Як користуватися осцилографом? Як користуватися портативним цифровим осцилографом?

У статті буде детально розказано про те, як користуватися осцилографом, що це таке і для яких цілей він необхідний. Жодна лабораторія не може проіснувати без вимірювальної апаратури або джерел сигналів, напруг і струмів. А якщо ви плануєте займатися проектуванням і створенням різних пристроїв (особливо якщо мова йде про високочастотної техніки, наприклад, інверторних блоках живлення), то без осцилографа зробити що-небудь виявиться проблематично.

Що таке осцилограф

Це такий прилад, який дозволяє «побачити» напруга, а якщо точніше, то його форму протягом певного проміжку часу. З його допомогою можна виміряти чимало параметрів – напругу, частоту, силу струму, кути зсуву фаз. Але чим гарний особливо цей прилад, так це тим, що він дозволяє візуально оцінити форму сигналу. Адже в більшості випадків саме вона говорить про те, що конкретно відбувається в ланцюзі, в якій проводиться вимірювання.
В деяких випадках, наприклад, напруга може містити не тільки постійний, але і змінну складову. І форма другий може бути далека від ідеальної синусоїди. Такий сигнал вольтметри, наприклад, сприймають з великими похибками. Стрілочні прилади будуть видавати одне значення, цифрові - набагато менше, а вольтметри постійного струму в кілька разів більше. Саме точне вимірювання виходить провести саме за допомогою описуваного в статті приладу. І не має значення, чи застосовується осцилограф Н3013 (як користуватися, розглянуто нижче) або іншої моделі. Вимірювання відбуваються однаково.

Особливості приладу

Цифрові осцилографи можуть не тільки показувати в режимі реального часу форму сигналу, але і зберігати всі дані, які згодом можна буде прочитати на персональних комп'ютерах. По осцилограмі, зображеної на малюнку вище, можна визначити деякі особливості сигналів:

Характер сигналу імпульсний.

Негативних значень не має вхідний сигнал.

Відбувається дуже швидка зміна значень від 0 до максимуму і назад.

Тривалість імпульсу вище тривалості паузи більш ніж в три рази.

Як правило, за допомогою осцилографа проводяться дослідження періодичних сигналів. Саме про них і піде мова в статті.

Як він функціонує

Серце всіх осцилографів – електронно-променева трубка. Це, можна сказати, радиолампа, отже, всередині знаходиться вакуум. На катоді відбувається випромінювання електронів. За допомогою фокусуючої системи проводиться формування тонкого променя з цих електронів. Внутрішня частина екрану покрита рівним шаром люмінофора. Він при впливі електронів починає світитися. Дивлячись зовні на екран, можна бачити посередині світлу точку. В електронно-променевій трубці є дві пари пластинок, які направляють електронний промінь в потрібну сторону. Причому його відхилення відбувається в перпендикулярних (взаємно) напрямках. Якщо говорити простіше, то виходить дві координатні системи. Щоб спостерігати за напругою на екрані трубки, потрібно:

По горизонталі промінь слід відхиляти таким чином, щоб значення відхилення було прямо пропорційно часу.

У вертикальній площині необхідно, щоб значення відхилення було пропорційно того напруження, дослідження якого проходить.

Розгортка

Напруга розгортки необхідно подавати на ті пластини, які розташовані у вертикальній площині. Воно пилкоподібної форми, повільно наростає лінійно, і у нього дуже швидкий спад. При цьому позитивне напруга призводить до того, що промінь відхиляється вправо. А негативне – до того, що промінь рухається вліво. Це в тому випадку, якщо спостерігач знаходиться перед екраном, і можна бачити, як промінь здійснює рух зліва направо. При цьому швидкість його постійна. Після досягнення крайньої правої кордону він швидко йде на вихідну. Потім заново повторюється рух. У даній статті буде максимально детально розказано про те, як правильно користуватися осцилографом. Вищевикладений процес і носить назву «розгортка». Лінія розгортки – це лінія (горизонтальна), прочерчиваемая променем на екрані. Коли проводяться виміри, її називають лінією нуля. Вона ж є віссю часу на графіку. Частота розгортки – це не що інше, як частота, з якою відбувається повторення імпульсів пилкоподібної форми. В процесі вимірювань вона не застосовується. Важливі параметри для вимірювань – це швидкість.

Як підключити імпортний осцилограф

Напруга міряти потрібно в двох точках, значить, вхід осцилографа – це дві клеми. Зверніть увагу на те, що функції у кожній з клем різні:

Перша підключається на вхід підсилювача, який відхиляє промінь у вертикальній площині.

Друга клема – це загальний провід (земля, мінус, корпус). Має електричну зв'язок безпосередньо з корпусом приладу.

Звідси висновок можна зробити про те, що при допомогою осцилографа вимірюється фазовий напруга відносно землі. Причому необхідно знати, який з входів - фаза. У приладах зарубіжного виробництва застосовуються спеціальної конструкції щупи. У них загальний провід зроблений у вигляді затискачів типу «крокодил». Найбільш розумне рішення, так як саме цей провід найчастіше з'єднується з металевим корпусом пристрою, на якому проходять вимірювання. А ось фаза виконується у вигляді голки. З її допомогою можна без праці ткнути в будь-яке місце друкованого монтажу, навіть у самотню ніжку мікропроцесора.

Як підключити вітчизняний осцилограф

У Росії інші стандарти, тому на приладах вітчизняного виробництва все по-іншому. Найчастіше використовуються штекери діаметром 4 мм, Причому вони однакові, доводиться з'ясовувати деякі ознаки, щоб не поплутати підключення:

Мінусовій висновок, як правило, має велику довжину.

Чорний або коричневий колір характерний для земляного дроти.

На земляному штекері нанесені УГО «заземлення» або «загальний провід».

Але таке не завжди можна зустріти, так як кабелі часто піддаються ремонту, під час якого на провід встановлюють штекер, який є в наявності. З імовірністю 100% можна визначити, який нульовий провід, а який - фазовий, одним способом. Спочатку торкніться рукою одного штекера, потім - іншого. І це не залежить від моделі, неважливо, це осцилограф С1-118А (як користуватися приладами, буде розказано нижче) або який-небудь інший. У тому випадку, якщо ви будете тримати в руці мінусовій провід, на екрані пристрою можна спостерігати рівну горизонтальну лінію. А якщо доторкнетеся до фазового дроти, то на екрані з'явиться спотворена синусоїда з величезною кількістю перешкод. Останні спостерігаються по причині того, що є деяка ємність між проводами побутової електромережі в кімнаті і вашим тілом (простір у приміщенні – це діелектрик).

Подальші дії

Коли фаза і мінус визначені, можна проводити вимірювання. У тому випадку, якщо ви не можете візуально визначити загальний для всіх елементів провід, необхідно підключатися до точок, між якими потрібно виміряти напругу. Але найчастіше в ланцюзі є загальний провід, він може навіть бути з'єднаний з заземленням. Таким же чином готується й осцилограф ОМШ-2М. Як користуватися ним для вимірювання величин, буде розказано нижче. У цьому випадку земляний провід осцилографа необхідно з'єднувати з ним. По суті, осцилограф – це вольтметр, який показує графік зміни напруги на певній ділянці часу. Але він дозволяє побачити і форму електричного струму. Для здійснення цього потрібно підключити спеціальний струмове опір. Причому значення його повинно бути менше, ніж повне опір самої ланцюга. В цьому випадку резистор не зможе впливати на роботу ланцюга.

Двоканальний осцилограф

Ще його називають двухлучевим, він володіє однією особливістю – може видавати на екрані сигнали з двох різних джерел одночасно. У нього є два канали, які позначаються римськими цифрами. Зверніть увагу на те, що в обох каналах мінусові клеми електрично з'єднані з корпусом. Тому при проведенні вимірювань не допускайте підключення цих проводів до різних ділянках ланцюга. Ось як користуватися осцилографом С1-68 наприклад, для вимірювань струму і напруги одночасно. Крім того, є ризик отримати неправильні відомості, так як ланцюг кардинально змінюється з-за цього короткого замикання. Недолік – це неможливість спостереження за двома різними напругами. Але він не дуже значний, так як у більшості приладів один з полюсів (як правило, мінусовій висновок джерела живлення) з'єднаний з корпусом, і він загальний. Отже, вимірювання всіх напруг відбуваються щодо цього загального проводу.

Можливості двоканального приладу

Скориставшись двоканальним осцилографом, ви отримуєте можливість контролювати струм і напруга в ланцюзі одночасно. Отже, без праці проводите завмер зсуву фаз між напругою і струмом. Один канал повинен вимірювати струм, а другий - напруга в досліджуваної ланцюга. Для вимірювання струму, як ви пам'ятаєте, необхідно включити в схему деякий резистор з певним опором. Так як користуватися осцилографом С1-94 і аналогами досить складно, потрібно тримати під рукою рекомендовані схеми підключень для вимірювання того чи іншого параметра. Варто звертати увагу на конструкцію осцилографів – вона трохи несиметрична. Іншими словами, синхронізація першого каналу набагато якісніше і стабільніше, ніж другого. Отже, потрібно підключати висновки першого каналу для вимірювання напруги, а не струму. Це дозволить отримати більш стабільне відображення осцилограми на екрані приладу. Ніколи не підключайте мінусові клеми двох каналів до різних точках ланцюга! Завжди з'єднайте їх разом.

Органи управління

На передній панелі приладу є кілька рукояток, які необхідні для проведення точної настройки осцилографа. Два потенціометра - для управління каналами 1 і 2. Також є функція управління синхронізацією, розгорткою, присутня можливість регулювання фокусування, яскравості, підсвічування. Якщо придивитися до екрану, то можна побачити, що він розбитий на невеликі квадрати - ділення. Ними необхідно користуватися при проведенні вимірювань. Саме до цих квадратах слід прив'язувати масштаби по горизонталі і вертикалі. Такі особливості має осцилограф С1-67. Як користуватися приладами такого типу для вимірювань величин, буде розказано нижче. Зверніть увагу, що по горизонталі масштаб вимірюється в секундах на поділ. А по вертикалі - в вольтах на поділ. Як правило, в осцилографі є приблизно 6-10 квадратів в горизонтальній площині і 4-8 - в вертикальної. На центрові лінії нанесені ризики, вони ділять кожен відрізок на 10 частин (рівних) або на 5. Завдяки цим поділом можна робити більш точні розрахунки.

Режим входу

На передній панелі є спеціальний перемикач, який переводить прилад у різні стани. Позначається символом - зверху пряма межа, нижче неї -хвиляста. При переведенні у верхнє положення на вхід може надходити як змінну, так і постійну напругу. Вхід відкритий вважається для постійного струму. При перемиканні в нижнє положення допустима подача на вхід тільки змінної напруги. Завдяки цьому з'являється можливість проводити виміри дуже маленького змінного напруги (по відношенню до дуже великих значень постійного). Актуально для проведення вимірювань в підсилювальних каскадах. Реалізувати це досить просто – необхідно до входу підсилювача підключити конденсатор. В даному випадку вхід закритий. Зверніть увагу на те, що в цьому режимі вимірювання НЧ-сигнали з частотою менше 5 Гц слабшають. Отже, вимірювати їх можна лише в режимі відкритого входу. Коли перемикач встановлений в середнє положення, то від роз'єми входу відключається підсилювач, і відбувається замикання на корпус. Завдяки цьому є можливість встановити розгортку. Так як користуватися осцилографом С1-49 і аналогами без знання основних органів управління неможливо, варто про них більш докладно поговорити.

Вхід каналу осцилографа

На передній панелі є масштаб у вертикальній площині – він визначається за допомогою регулятора чутливості того каналу, по якому відбувається вимір. Існує можливість змінити масштаб не плавно, а східчасто за допомогою перемикача. Які задати значення можна з його допомогою, дивіться на корпусі поруч з ним. На одній осі з цим перемикачем знаходиться регулятор для плавного коригування (ось як користуватися осцилографом С1-73 і аналогічними моделями). На передній панелі можна знайти ручку з зображенням двонаправленої стрілки. Якщо обертати її, то графік цього каналу почне переміщатися у вертикальній площині (вниз-вгору). Зверніть увагу на те, що біля цієї ручки є графічне позначення, яке показує, у яку сторону необхідно її обертати, щоб змінити значення множника в меншу або більшу сторону. Органи управління обох каналів однакові. Крім того, на передній панелі є ручки регулювання контрастності, яскравості, синхронізації. Варто відзначити, що цифровий кишеньковий осцилограф (як користуватися девайсом, ми розглядаємо) також має ряд налаштувань відображення графіків.

Як проводяться вимірювання

Продовжуємо описувати, як користуватися цифровим осцилографом або аналоговим. Важливо відзначити, що у всіх у них є недолік. Варто згадати одну особливість – усі виміри здійснюються візуально, тому є ризик того, що похибка виявиться високою. Також слід враховувати той факт, що напруги розгортки мають вкрай малої лінійністю, що призводить до похибки вимірювання зсуву фаз або частоти приблизно на 5%. Щоб мінімізувати ці похибки, потрібно виконати одну просту умову – графік повинен займати приблизно 90% площі екрану. Коли проводяться вимірювання частоти і напруги (є часовий інтервал), слід регулятори коригування посилення сигналу на вході і швидкості розгортки виставити в крайні праві положення. Варто помітити одну особливість: так як користуватися цифровим осцилографом може навіть новачок, прилади з електронно-променевою трубкою втратили актуальність.

Як виміряти напругу

Щоб провести вимірювання напруги, необхідно використовувати значення масштабу у вертикальній площині. Для початку потрібно виконати одну з таких дій:

З'єднати обидві вхідні клеми осцилографа між собою.

Перевести перемикач режимів входу в положення, яке відповідає з'єднанню з загальним проводом. Потім регулятором, біля якого зображена двонаправлена стрілка, домогтися того, щоб лінія розгортки збіглася з центральної (горизонтальної) рисою на екрані.

Переводите прилад в режим вимірювань і подаєте на вхід сигнал, який необхідно дослідити. При цьому в будь-яке робоче положення встановлюється перемикач режимів. А ось як користуватися портативним цифровим осцилографом? Трохи складніше - у таких приладів набагато більше регулювань. В результаті можна бачити на екрані певний графік. Для точного вимірювання висоти слід використовувати ручку з зображенням горизонтальній двонаправленої стрілки. Домагаєтеся того, щоб верхня точка графіка потрапляла на вертикальну лінію, розташовану в центрі. На ній є градуювання, тому буде набагато простіше провести розрахунок діючої напруги в ланцюзі.

Як виміряти частоту

За допомогою осцилографа можна провести вимірювання часових інтервалів, зокрема, періоду сигналу. Ви розумієте, що частота будь-якого сигналу завжди пропорційна періоду. Вимірювання періоду можна провести в будь-якій області осцилограми. Але зручніше й точніше провести завмер в тих точках, в яких графік перетинається з горизонтальною віссю. Отже, перед початком вимірювань обов'язково встановіть розгортку чітко на горизонтальну лінію, розташовану по центру. Так як користуватися портативним цифровим осцилографом набагато простіше, ніж аналоговим, останні давно канули в лету і рідко використовуються для вимірювань. Далі, використовуючи рукоятку, позначену горизонтальній двобічної стрілки, необхідно змістити початок періоду з крайньої лівої лінією на екрані. Після обчислення періоду сигналу можна, використовуючи просту формулу, розрахувати частоту. Для цього потрібно одиницю розділити на обчислений раніше період. Точність вимірювань буває різною. Щоб збільшити її, необхідно як можна сильніше розтягувати графік по горизонталі. Зверніть увагу на одну закономірність: при збільшенні періоду зменшується частота (пропорція адже зворотна). І навпаки – при зменшенні періоду відбувається збільшення частоти. Низьке значення похибки – це коли вона становить менше 1 відсотка. Але таку високу точність не кожен осцилограф здатний забезпечити. Тільки на цифрових, у яких лінійна розгортка, можна отримати такі точні вимірювання.

Як визначається зсув фаз

А тепер про те, як користуватися осцилографом С1-112А для вимірювання зсуву фаз. Але для початку – визначення. Зсув фаз – це характеристика, що показує, як розташовуються відносно один одного два процесу (коливальних) протягом деякого часу. Причому вимірювання відбувається не в секундах, а в частинах періоду. Іншими словами, одиниця вимірювання – це одиниці кута. Якщо сигнали будуть однаково розташовуватися взаємно, то у них зсув фаз буде також однаковий. Причому це не залежить від частоти та періоду – реальний масштаб графіків на горизонтальній (тимчасової) осі може бути будь-яким. Максимальна точність вимірювання буде в тому випадку, якщо розтягнути графік на всю довжину екрану. В аналогових осцилографах графік сигналу для кожного каналу буде мати одну яскравість і колір. Щоб відрізнити ці графіки один від одного, необхідно зробити для кожного свою амплітуду. Та напруга, яка подається на перший канал, важливо робити максимально великим. При цьому вийде набагато краще утримувати синхронізацією зображення на екрані. Ось як користуватися осцилографом С1-112А. Інші прилади відрізняються в експлуатації незначно.