Работа с осциллографом

Канал I измеряет напряжение, а канал II измеряет ток. Такое включение  наиболее оптимально, т.к. напряжение, падающее на резисторе Rт и подаваемое в канал II, в 30…100 раз меньше, чем в канале I, следовательно, оно больше подвержено помехам и синхронизация от низкого напряжения не такая хорошая. Кроме того, конструкция большинства осциллографов несколько «несимметричная» – синхронизация от сигнала канала I обычно более качественная и стабильная. Таким образом, подключение канала I к напряжению обеспечивает более стабильное изображение осциллограммы.

Ошибка подключения на рис. 11б состоит в том, что клеммы корпуса обоих входов не соединены  в одной точке. В результате резистор Rт оказывается замкнут накоротко через корпус осциллографа. Самое неприятное, что при этом напряжение на резисторе Rт не равно нулю – из-за того, что сопротивление проводов входных кабелей (через которые этот резистор замыкается) не нулевое. Поэтому при таком подключении можно не заметить эту ошибку (ведь осциллограф что-то показывает), а результат измерения тока при этом будет неверным.

Включение, показанное на рис. 11в неудачно тем, что канал I осциллографа измеряет не напряжение в исследуемой  цепи, а сумму напряжений в цепи и на резисторе Rт (напряжение измеряется не на нагрузке, а на источнике). Напряжение на Rт хоть и небольшое по величине, но все равно вносит погрешность в измерение напряжения.

Подключение осциллографа, показанное на рис. 11а не только обеспечивает наибольшую точность измерений, но и  позволяет в ряде случаев использовать резистор Rт с довольно большим сопротивлением. Это важно при измерении малых токов: если и ток в цепи и сопротивление Rт малы, то возникающее на Rт напряжение может быть настолько маленьким, что чувствительности осциллографа не хватит для его отображения.

При измерении  сдвига фаз необходимо инвертировать  сигнал в канале II, поскольку канал II включен встречно по отношению  к каналу I. 

 

3. Управление осциллографом

Рассмотрим переднюю панель двухканального осциллографа С1-83 (рис. 12).

Рис. 12. Передняя панель осциллографа С1-83.

А – управление каналом I. 
Б – управление отображением каналов. 
В – управление каналом II. 
Г – регулировка яркости луча, фокусировки и подсветки экрана. 
Д – управление разверткой. 
Е – управление синхронизацией.

Хорошо видно, что экран  осциллографа разбит на клетки. Эти  клетки называются делениями, и используются при измерениях: к ним привязываются  все масштабы по вертикали и горизонтали. Масштаб по вертикали – вольты на деление (В/дел или V/дел), масштаб по горизонтали секунды (милли- и микросекунды) на деление. Обычно осциллограф имеет 6…10 делений по горизонтали и 4…8 делений по вертикали. Центральные вертикальная и горизонтальная линии имеют дополнительные риски, делящие деление на 5 или 10 частей (рис. 13, на рис. 12 тоже видно). Риски служат для более точных измерений, они являются долями деления.

Рис. 13. Деления экрана осциллографа.

Управление обоими каналами одинаковое. Рассмотрим его на примере  канала I (рис. 14).

Рис. 14. Органы управления канала I.

1. Переключатель режима  входа. В верхнем положении  « » на вход поступает и постоянное и переменное напряжение. Это называется «открытый вход» – то есть открытый для постоянного тока. В нижнем положении «~» на вход проходит только переменное напряжение, это позволяет измерять маленькое переменное напряжение на фоне большого постоянного, например в усилителях. Реализуется это очень просто: вход усилителя подключается через конденсатор. Это называется «закрытый вход». Учтите, что при закрытом входе очень низкие частоты (ниже 1...5 Гц) сильно ослабляются, поэтому измерять их можно только при открытом входе. В среднем положении переключателя 1 вход усилителя осциллографа отключается от входного разъема и замыкается на землю. Это позволяет при помощи ручки 7 выставить линию развертки в нужное место.

2. Входной разъем канала.

3, 4, 5, 6. Регулятор чувствительности  канала вертикального отклонения (масштаба по вертикали). Переключатель  4 задает масштаб ступенчато. Задаваемые  им значения нанесены рядом  с ним. На выбранное значение  указывает риска 5 на переключателе.  На рисунке она указывает на  значение 0,2 вольта/деление. Ручка  3, расположенная соосно с переключателем, позволяет плавно уменьшать масштаб  в 2…3 раза. В крайнем правом  положении (на рис. 14 ручка «плавно»  находится именно в нем) эта  ручка имеет фиксацию, тогда масштаб  по вертикали в точности равен  заданному переключателем 4. Значения  масштабов, выделенные скобкой  6, указаны в милливольтах на  деление – об этом говорит  надпись «mV» внутри скобки.

7. Ручка выполняет две  функции. При вращении она перемещает  график канала по вертикали  вверх или вниз  . При «вытягивании» задает множитель масштаба по вертикали: вытянутая ручка (рис. 15) задает множитель х1, а утопленная множитель х10. Утопленное и вытянутое положения символически показаны над и под ручкой.

Рис. 15. Ручка множителя  масштаба по вертикали вытянута в  положение «х1».

Канал II (рис. 16) аналогичен каналу I:

1 – переключатель режима  входа; 
2 – входной разъем; 
3 – масштаб плавно; 
4 – масштаб ступенчато; 
5 – перемещение луча по вертикали и множитель масштаба.

Рис. 16. Органы управления канала II.

Но второй канал имеет  дополнительный переключатель 6, позволяющий  инвертировать его входной сигнал. В нажатом положении канал работает как обычно, а в вытянутом – инвертируется, то есть при отрицательном входном сигнале луч движется вверх, а при положительном – вниз. Это необходимо при измерении, например, сдвига фаз.

На рис. 17 показано управление отображением каналов, которое определяется нажатием на одну из кнопок.

Рис. 17. Управление отображением каналов.

1 – Работает только  канал I, канал II отключен.

2 – Оба канала отображаются  одновременно (луч очень быстро  переключается между каналами) и  взаимное положение осциллограмм  обоих каналов верное. В этом  режиме можно измерять сдвиг  фаз.

3 – Осциллограф показывает  сумму или разность сигналов  в каналах (знак второго канала  определяется положением ручки  6 на рис. 16).

4 – Отображаются сигналы  обоих каналов, но они независимы  во времени, поэтому никакое  сравнение сигналов относительно  времени и сдвига фаз производить  нельзя.

5 – Работает только  канал II, канал I отключен.

Панель управления разверткой (рис. 18) похожа на панель управления каналом  вертикального отклонения луча. Она  содержит ручку 4, позволяющую сдвигать изображение влево-вправо   и комбинированный регулятор (1 – ступенчато, 3 – плавно) скорости развертки (масштаба по горизонтали). Риска 2 на переключателе показывает установленное значение. Как и в каналах вертикального отклонения, переключатель скорости развертки имеет разные единицы измерения: секунды s, миллисекунды ms, микросекунды µs. Вытянутая/утопленная ручка 4 « » задает множитель скорости развертки х0,2 и х1 соответственно. Обратите внимание: на рис. 18 ручка 3 регулирования скорости развертки «плавно» установлена не в крайнее правое положение. Значит скорость развертки не равна значению, заданному переключателем 1, а меньше него (скорость движения луча меньше, а значение время/деление больше!).

Рис. 18. Органы управления разверткой

На панели управления синхронизацией (рис. 19) задается:

Рис. 19. Органы управления синхронизацией.

1 – Источник внутренней  синхронизации: напряжением какого канала синхронизируется движение луча. Эта синхронизация производится входным сигналом, поэтому называется внутренней. Такой режим используется для большинства измерений. Варианты здесь такие: либо синхронизация только сигналом канала I. Либо попытка синхронизации от канала I, а если не получается, то синхронизация производится сигналом канала II. Первый вариант иногда работает немного лучше, поэтому надо стараться, чтобы сигнал первого канала был достаточно большой для стабильной синхронизации. В подавляющем большинстве случаев для нормальной работы следует выбирать именно этот режим синхронизации, включив кнопку «I».

2 – Внешняя синхронизация.  Движение луча синхронизируется  импульсами, подаваемыми со специального  внешнего источника на вход  синхронизации осциллографа. Такой  режим иногда требуется для  исследования специфических сигналов. Если внешнего источника синхронизации  нет, то получить устойчивое  изображение невозможно. Кнопки  «0,5-5» и «5-50» задают диапазон  входных напряжений от внешнего  источника синхронизации. Кнопка  «X-Y» совместно с кнопкой «II X-Y» управления отображением каналов  (рис. 17) подает сигнал канала II на  пластины горизонтальной развертки.  В этом режиме можно наблюдать  фигуры Лиссажу. 
 
3 – Ручка «Уровень синхронизации». Задает напряжение синхронизации (рис. 5). В нажатом положении этой ручки (как на рисунке) развертка автоматическая. При этом движение луча будет происходить даже если синхронизации не произойдет. Луч задерживается в начале движения на некоторое время до момента синхронизации, но через некоторое время все равно начинает движение. Это «мягкий» режим, более удобный для работы, так как луч всегда остается видимым. В вытянутом положении ручки включается ждущая развертка. В этом режиме луч не начнет движения до тех пор, пока не произойдет синхронизации. Если синхронизации не происходит, луч не движется. Такой режим хорошо подходит для наблюдения непериодических сигналов. Влияние этой ручки на изображение показано на рис. 4 и 5.

4 – «Полярность» синхронизации.  На самом деле знаки «+» и  «-» означают несколько другое. В положении «+» синхронизация происходит по фронту, т.е. в тот момент, когда входное напряжение достигает заданного (ручкой «Уровень синхронизации») значения при нарастании входного напряжения (изменении от «-» к «+»), рис. 20. В положении «-» синхронизация происходит по спаду – при убывании входного напряжения (изменении от «+» к «-»). В осциллографе в цепи синхронизации используются две различные схемы: одна определяет равно ли входное напряжение заданному и если равно – запускает движение луча. Это напряжение задается ручкой «Уровень синхронизации». Вторая схема определяет, как при этом изменяется входное напряжение – возрастает или убывает. И соответственно разрешает первой схеме сработать.

5 – Режим входа синхронизации.  Относится как к внешней, так  и ко внутренней синхронизации. В положении «~» вход закрытый, и синхронизация происходит только от переменного напряжения. В положении « » вход открытый, и на срабатывание схемы синхронизации действует и переменное напряжение, и постоянное. Режим «НЧ » то же самое, но сигнал попадает на цепь синхронизации через фильтр низких частот, обрезающий высокочастотные помехи. Это режим есть не во всех осциллографах.

6 – Вход для подачи  сигнала внешней синхронизации.

Рис. 20. «Полярность» синхронизации.  

 

4. Измерения осциллографом

Измерения производятся визуально и их погрешность получается довольно высокой. Кроме того, напряжение развертки имеет невысокую линейность, поэтому погрешность измерения частоты и сдвига фаз может достигать 5%. Для минимизации погрешности, изображение должно иметь размер 80…90% от размеров экрана. При измерении напряжения и частоты (временных интервалов) необходимо ручки плавной регулировки усиления входного сигнала и скорости развертки необходимо установить в крайнее правое положение.

4.1. Измерение напряжения

Для измерения напряжения используется известное значение масштаба по вертикали. Перед началом измерения  необходимо замкнуть накоротко входные  клеммы осциллографа (или установить переключатель режима входа в  положение  ) и ручкой   установить линию развертки на горизонтальную линию сетки экрана, чтобы была возможность правильно определить высоту осциллограммы, рис. 21а.

После этого на вход подается исследуемый сигнал (или переключатель  режима входа устанавливается в  одно из рабочих положений). На экране появляется график функции сигнала, рис. 21б.

Рис. 21. Измерение напряжения (скриншот цифрового осциллографа): а – подготовка; б – измерение.

Для того чтобы точнее измерить высоту графика, осциллограмма сдвигается ручкой   так, чтобы точка, в которой измеряется амплитуда попала на центральную вертикальную линию, имеющую градуировку в долях деления (рис. 22). Получаем: чувствительность канала вертикального отклонения = 1 В/дел, размер осциллограммы 2,6 деления, следовательно амплитуда сигнала 2,6 вольт.

Рис. 22. Определение амплитуды  сигнала.

Продемонстрируем измерение  напряжения на самом осциллографе. Максимум напряжения имеет величину 3,4 деления (рис. 23). Определение масштаба по вертикали показано на рис. 24. Ручка  «плавно» установлена в крайнее  правое положение. Риска на переключателе  чувствительности показывает 0,5 вольт/деление. Множитель масштаба установлен в  положение х10 (утоплен). Следовательно измеряемое напряжение равно:

 

 

Рис. 23. Определение амплитуды  на осциллографе С1-83.

Рис. 24. Определение масштаба по вертикали на осциллографе С1-83. 

 

4.2. Измерение частоты

Осциллограф позволяет измерять временные интервалы, в том числе  и период сигнала. Частота сигнала  обратно пропорциональна его  периоду. Период сигнала можно измерять в различных частях осциллограммы, но наиболее удобно и точно измерять его в точках пересечения графиком оси времени. Поэтому перед измерением линию развертки необходимо установить на центральную горизонтальную линию  сетки экрана (рис. 21а).

Рис. 25. Измерение периода  сигнала.

При помощи ручки   начало периода совмещается с вертикальной линией сетки, рис. 25 (лучше всего начало периода совмещать с самой левой вертикальной линией экрана, тогда точность будет максимальна). Период сигнала, показанного на рис. 25 равен 6,8 делений. Скорость развертки – 100 мкс/деление (поскольку греческая буква µ, означающая «микро», не всегда доступна для отображения, ее часто заменяют латинской буквой u, сходной по начертанию). Тогда период сигнала

и его частота:

Обратите внимание, что  на рисунках 22 и 25 показан один и  тот же сигнал, но при различных  значениях скорости развертки. Определение  частоты по рис. 22 дает большее значение погрешности (точное значение частоты 1,459 кГц). Поэтому наиболее точные измерения  получаются, если максимально растянуть  изображение по горизонтали. И еще. На рис. 25 длительность периода сигнала  чуть-чуть больше, чем 6,8 делений. Раз  период больше, частота сигнала на самом деле чуть-чуть меньше, чем  та, которую мы получили: реально 1,459 кГц, а у нас 1,47 кГц. На самом деле погрешность измерения меньше одного процента – это высокая точность. Такую точность обеспечивает цифровой осциллограф, у которого развертка  линейна. В аналоговом осциллографе погрешность измерения частоты, скорее всего, была бы выше.