Работа с осциллографом

Работа  с осциллографом

 

Осциллограф – прибор, показывающий форму напряжения во времени. Также  он позволяет измерять ряд параметров сигнала, такие как напряжение, ток, частота, угол сдвига фаз. Но главная польза от осциллографа – возможность наблюдения формы сигнала. Во многих случаях именно форма сигнала позволяет определить, что именно происходит в цепи. На рис. 1 показан пример подобной ситуации.

Рис. 1. Осциллограмма сложного сигнала.

В этом случае напряжение содержит как постоянную, так и переменную составляющие, причем форма переменной составляющей далека от синусоидальной. На таком сигнале вольтметры дают большую ошибку: стрелочный вольтметр переменного тока показал напряжение 2,2 вольт, а цифровой – вообще 1,99 вольт. Вольтметр постоянного тока показал 4,8 вольт. Правильное действующее значение напряжения показал осциллограф – 5,58 вольт (цифровые осциллографы измеряют напряжение и позволяют сохранять результаты в компьютерном формате). Кроме того, осциллограмма позволяет увидеть некоторые свойства сигнала:

• сигнал имеет импульсный характер;
• сигнал не принимает отрицательных значений (измерено с открытым входом осциллографа);
• сигнал очень быстро изменяется от нуля до значения 6,4 вольта и обратно до нуля (чувствительность канала вертикального отклонения 2 V/дел);
• длительность импульсов более чем в три раза превышает длительность пауз.

В общем, лучше один раз  увидеть, чем сто раз услышать.

В подавляющем большинстве  случаев исследуются периодические  сигналы, именно про них мы и будем  говорить. 

 

1. Принцип действия  осциллографа

«Сердцем» прибора является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), рис.2.

Рис. 2. Устройство электронно-лучевой  трубки с электростатическим управлением.

ЭЛТ является электронной  лампой, и, как и все лампы, она  «заполнена» вакуумом. Катод излучает электроны, а система фокусировки  формирует из них тонкий луч. Этот электронный луч попадает на экран, покрытый люминофором, который под  воздействием электронной бомбардировки  светится, и в центре экрана возникает  светящаяся точка. Две пары пластин  ЭЛТ отклоняют электронный луч  в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые можно рассматривать  как координатные оси. Поэтому для  наблюдения на экране ЭЛТ исследуемого напряжения необходимо, чтобы луч  отклонялся по горизонтальной оси пропорционально  времени, а по вертикальной оси –  пропорционально исследуемому напряжению.

На пластины горизонтального  отклонения луча (расположенные вертикально) подается напряжение развертки. Оно  имеет пилообразную форму: постепенно линейно нарастает и быстро спадает (рис. 3). Отрицательное напряжение отклоняет луч влево, а положительное – вправо (если смотреть со стороны экрана). В результате луч движется по экрану слева направо с определенной постоянной скоростью, после чего очень быстро возвращается к левой границе экрана и повторяет свое движение. Расстояние, которое проходит луч вдоль горизонтальной оси, пропорционально времени. Этот процесс называется разверткой, а горизонтальная линия, которую луч прочерчивает по экрану, называется линией развертки (иногда при измерениях ее называют нулевой линией). Она играет роль оси времени t графика. Частота повторения пилообразных импульсов называется частотой развертки, но она для измерений не используется. Для измерений нужно знать скорость развертки, про которую будет сказано ниже.

Рис. 3. Форма напряжения развертки.

Если при этом на пластины вертикального отклонения (расположенные  горизонтально) подать исследуемое  напряжение, то луч начнет отклоняться  и по вертикали: при положительном  напряжении вверх, а при отрицательном  – вниз. Движения по вертикали и  по горизонтали происходят одновременно и в результате исследуемый сигнал «разворачивается» во времени. Получившееся изображение называется осциллограммой.

На самом деле кроме  линейной существует еще круговая и  спиральная развертки, а также фигуры Лиссажу, когда один из сигналов является разверткой для второго. Но это уже совсем другая история…

Важным моментом является соотношение частот развертки и  сигнала. Если эти частоты в точности равны, то на экране отображается ровно  один период исследуемого сигнала. Если частота сигнала вдвое больше частоты развертки, то мы увидим два  периода, если втрое – то три. Если частота сигнала вдвое меньше частоты развертки, то мы увидим только половину периода сигнала. Частоту (скорость) развертки можно регулировать в широких пределах. Но изображение будет стабильным только в том случае, если частоты развертки и сигнала точь-в-точь совпадают. При малейшем несовпадении частот, каждое начало движения луча по экрану будет соответствовать новой точке функции входного сигнала, и ее график каждый раз будет рисоваться в новом положении. При небольшом несовпадении частот (доли герца) это будет выглядеть как график, «плывущий» влево или вправо. При несовпадении частот в несколько герц и более, осциллограмма становится нечитаемой (рис. 4).

Рис. 4. Осциллограмма при  отсутствии синхронизации.

А ведь добиться абсолютно  точного совпадения частот (особенно в десятки-сотни килогерц) практически  невозможно. Поэтому разверткой в  осциллографе управляет специальная  схема синхронизации. Она задерживает  начало движения луча по экрану так, чтобы  луч начинал двигаться в тот  момент, когда входное напряжение достигло определенного значения. В  этом случае луч начинает движение (и рисование осциллограммы) каждый раз с одной и той же точки  графика входного сигнала. В результате каждое следующее движение луча рисует картинку в одном и том же положении, даже если частоты сигнала и развертки  заметно не совпадают. Изображение  получается стабильным и устойчивым. Напряжение сигнала, при котором  происходит синхронизация (уровень  синхронизации), задается органами управления осциллографа. Визуально изменение  этого напряжения вызывает смещение начала изображаемого графика относительно начала периода сигнала, рис. 5.

Рис. 5. Осциллограммы при  разных уровнях синхронизации.

Для того чтобы можно было наблюдать несколько сигналов одновременно, выпускают многолучевые и многоканальные осциллографы. Обычно число каналов  равно двум (иначе получается очень  сложно и дорого). ЭЛТ двухлучевых  осциллографов работает одновременно с двумя лучами на общем экране, которые позволяют наблюдать  два сигнала абсолютно независимо. Но такие приборы сложны и дороги. Поэтому больше распространены двухканальные  осциллографы. Их ЭЛТ самая обычная, но они имеют два отдельных  входа и два независимых усилителя  вертикального отклонения, которые  обслуживают входные сигналы. Кроме  того, они имеют встроенный высокоскоростной коммутатор, очень быстро переключающий  ЭЛТ (пластины вертикального отклонения) от одного канала к другому. Изображения  сигналов при этом не являются непрерывными линиями, а состоят из множества  штрихов. Но на экране штрихи сливаются, и в результате получается два  графика входных сигналов. Лишь при  наблюдении высокочастотных сигналов и неудачной частоте развертки  изображение может стать пунктирным.

2. Подключение  осциллографа

Поскольку напряжение измеряется между двумя точками, то вход осциллографа имеет две клеммы. Причем они не равнозначны. Одна клемма, называемая «фаза», подключена ко входу усилителя вертикального отклонения луча. Вторая клемма – «земля» или «корпус». Она называется так потому, что электрически соединена с корпусом прибора (это общая точка всех его электронных схем).Осциллограф показывает напряжение фазы по отношению к земле.

Очень важно знать, какой  из входных проводников является фазой. В импортных приборах обычно используются специализированные щупы, земля которых имеет зажим  типа «крокодил» так как часто  подключается к корпусу исследуемого устройства, а фаза оканчивается либо «иголкой», которой можно удобно и надежно «воткнуться» даже в  контакт маленького размера, либо зажимом (рис. 6). В этом случае перепутать фазу и корпус в принципе невозможно.

Рис. 6. Щуп импортного осциллографа, слева «игла», справа зажим.

Осциллографы отечественного производства чаще всего комплектуются  шнурами, имеющими стандартные для  России 4-мм штекеры (к ним иногда применяется название «банан», пришедшее  из аудиотехники), рис. 7. В этом случае оба штекера одинаковы, и для  того, чтобы их различать используются дополнительные признаки. Этих признаков  несколько, и они могут встречаться  в любом сочетании:

• земляной провод длиннее;
• земляной провод имеет коричневый (стандарт) или черный цвет;
• на корпусе штекера земляного провода нанесены условные обозначения «корпус»   или «земля»  .

Однако, к сожалению, эти  правила выполняются не всегда. Особенно это относится к кабелям, прошедшим  ремонт: туда могут поставить любой  проводник, имеющийся в наличии  и первый попавшийся штекер. Поэтому  есть еще один способ определения  фазы и корпуса, дающий стопроцентную  гарантию.

Рис. 7. Штекер отечественного осциллографа.

Для определения какой  из проводников является фазой, а  какой корпусом, надо при никуда не подключенном осциллографе взяться  рукой за контакт одного из входных  проводников, при этом другой рукой  ни до чего не дотрагиваться. Если этот проводник – корпус, то на экране будет только лишь горизонтальная линия  развертки. Если этот проводник –  фаза, то на экране возникнут довольно значительные помехи, представляющие собой сильно искаженную синусоиду  частотой 50 Гц (рис. 8).

Рис. 8. Помехи на экране осциллографа при касании рукой фазы входного кабеля.

Эти помехи возникают из-за того, что существует емкость между  телом человека и проводами сети, проложенной в помещении. И возникает  ток, протекающий по такой цепи: фаза осветительной сети переменного тока 220 В 50 Гц – емкость между проводами сети и телом человека – рука человека – вход усилителя (фаза входного кабеля) – электронная схема усилителя – корпус осциллографа – емкость между корпусом и Землей – нейтральный провод сети (он всегда заземлен). Цепь замкнута, ток течет. Величина этого тока составляет 10^-8…10^-6 ампера, но вход осциллографа имеет очень высокое сопротивление (порядка 10^6 Ом), поэтому на нем возникает достаточно большое напряжение. Синусоида выглядит искаженной оттого, что емкостное сопротивление участка сеть – тело человека зависит от частоты: чем частота выше, тем сопротивление меньше. Поэтому высокочастотные составляющие (гармоники сети и проникшие в нее помехи) создают больший ток и большее напряжение на входе осциллографа.

Определив фазу и корпус входного кабеля, можно подключать осциллограф к исследуемой цепи. Если в ней нет четко выраженного  общего провода, то корпус подключается к любой из точек, напряжение между  которыми требуется исследовать. Если в цепи присутствует общий провод – точка, условно принимаемая за нулевой потенциал, соединенная с корпусом устройства или реально заземленная, то корпус осциллографа лучше подключать к этой точке. Невыполнение этого правила может привести к значительным погрешностям измерений (иногда настолько большим, что измерениям и вовсе нельзя доверять).

По своей сути осциллограф  является вольтметром, показывающим график напряжения. Однако с его помощью  можно наблюдать и форму тока. Для этого последовательно с  исследуемой цепью включают резистор Rт (здесь индекс «т» означает токовый), рис. 9. Сопротивление резистора Rт выбирают намного меньшим, чем сопротивление цепи, тогда резистор не влияет на ее работу и его включение не приводит к изменениям режима работы цепи. На резисторе по закону Ома возникает напряжение:

Это напряжение и измеряется осциллографом. А зная величину Rт можно перевести напряжение, показываемое осциллографом в ток.

Рис. 9. Измерение тока осциллографом.

Двухканальный (и двухлучевой) осциллограф может показывать осциллограммы  двух сигналов одновременно. Для этого  у него имеется два входа (канала), обычно обозначаемых I и II. Следует помнить, что одна из входных клемм каждого  канала соединена с корпусом осциллографа, следовательно, клеммы «корпус» обоих каналов соединены между собой. Поэтому эти клеммы должны подключаться к одной и той же точке цепи, иначе в цепи произойдет замыкание (рис. 10).

Рис. 10. Подключение двухканального осциллографа. «Земли» входов могут  создать замыкание в цепи.

На рис. 10а точки цепи В и D оказались замкнутыми между собой через корпус осциллографа (замыкающий проводник показан пунктиром). В результате конфигурация цепи изменилась.

Возможность наблюдать не любые два напряжения, а только имеющие общую точку, является недостатком, но небольшим – в электронике  один из полюсов источника питания  всегда является общим проводом, и  все напряжения измеряются относительно него.

Используя двухканальный  осциллограф можно одновременно наблюдать и напряжение, и ток  в цепи. И таким образом измерять сдвиг фаз между током и  напряжением. Схема подключения  осциллографа в этом случае показана на рис. 11.

Рис. 11. Подключение осциллографа для измерения сдвига фаз.