что такое развертка осциллографа
Что такое осциллограф и для чего он нужен
Осциллограф – неотъемлемая часть комплектов измерительных приборов, предназначенных для электронных устройств. Осциллограф – это единственное устройство, которое помогает пронаблюдать саму форму сигнала и при этом оценивать его время и амплитуду. Сейчас осциллографы совсем не уступают в точности специальным измерительным приборам – вольтметрам, к примеру.
Назначение осциллографа – наблюдать форму сигнала, измерение параметров сигнала в любой момент времени, сравнение форм сигналов и их фазовых сдвигов с другими колебаниями.
Второе название осциллографа – осциллоскоп.
Устройство и принцип работы осциллографа
Среди всех измерительных приборов осциллограф считается одним из самых сложных в плане своего устройства. И не зря. Ведь по принципу работы он сравним с телевизором. Разница разве что в виде сигнала, обрабатываемом этими устройствами.
В основе лежит электронно-лучевая трубка. На ней отображается состояние входного электрического сигнала. Чтобы изображение совпадало с формой колебаний, электронный луч осциллографа управляется генератором строчной развёртки. (картинка)
У осциллографа электронно-лучевая трубка в своём устройстве имеет две пары отклоняющихся пластинок. Именно они и управляют положением электронного луча на экране.
Первая пара – горизонтальная. Она отвечает за отклонение луча в этой плоскости. На неё подаётся напряжение пилообразной формы от генератора горизонтальной развёртки. Потом напряжение увеличивается. Это вызывает отклонение луча по горизонтали. Луч вернётся назад и начнёт движение заново во то время, когда импульс резкой пойдёт на спад. Сам момент возвращения луча виден быть не должен. На экран в это время подаётся напряжение гашения луча.
Чтобы лучше понять принцип работы устройства, можно изучить блок-схему осциллографа. По ней в том числе становится понятно, что в состав устройства входят горизонтальный и вертикальный каналы.
Горизонтальная развёртка
Канал горизонтального подключения подключается к генератору развёртки. Он вырабатывает сигналы горизонтального отклонения лучей. Генератор Х (развёртки) работает в нескольких режимах.
При исследовании стабильных сигналов удобно использовать режим внутренней синхронизации. В этих условиях изображение будет неподвижным. Чтобы увеличить стабильность можно организовать захват частоты на входе генератором развёртки.
Также этот режим называется ждущим. В нём запуск генератора происходит в тот момент, когда входной сигнал достигает определённого уровня. Или от внешнего источника. В режиме внешней синхронизации удобно исследовать не очень стабильные колебания, особенно если есть синхронизация между генератором развёртки и схемы от одного источника колебания. Прибор поддаётся регулировка, чтобы точно установить уровень, на котором генератор запускается.
Если синхронизация происходит от сети питания, то запуск развёртки будет синхронизирован с колебанием напряжения сети. Так что синхронизация от сети так же предусмотрена, чтобы наблюдать за помехами и искажениями. Ручная синхронизация подходит для исследования различных непериодических сигналов. К примеру, в логических схемах.
Вертикальная развёртка
Канал вертикального отклонения называется каналом Y, по аналогии с горизонтальной осью Y в системе координат. В нём входной исследуемый сигнал обрабатывается. Сигнал этот поступает в канал через аттенюатор. Аттенюатор – это ступенчатый регулятор уровня. Это делается для того, чтобы амплитуда параметра, который измеряют, не превышала допустимый уровень. А картинка тем временем не выходила за пределы экрана. Канал Y может передать сигнал на генератор горизонтального отклонения для его синхронизации.
Обычно канал вертикального отклонения работает в открытом режиме. Это значит, что само отклонения луча будет чётко совпадать с уровнем сигнала. Когда есть постоянная составляющая, то это мешает наблюдению за колебаниями. Происходит это из-за того, что картинка будет слишком смещена к границам экрана сверху или снизу. Так же она может вообще выходить за границы. Эту постоянную составляющую можно убрать, если включить режим закрытого входа. Или настроить аттенюатор под размеры экрана.
Про закрытый вход. Сигнал поступает через конденсатор, не создающий препятствия для переменного напряжения. Тогда оба канала обладают оконченными усилителями, формирующими нужные уровни сигналов, которые подаются на отклоняющие пластины.
Основные параметры осциллографа
Осциллограф имеет ряд характеристик, которые помогают лучше определить его области применения.
Сопротивление входа
Большинство осциллографов имеют сопротивление входа 1 МОм. Это нужно для того, что вход самого устройства не искажал схему. Для этого его сопротивление должно быть достаточно большим.
Верхняя граница частоты исследуемого сигнала
Это тоже очень важный параметр. Сейчас осциллографы могут работать с колебаниями частот в гигагерцах. И имеется в виду не только частота сигнала, но так же длительность его фронта и спад определённых импульсов. Другими словами, время измерения амплитуды.
Особенно это полезно при исследовании сигналов, не обладающих формой синусоида. В сигнале больше гармонических составляющих с большой частотой, когда форма сигнала близится к прямоугольной. И входные цепи должны быть рассчитаны на такие частоты. Иначе задняя и передняя стенки импульсов на изображении будут искажены. Форма импульса не будет соответствовать действительности, хотя частота будет верной.
Здесь важно учесть, что при исследовании прямоугольных колебаний максимально допустимая частота осциллографа должна превосходить частоту сигнала в несколько раз.
Допустимые значения уровня
Понятно, что колебания малого уровня едва ли вызовут отклонения пучка электронно-лучевой трубки. Да и выйти из границ допустимых пределов разрешающей способности аналого-цифрового преобразователя частот тоже. Высокие значения в свою очередь могут вызвать множество реакций, от искажений изображения до выведения из строя входных цепей всего устройства.
Назначение осциллографа
Из прошлых пунктов уже можно выделить несколько областей, в которых применяются осциллографы. Но о том, для чего именно нужен осциллограф, ещё сказано не было.
Понятно, что они нужны для измерений и анализа форм периодических сигналов. И иногда при измерениях без осциллографов не обойтись. Амперметр и вольтметр дадут понятие только об уровне сигнала, а частометр – о частоте. Но полной картины достигнуто не будет. Тут то и помогают осциллографы.
Самая большая область применения этих устройств – исследование форм телевизионных сигналов. В них, кроме сигналов с информацией об изображении, так же есть данные о синхронизации кадровой развёртки и строчной, импульсах синхронизации цвета и прочая информация. В этом случае наблюдение за изображением на осциллографах очень облегчает процесс ремонта и регулировку трактов изображения у телевизоров. На картинке – телевизионный осциллограф.
Типы осциллографов
Электронно-лучевые осциллографы подразделяются на:
Аналоговые осциллографы
Сначала, очевидно, появились аналоговые осциллографы, ведь для работы устройства использовались аналоговые детали. Они подавали вполне точное изображение формы сигнала. Однако замерять амплитуды и частоты совсем не могли. При определении этих характеристик создавалась нелинейность. Она создавалась из-за искажений, которые вносил входной тракт, и движения электронного луча вкупе с этим. Получаемые данные можно было использовать только для оценочного измерения. А наблюдение было возможно только в случае периодического сигнала.
С появлением ЭЛТ стало возможным организовать память на одно движение луча горизонтальной развёртки. Чтобы оценивать помехи импульсов и однократные сигналы, это было необходимо.
Цифровые осциллографы
Современные цифровые осциллографы имеют куда более широкие возможности. В них цифровой тракт обработки сигнала подаётся после входных цепей осциллографа на аналого-цифровой преобразователь. Этот алгоритм позволяет проводить самые точные измерения параметров, таких как частота следования, длительность импульсов, напряжение. А используя запоминающее устройство (USB-осциллограф), можно запоминать любые участки формы сигналов без специального оборудования.
Цифровые осциллографы бывают двух видов. Разделены они были по принципу использования тракта. У одних он был дополнением к аналоговым измерениям, у вторых – использовался для формирования изображения.
Устройства первого типа не отличаются от аналоговых, имея дополнительную опцию для измерения. Вторые же максимально сходны с цифровыми, имея отличие только в отображении информации.
Современные осциллографы для отображения информация используют жидкокристаллические дисплеи. Кроме формы сигнала на нём отображаются все параметры, которые устройство замеряет:
Благодаря такому набору способностей один прибор может заменить большую часть других измерительных устройств.
Как ещё несколько полезных качеств цифровых осциллографов можно отметить:
Как правильно пользоваться осциллографом
После того, как стало понятны устройство и виды, нужно понять, как пользоваться осциллографом.
Начать стоит с калибровки. Для этого предусмотрены выходы встроенного калибратора, в котором значения частоты и напряжения строго фиксированы. Изображение на экране подгоняют под норму, регулируя чувствительность и частоту. Следует помнить, что щупы у этого устройства имеют два выхода, один из которых подключается к массе – общей точке всей электросхемы.
Далее на входном аттенюаторе нужно выставить уровень напряжения измеряемого сигнала. Если оно неизвестно, то устанавливается максимальное положение. Обычно – 100В на одно деление экрана. Переключениями аттенюатора нужно добиться, чтобы картинка заняла большую часть экрана.
Следующий шаг – выставить нужный режим синхронизации и частоту задающего генератора. Значения длительности периода колебаний установлены на регуляторе частот. Например, переключатель установлен на 20 мс/дел. Это обозначает, что период колебаний, длящийся 20мс, уложится в одно деление на координатной сетке. Частота будет равна 50Гц.
Регулируя уровень и синхронизацию, нужно добиться неподвижности изображения.
Чтобы произвести измерения, нужно следовать алгоритму:
Дополнительные возможности и советы
Осциллографы могут быть двулучевыми. Двулучевые осциллографы необходимы для построения изображений большего количества сигналов. Эти устройства имеют в своей комплектации специальную ЭЛТ с двумя лучами. Конструкция её состоит из стеклянной колбы, в которой есть две системы отклоняющихся пластин, независимые друг от друга.
Один сигнал выбирают главным, по нему синхронизируют осциллограф и относительно главного сигнала наблюдают за остальными. Для увеличения входного диапазона используются входные делители 1:10 или 1:100, поднимающие верхнее допустимое значение до 10 или 100 раз. Это нужно учитывать в дальнейших расчётах, чтобы не допустить ошибки. Наличие входного делителя при этом увеличивает и входное сопротивление.
Цифровые осциллографы не требуют подсчёта амплитуд и частот вручную. Эти значения выводятся на экран. Более того, изображение можно занести в память и распечатать.
Когда нет дополнительных входов Y, для определения фазовых сдвигов нужен осциллограф с входом Х, у которого отключён внутренний генератор развёртки. Тогда, подавая колебания на эти входы, фазы и частоты можно сравнивать по «фигурам Лиссажу».
Что такое осциллограф?
Осциллограф – электронный прибор для измерения электрических сигналов в цепи и наблюдения за ними. Определение формы и параметров колебаний необходимо для отслеживания корректности работы оборудования.
Первые попытки создать прибор для определения электрических колебаний относятся ещё к 1880 году. Их делали французские и русские физики. Первые осциллографы были аналоговыми. С 1980-х годов сигналы стали фиксироваться с помощью цифрового оборудования.
Устройство и принцип действия прибора
Объясним устройство аналогового осциллографа просто, «для чайников». Прибор состоит из следующих элементов:
Для управления параметрами сигнала и его отображения на экране есть регуляторы. У старых моделей экрана не было. Изображение фиксировалось на фотоленте.
Принцип работы
При запуске прибора сигнал подаётся на вход канала вертикального отклонения. Он имеет высокое входное сопротивление. По тому же принципу работает вольтметр, измеряющий напряжение. Однако вольтметр не показывает временного графика колебаний напряжения.
Сигнал усиливается до необходимого уровня после подачи на вход. Он отображается на экране по вертикальной оси. Усиление требуется для работы отклоняющей системы лучевой трубки или преобразователя сигнала из аналогового в цифровой. Оно позволяет менять масштаб отображения колебаний на экране от крупного до мелкого.
Устройство
Лучевая трубка чувствительна к электрическим импульсам. Чем ниже их частота, тем выше чувствительность. В нынешних трубках количество лучей может составлять от одного до 16. Их количеству соответствует число сигнальных входов и отображающихся одновременно графиков.
Особенность цифрового осциллографа в том, что он имеет экран и преобразователь аналогового сигнала. У него есть память для сохранения данных о полученном графике колебаний. Часть информации анализируется в автоматическом режиме и отображается в обработанном виде. Аналоговый осциллограф не запоминает данные, а только показывает их в реальном времени.
Разверткой называется траектория движения луча, который улавливает колебания и выводит изображение на экран. Она бывает разной формы — эллиптической, круговой. Значение развёртки регулируется в зависимости от исследуемого сигнала по горизонтальной оси (временнóй).
Блок питания подаёт напряжение от сети 220 В на электронные схемы. Есть и аккумуляторные модели, способные работать автономно.
Виды осциллографов
По принципу действия осциллографы бывают цифровыми и аналоговыми. Существуют смешанные аналого-цифровые приборы. Всё чаще выпускают виртуальные. Там в качестве экрана используется другой прибор – монитор компьютера, телевизора.
Работа некоторых моделей основана на электромеханическом принципе:
Прибор может работать самостоятельно или являться приставкой к другому оборудованию (например, компьютеру). Во втором случае цена ниже, но сам прибор зависим от внешнего устройства.
Виды развёрток
В разных режимах работы осциллографа линейные (создаваемых пилообразным напряжением) развёртки могут различаться:
Измеряемые процессы
По принципу работы приборы делят на:
Где применяют осциллографы?
Информация, которую даёт осциллограф:
Осциллографы используют как в практических, так и в научно-исследовательских целях. Для простых измерений можно воспользоваться мультиметром, но в большинстве случаев осциллограф незаменим.
Приборы для измерения колебаний применяют при настройке электронного оборудования. К примеру, для регулировки телевизионного сигнала необходимо получить его осциллографическое изображение. Приборы также используются при ремонте блоков питания, диагностике печатных плат.
При ремонте автомобилей устройство поможет получить данные о положении коленчатого и распределительного валов, датчиков положения. Данные осциллограммы расскажут о наличии импульса на катушке, укажут на неисправность свечей и проводов, диодного моста генератора.
Медицинское оборудование (кардиографы, энцефалографы) тоже работает по принципу осциллографирования. Только электрические колебания, измеряемые ими, происходят в живых организмах.
Методика измерений
Осциллограф измеряет электрическое напряжение и формирует амплитудный график электрических колебаний. Цифровые приборы могут запоминать полученный график, возвращаться к нему.
Колебания отображаются на экране в двухмерной системе координат (напряжение – вертикальная ось, время – горизонтальная ось), формируя график — осциллограмму. Есть ещё третий компонент исследований – интенсивность сигнала (или яркость).
При отсутствии входных импульсов на экране горизонтальная линия – «нулевая», обозначающая отсутствие напряжения. Как только на вход (или входы) прибора подаётся напряжение, на экране становятся видны один или несколько графиков одновременно (зависит от количества измеряемых сигналов).
График электрических колебаний по форме может представлять собой:
Для получения стабильного графика колебаний в приборе стоит блок синхронизации. Получить цикличное отображение колебаний можно только после установки значения синхронизации. Оно принимается за «стартовое», служит отправной точкой графика. Все скачки отображаются по отношению к этой точке.
Как выбрать
Нужно представлять, в каких целях и как часто будет использоваться прибор, для изучения каких сигналов он предназначен. Учитывайте количество точек для одновременного измерения, одиночность или периодичность колебаний. Иногда используются устройства советского производства. Но получить точную настройку с их помощью трудно.
Количество каналов
По количеству каналов осциллографы могут быть одноканальными, простыми (2-4 канала), продвинутыми (до 16 каналов). Несколько каналов позволяют одновременно анализировать поступающие сигналы.
Тип питания
Прибор с аккумулятором можно брать с собой на выезд. Это удобно для мастеров, которые проверяют оборудование по месту его нахождения. Если выезды не производятся, лучше брать работающий от сети осциллограф, поскольку он стабильнее и надёжнее.
Частота дискретизации
Частота дискретизации важна для измерения однократных и переходных процессов. Чем выше этот параметр, тем более точное изображение сигнала на экране удастся получить.
Полоса пропускания
Для простых исследований цифровых схем и усилителей оптимальная звуковая частота — 25 МГц. Для профессионального измерения нужен прибор, у которого этот параметр — до 200 или даже до 500 МГц. Современные линии связи работают на очень высоких частотах. Частота исследуемых сигналов должна быть в 3-5 раз меньше величины полосы пропускания.
Настройка осциллографа
Перед использованием нового устройства проводится его калибровка с помощью находящихся на корпусе генератора прямоугольных импульсов. Сигнальный щуп подключают к калибровочному выходу, при этом на экране появляется «пила» — зигзагообразная линия. Нужно проверить работу всех функций и регуляторов.
Сейчас осциллографы регулярно используют в сфере электроники. Есть большой выбор устройств, позволяющих наблюдать за параметрами электрических колебаний. Без осциллографа не обойтись ни инженеру-профи, ни рядовому любителю радиоэлектроники.
4. Применение различных видов разверток
При использовании осциллографа частота в общем случае измеряется методом сравнения исследуемых колебаний с колебаниями известной частоты. Этот метод отличается относительной простотой, сравнительно высокой точностью и пригодностью для использования в широком диапазоне частот. Измерение можно проводить при трех видах развертки осциллографа: линейной, синусоидальной и круговой.
При линейной развертке в качестве образцовой частоты используется частота генератора развертки данного осциллографа. Напряжение неизвестной (измеряемой) частоты подают на вход канала вертикального отклонения осциллографа, а частоту генератора развертки изменяют до тех пор, пока на экране осциллографа не получится изображение одного периода исследуемого сигнала. При этом измеряемая частота равна установленной частоте развертки.
Если на экране осциллографа получится изображение нескольких периодов, то измеряемая частота будет в n раз больше частоты развертки, где n – число периодов исследуемого сигнала.
Достоинством данного способа является возможность измерения частоты периодического сигнала любой формы, недостатком – большая погрешность (до 5 – 10%).
Синусоидальная развертка применяется для измерения частоты или разности фаз. Для ее получения на пластины Х подают напряжение, изменяющееся по гармоническому закону от внешнего генератора, при этом генератор линейной развертки отключается.
Напряжение неизвестной частоты при синусоидальной развертке подается на вход канала вертикального отклонения, а напряжение образцовой частоты на вход канала горизонтального отклонения.
Изменяя образцовую частоту, получают на экране осциллографа медленно движущуюся фигуру Лиссажу. По виду фигуры Лиссажу можно судить о частоте и угле сдвига фазы неизвестного напряжения.
Полученную фигуру нужно мысленно пересечь вертикальной и горизонтальной линиями и сосчитать число пересечений по вертикали n Y и по горизонтали n X (см. рисунок 4).
Рисунок 4 – Определение неизвестной частоты по фигуре Лиссажу
Отношение этих чисел равно отношению образцовой fX и измеряемой fY частот. Основное уравнение Лиссажу (1):
где fX – частота, поданная на вход канала горизонтального отклонения (образцовая);
fY – частота, поданная на вход канала вертикального отклонения (измеряемая).
Метод фигур Лиссажу применяют при относительно небольшой кратности частот (не более 10), так как в ином случае фигуры становятся запутанными и с трудом поддаются расшифровке.
При большей кратности сравниваемых частот предпочтительным оказывается метод круговой развертки.
Для получения круговой развертки на пластины Y подается синусоидальный сигнал, а на пластины Х – аналогичный по форме и амплитуде сигнал, но отстающий по фазе на угол 90 °
При круговой развертке напряжение образцовой частоты U 0 подается на оба входа осциллографа Х и Y через фазосдвигающую цепочку RC (см. рисунок 5).
Рисунок 5 – Получение круговой развертки при помощи фазосдвигающей цепочки RC
На экране осциллографа появляется линия развертки в виде окружности, которая вращается с частотой сигнала образцового генератора. Напряжение неизвестной частоты U X подается на модулятор яркости электронно-лучевой трубки (вход Z ), и оно изменяет яркость линии развертки один раз в течение периода измеряемого сигнала.
Круговая развертка позволяет измерять частоты с кратностью большей, чем при синусоидальной развертке, так как штрихи считать удобнее, чем пересечения. Достоинством этого способа является малая погрешность измерения.