny osciloskop je, samozrejme, omnoho dokonalejší ako klasický elektronický, umožňuje zapamätať si krivky, môže sa pripojiť k osobnému počítaču, má matematické spracovanie výsledkov, značky obrazovky a oveľa viac. Ale so všetkými výhodami majú tieto nové generácie jednu významnú nevýhodu - je to vysoká cena.
Je to práve ona, ktorá robí digitálny osciloskop neprístupným na amatérske účely, aj keď existujú „vreckové“ osciloskopy v hodnote iba niekoľkých tisíc rubľov, ktoré sa predávajú na serveri Aliexpress, ale nie je obzvlášť vhodné ich používať. No, len zaujímavá hračka. Preto budeme hovoriť o meraniach pomocou elektronického osciloskopu.
Pokiaľ ide o výber osciloskopu na použitie v domácom laboratóriu na internete, nájdete dostatočný počet fór. Bez toho, aby sme popreli výhody digitálnych osciloskopov, sa na mnohých fórach odporúča zvoliť si jednoduché, malé a spoľahlivé domáce osciloskopy C1-73 a C1-101 a podobne, s ktorými sme sa predtým stretli. tento článok.
Tieto zariadenia vám za primeranú cenu umožnia vykonávať väčšinu amatérskych rádiových úloh. Medzitým sa zoznámime so všeobecnými princípmi merania pomocou osciloskopu.
Obrázok 1. Osciloskop S1-73
Čo osciloskop meria
Nameraný signál je privádzaný na vstup vertikálneho vychyľovacieho kanála Y, ktorý má veľký vstupný odpor, obvykle 1MΩ, a malú vstupnú kapacitu, nie väčšiu ako 40pF, čo umožňuje zavedenie minimálneho skreslenia do nameraného signálu. Tieto parametre sa často uvádzajú vedľa vstupu vertikálneho vychyľovacieho kanála.
Obrázok 2. Osciloskop C1-101
Pre voltmetre je typická vysoká vstupná impedancia, takže je možné povedať, že osciloskop meria napätie. Použitie externých rozdeľovačov vstupu umožňuje znížiť vstupnú kapacitu a zvýšiť vstupnú impedanciu. Znižuje tiež vplyv osciloskopu na skúmaný signál.
Malo by sa pamätať na to, že existujú špeciálne vysokofrekvenčné osciloskopy, ktorých vstupná impedancia je iba 50 ohmov. V amatérskej rozhlasovej praxi takéto zariadenia nenájdu aplikáciu. Preto sa budeme ďalej zameriavať konvenčné univerzálne osciloskopy.
Šírka pásma kanálu Y
Osciloskop meria napätie vo veľmi širokom rozsahu: od jednosmerného napätia po napätie dostatočne vysokej frekvencie. Kolísanie napätia môže byť dosť rozdielne, od desiatok milivoltov po desiatky voltov a pri použití externých deličov až po niekoľko stoviek voltov.
Malo by sa pamätať na to, že šírka pásma kanálu vertikálnej odchýlky Y db najmenej päťkrát vyššia ako frekvencia meraného signálu. To znamená, že zosilňovač vertikálnej odchýlky musí prejsť aspoň piatou harmonickou sledovaného signálu. Toto je zvlášť potrebné pri štúdiu pravouhlých impulzov, ktoré obsahujú veľa harmonických, ako je znázornené na obrázku 3. Iba v tomto prípade sa na obrazovke získa obraz s minimálnym skreslením.
Obrázok 3. Syntéza pravouhlého signálu z harmonických zložiek
Na obrázku 3 sú okrem základnej frekvencie znázornené aj tretie a siedme harmonické. Keď sa harmonické číslo zvyšuje, jeho frekvencia sa zvyšuje: frekvencia tretej harmonickej je trikrát vyššia ako základná, piata harmonická je päťkrát, siedma je sedem atď. V súlade s tým sa amplitúda vyšších harmonických znižuje: čím vyššie je harmonické číslo, tým nižšia je jeho amplitúda. Len ak zosilňovač vertikálneho kanála bez veľkého útlmu môže vynechať vyššie harmonické, obraz impulzu bude pravouhlý.
Obrázok 4 zobrazuje priebeh meandru s nedostatočnou šírkou pásma kanálu Y.
Obrázok 4
Meander s frekvenciou 500 KHz vyzerá niečo podobné na obrazovke osciloskopu OMSh-3M so šírkou pásma 0 ... 25 KHz. Akoby cez integrujúci obvod RC prešli obdĺžnikové impulzy. Takýto osciloskop bol vyrobený sovietskym priemyslom pre laboratórne práce na hodinách fyziky na školách. Ani napájacie napätie tohto zariadenia z bezpečnostných dôvodov nebolo 220, ale iba 42V. Je úplne zrejmé, že osciloskop s takou šírkou pásma umožní pozorovať signál s frekvenciami nepresahujúcimi 5 kHz a takmer bez skreslenia.
Pre konvenčný univerzálny osciloskop je šírka pásma najčastejšie 5 MHz. Aj pri takom pásme môžete vidieť signál až do 10 MHz a vyššie, ale obraz prijatý na obrazovke vám umožňuje posúdiť iba prítomnosť alebo neprítomnosť tohto signálu. Bude ťažké povedať niečo o jeho tvare, ale v niektorých situáciách tvar nie je taký dôležitý: napríklad existuje generátor sínusovej vlny a stačí sa len uistiť, že táto sínusová vlna existuje alebo nie. Len taká situácia je znázornená na obrázku 4.
Moderné počítačové systémy a komunikačné linky fungujú na veľmi vysokých frekvenciách rádovo stovky megahertzov. Aby sa mohli vidieť takéto vysokofrekvenčné signály, musí byť šírka pásma osciloskopu najmenej 500 MHz. Takáto široká skupina skutočne „rozširuje“ cenu osciloskopu.
Príkladom je digitálny osciloskop U1610A, ktorý nie je zobrazený na obrázku 5. Jeho šírka pásma je 100 MHz a cena je takmer 200 000 rubľov. Súhlasíte, že nie každý si môže dovoliť kúpiť také drahé zariadenie.
Obrázok 5
Nechajte čitateľa, aby tento obrázok nepovažoval za reklamu, pretože všetky súradnice predávajúceho nie sú vymaľované: na mieste tohto obrázka sa môže objaviť akýkoľvek podobný obrázok obrazovky.
Typy študovaných signálov a ich parametre
Najbežnejším typom kmitania v prírode a technológii sú sínusoidy. Je to rovnaká dlhotrvajúca funkcia Y = sinX, ktorá sa konala v škole v hodinách trigonometrie. Celkom veľa elektrických a mechanických procesov má sínusový tvar, aj keď v elektronickej technológii sa často používajú iné formy signálov. Niektoré z nich sú zobrazené na obrázku 6.
Obrázok 6. Formy elektrických vibrácií
Periodické signály. Charakteristiky signálu
Univerzálny elektronický osciloskop vám umožňuje presne študovať periodické signály. Ak na vstup Y pošlete skutočný zvukový signál, napríklad hudobný zvukový záznam, na obrazovke budú viditeľné náhodne blikajúce zhluky. Samozrejme nie je možné podrobne preskúmať takýto signál. V takom prípade pomôže použitie digitálneho pamäťového osciloskopu, ktorý vám umožní uložiť priebeh.
Oscilácie znázornené na obrázku 6 sú periodické, opakujúce sa po určitom časovom období T. Toto je možné podrobnejšie posúdiť na obrázku 7.
Obrázok 7. Pravidelné fluktuácie
Oscilácie sú znázornené v dvojrozmernom súradnicovom systéme: napätie sa meria pozdĺž osi y a čas sa meria pozdĺž osi x. Napätie sa meria vo voltoch, čas v sekundách. V prípade elektrických vibrácií sa čas často meria v milisekundách alebo mikrosekundách.
Okrem zložiek X a Y obsahuje priebeh tiež zložku Z - intenzitu alebo jednoducho jas (obrázok 8). Je to ona, ktorá zapína lúč po dobu predného zdvihu lúča a zhasne po dobu spätného zdvihu. Niektoré osciloskopy majú vstup na reguláciu jasu, ktorý sa nazýva vstup Z. Ak na tento vstup aplikujete pulzné napätie z príkladného generátora, na obrazovke môžete vidieť frekvenčné štítky. To vám umožní presnejšie zmerať trvanie signálu pozdĺž osi X.
Obrázok 8. Tri zložky skúmaného signálu
Moderné osciloskopy majú spravidla časové kalibrácie, ktoré umožňujú presné načasovanie. Preto na vytvorenie značiek prakticky nie je potrebné používať externý generátor.
Na vrchu obrázku 7 je sínusová vlna. Je ľahké vidieť, že začína na začiatku súradnicového systému. V priebehu času T (perióda) sa uskutoční jedna úplná oscilácia. Potom sa všetko opakuje, v nasledujúcom období. Takéto signály sa nazývajú periodické.
Obdĺžnikové signály sú zobrazené pod sinusovou vlnou: meander a pravouhlý impulz. Sú tiež periodické s periódou T. Trvanie impulzu sa označuje ako τ (tau). V prípade meandra sa doba trvania impulzu τ rovná dobe trvania pauzy medzi impulzmi, iba polovica periódy T. Preto je meander špeciálnym prípadom pravouhlého signálu.
Clo a sadzba cla
Na charakterizáciu pravouhlých impulzov sa používa parameter nazývaný pracovný cyklus. Toto je pomer periódy opakovania impulzu T k trvaniu impulzu τ. Pre meander sa pracovný cyklus rovná dvom, - hodnota je bezrozmerná: S = T / τ.
V anglickej terminológii je pravý opak. Tam sú impulzy charakterizované pracovným cyklom, pomerom trvania impulzu k perióde pracovného cyklu: D = τ / T. Faktor výplne je vyjadrený v %%. Pre meandr D = 50%. Ukazuje sa, že D = 1 / S, pracovný cyklus a pracovný cyklus sú vzájomne inverzné, hoci charakterizujú rovnaký parameter impulzu. Krivka meandra je znázornená na obrázku 9.
Obrázok 9. Tvar vlny meandru D = 50%
V tomto prípade je vstup osciloskopu spojený s výstupom funkčného generátora, ktorý je zobrazený okamžite v dolnom rohu obrázku. Pozorný čitateľ tu môže položiť otázku: „Amplitúda výstupného signálu z 1V generátora, citlivosť vstupu osciloskopu je 1V / div. A na obrazovke sa zobrazujú obdĺžnikové impulzy s veľkosťou 2V. Prečo? "
Faktom je, že funkčný generátor generuje bipolárne pravouhlé impulzy vzhľadom na hladinu 0V, približne rovnaké ako sínusoidy, s pozitívnymi a negatívnymi amplitúdami. Preto sú na obrazovke osciloskopu pozorované impulzy s rozpätím ± 1V. Na nasledujúcom obrázku zmeníme pracovný cyklus napríklad na 10%.
Obrázok 10. Obdĺžniková hybnosť D = 10%
Je ľahké vidieť, že perióda opakovania impulzu je 10 buniek, zatiaľ čo doba trvania impulzu je iba jedna bunka. Preto D = 1/10 = 0,1 alebo 10%, ako je zrejmé z nastavení generátora. Ak použijete vzorec na výpočet pracovného cyklu, dostanete S = T / τ = 10/1 = 1 - hodnota je bezrozmerná. Tu môžeme konštatovať, že pracovný cyklus charakterizuje impulz oveľa jasnejšie ako pracovný cyklus.
Samotný signál v skutočnosti zostal rovnaký ako na obrázku 9: pravouhlý impulz s amplitúdou 1 V a frekvenciou 100 Hz. Mení sa iba faktor plnenia alebo pracovný cyklus, je to ako keby niekto bol známy a pohodlnejší. Avšak kvôli lepšiemu pozorovaniu na obrázku 10 je doba skenovania na polovicu v porovnaní s obrázkom 9 a je 1ms / diel. Preto doba signálu trvá na obrazovke 10 buniek, čo značne uľahčuje overenie, či je pracovný cyklus 10%. Pri použití skutočného osciloskopu sa dĺžka rozmítania vyberie približne rovnako.
Meranie pravouhlého pulzného napätia
Ako je uvedené na začiatku článku, osciloskop meria napätie, t. potenciálny rozdiel medzi dvoma bodmi. Merania sa zvyčajne vykonávajú vo vzťahu k spoločnému vodiču, zemi (nulové volty), aj keď to nie je potrebné. V zásade je možné merať od minimálnej po maximálnu hodnotu signálu (maximálna hodnota, maximálna hodnota). V každom prípade sú kroky merania celkom jednoduché.
Obdĺžnikové impulzy sú najčastejšie unipolárne, čo je typické pre digitálnu technológiu. Ako merať napätie pravouhlého impulzu je znázornené na obr.
Obrázok 11. Meranie amplitúdy pravouhlého impulzu
Ak je citlivosť kanála vertikálnej odchýlky 1 V / diel, potom sa ukáže, že obrázok ukazuje impulz s napätím 5,5 V. S citlivosťou 0,1 V / diel. Napätie bude iba 0,5 V, hoci na obrazovke oba impulzy vyzerajú presne rovnako.
Čo iného vidno v obdĺžnikovom impulze
Obdĺžnikové impulzy znázornené na obrázkoch 9, 10 sú jednoducho ideálne, pretože ich syntetizuje spoločnosť Electronics WorkBench. Frekvencia impulzov je iba 100 Hz, preto nemôžu vzniknúť problémy so „pravouhlosťou“ obrazu. V reálnom zariadení sú pri vysokej opakovacej frekvencii impulzy trochu skreslené, v prvom rade sa objavujú rôzne rázy a impulzy v dôsledku inštalačnej indukčnosti, ako je znázornené na obr.
Obrázok 12. Skutočný pravouhlý impulz
Ak týmto „maličkostiam“ nevenujete pozornosť, potom obdĺžnikový impulz vyzerá ako na obrázku 13.
Obrázok 13. Parametre pravouhlého impulzu
Obrázok ukazuje, že predné a zadné okraje impulzu sa neobjavujú okamžite, ale majú určité doby nábehu a pádu a sú trochu naklonené vzhľadom na vertikálnu čiaru. Tento sklon je spôsobený frekvenčnými vlastnosťami mikroobvodov a tranzistorov: čím vyšší je frekvenčný tranzistor, tým menej „frontov“ impulzov. Preto je trvanie impulzu určené úrovňou 50% celého rozsahu.
Z toho istého dôvodu je amplitúda impulzu určená úrovňou 10 ... 90%. Trvanie impulzu, ako aj napätie, sa určuje vynásobením počtu dielikov horizontálnej stupnice hodnotou delenia, ako je znázornené na obrázku 14.
Obrázok 14.
Obrázok ukazuje jednu periódu pravouhlého impulzu, mierne odlišnú od meandru: doba trvania pozitívneho impulzu je 3,5 dielu horizontálnej stupnice a doba pozastavenia je 3,8 dielika. Doba opakovania impulzu je 7,3 dielikov. Takýto obrázok môže patriť do niekoľkých rôznych impulzov s rôznymi frekvenciami. Všetko bude závisieť od dĺžky zametania.
Predpokladajme trvanie skenovania 1ms / div. Potom je perióda opakovania impulzov 7,3 * 1 = 7,3 ms, čo zodpovedá frekvencii F = 1 / T = 1 / 7,3 = 0,1428 KHz alebo 143 Hz. Ak je doba skenovania 1 µs / div, frekvencia sa ukáže tisíckrát vyššia, konkrétne 143 KHZ.
Použitím údajov na obrázku 14 nie je ťažké vypočítať pracovný cyklus impulzu: S = T / τ = 7,3 / 3,5 = 2,0857, ukázalo sa takmer ako meander. Pracovný cyklus v pracovnom cykle D = τ / T = 3,5 / 7,3 = 0,499 alebo 47,9%. Malo by sa poznamenať, že tieto parametre v žiadnom prípade nezávisia od frekvencie: pracovný cyklus a pracovný cyklus sa vypočítali jednoducho rozdelením tvaru vlny.
S obdĺžnikovými impulzmi sa zdá byť všetko jasné a jednoduché. Ale úplne sme zabudli na sínusovú vlnu. V skutočnosti to isté platí: môžete merať napätie a časové parametre. Jedna perióda sínusovej vlny je znázornená na obrázku 15.
Obrázok 15. Parametre sinusovej vlny
Je zrejmé, že pre sínusoidy znázornené na obrázku je citlivosť vertikálneho vychyľovacieho kanála 0,5 V / diel. Zvyšné parametre možno ľahko určiť vynásobením počtu dielikov 0,5 V / diel.
Sínusová vlna môže byť ďalšia, ktorá sa bude musieť merať s citlivosťou, napríklad 5 V / div. Potom namiesto 1V získate 10V. Na obrazovke však obraz oboch sínusoidov vyzerá presne rovnako.
Načasovanie zobrazeného sínusoidu nie je známe. Ak predpokladáme, že trvanie skenovania je 5ms / div, perióda bude 20ms, čo zodpovedá frekvencii 50 Hz. Čísla v stupňoch na časovej osi označujú fázu sínusoidy, hoci to nie je zvlášť dôležité pre jeden sínusoid. Častejšie je potrebné určiť fázový posun (priamo v milisekundách alebo mikrosekundách) najmenej medzi dvoma signálmi. Najlepšie sa to dá dosiahnuť pomocou osciloskopu s dvoma lúčmi. Ako sa to podarí, sa zobrazí nižšie.
Ako merať prúd pomocou osciloskopu
V niektorých prípadoch sa vyžaduje meranie veľkosti a tvaru prúdu. Napríklad striedavý prúd tečúci cez kondenzátor je pred napätím o ¼ perióda. Potom je do otvoreného obvodu zapojený odpor s malým odporom (desatiny Ohmu). Takýto odpor nemá vplyv na činnosť obvodu. Úbytok napätia na tomto odpore ukáže tvar a veľkosť prúdu pretekajúceho kondenzátorom.
Podobný obrysový ampérmeter je usporiadaný približne rovnakým spôsobom, ktorý bude zahrnutý do prerušenia elektrického obvodu. V tomto prípade je merací odpor umiestnený vo vnútri samotného ampérmetra.
Obvod na meranie prúdu cez kondenzátor je znázornený na obr.
Obrázok 16. Meranie prúdu prostredníctvom kondenzátora
Sínusové napätie 50 Hz s amplitúdou 220 V z generátora XFG1 (červený lúč na obrazovke osciloskopu) je privádzané do sériového obvodu z kondenzátora Cl a meracieho odporu R1. Úbytok napätia na tomto odpore ukáže tvar, fázu a veľkosť prúdu cez kondenzátor (modrý lúč). Ako to bude vyzerať na obrazovke osciloskopu je znázornené na obrázku 17.
Obrázok 17. Prúd cez kondenzátor je pred napätím o ¼ perióda
Pri frekvencii sínusovej vlny 50 Hz a dobe skenovania 5 ms / Div, trvá jedna sínusová vlna 4 delenia pozdĺž osi X, čo je veľmi vhodné na pozorovanie. Je ľahké vidieť, že modrý lúč je pred červenou farbou presne o 1 diel pozdĺž osi X, čo zodpovedá perióde ¼. Inými slovami, prúd cez kondenzátor je pred fázovým napätím, čo je plne v súlade s teóriou.
Na výpočet prúdu cez kondenzátor stačí použiť Ohmov zákon: I = U / R. Ak je odpor meracieho odporu 0,1 Ohm, pokles napätia na ňom je 7 mV. Toto je hodnota amplitúdy. Potom bude maximálny prúd cez kondenzátor 7 / 0,1 = 70 mA.
Meranie tvaru prúdu cez kondenzátor nie je veľmi naliehavá úloha, všetko je jasné a bez meraní. Namiesto kondenzátora môže byť akékoľvek zaťaženie: induktor, motorové vinutie, tranzistorový zosilňovač a oveľa viac. Je dôležité, aby sa táto metóda mohla použiť na štúdium prúdu, ktorý sa v niektorých prípadoch od formy výrazne líši.
Boris Aladyshkin
Pozri tiež na electro-sk.tomathouse.com
: