Что такое осциллографы: как правильно измерять сигналы

---

Что такое осциллографы и какую функцию они выполняют? Представляем вам руководство, которое познакомит вас с основами использования осциллографа. Оно предназначено для тех, у кого очень мало или совсем нет опыта работы с электроникой и в частности с осциллографами. Существует много типов осциллографов, и каждый из них немного отличается друг от друга, поэтому я собираюсь сосредоточиться на основных компонентах, которые есть во всех осциллографах и которые являются наиболее полезными для начала работы.

Что такое осциллографы — принцип работы и основы измерения сигналов

Осциллографы полезны для наблюдения за очень быстрыми изменениями напряжения во времени, которые мы не можем измерить с помощью мультиметра. Обычно, когда вы производите измерение с помощью осциллографа, вы видите линию, которая тянется от одной стороны экрана к другой; эта линия на самом деле представляет собой график зависимости напряжения от времени (рис. 2), где напряжение измеряется по оси y, а время — по оси x.

Осциллографы бывают двух видов: аналоговые и цифровые (в этом руководстве я буду использовать цифровой осциллограф). Элементы управления обоих типов в основном одинаковы; имейте в виду, что цифровые осциллографы могут скрывать некоторые элементы управления в меню на ЖК-дисплее вместо использования ручки или кнопки.

Шаг 1. Обзор элементов управления

Все осциллографы имеют некоторые общие элементы управления, убедитесь, что вы можете распознать эти элементы управления на своем осциллографе:

• как минимум один вход, к которому можно подключить пробник осциллографа (так называемый коаксиальный кабель) (убедитесь, что у вас есть один из этих кабелей)
• экран с наложенной сеткой — эта сетка будет полезна при измерении различных параметров с помощью осциллографа
• VOLTS/DIV (вольт/деление) — этот дискретный регулятор позволяет изменять количество вольт, представленное каждым шагом вертикальных делений на сетке экрана. По сути, он позволяет увеличивать и уменьшать масштаб по оси y.
• TIME/DIV (время/деление) — этот регулятор позволяет вам изменить время, представленное каждым шагом горизонтальных делений на сетке экрана. Он позволяет увеличивать и уменьшать масштаб по оси x.
• вертикальное положение/смещение — позволяет перемещаться вверх и вниз по оси y
• горизонтальное положение/смещение — перемещение влево и вправо
• уровень триггера — это инструмент, который позволяет вам стабилизировать форму волны на экране, подробности я расскажу позже в этом руководстве.

Примеры смотрите на изображениях выше.

Шаг 2: Настройка

Включите осциллограф. Если к осциллографу ничего не подключено, вы должны увидеть ровную линию, это означает, что входное напряжение не меняется со временем. Если вы видите неровную линию, попробуйте отключить пробник от осциллографа. Если на экране ничего не отображается, попробуйте следующее (помните, что все осциллографы немного отличаются, не беспокойтесь о нажатии кнопок, если вы не уверены, вы ничего не сломаете):

• у меня двухканальный осциллограф, что означает, что у него два входа. Как показано на рисунке 2, нажатие кнопки «канал 1» приводит к отображению этого входа на экране желтым цветом. При повторном нажатии он исчезнет. При нажатии на канал 2 вход отображается синим цветом. Ваш осциллограф может иметь только один вход (без кнопок каналов) или может иметь более 2. Аналоговые осциллографы не будут отображать отдельные каналы разными цветами, они все зеленые.
• вы можете сильно увеличить размах на каком-то пустом месте, попробуйте повернуть ручку volts/div против часовой стрелки, чтобы уменьшить масштаб, также попробуйте повернуть регулятор вертикального смещения, пока не получите ровную линию в центре экрана.
• убедитесь, что ваш экран не в режиме x y

Используйте элементы управления вольт/деление и вертикальное смещение для центрирования горизонтальной линии на экране и установите для начала вольт/деление на 1V и время/деление на 1мс для запуска.

Шаг 3: Подключитесь к осциллирующему сигналу

Для следующего шага вам понадобится стабильный сигнал с фиксированной частотой. Если у вас есть генератор сигналов, вы можете использовать его, установив при этом значения на импульс амплитуды 2,5V или прямоугольную форму сигнала с частотой 500 Гц. Если у вас нет генератора сигналов, рассмотрите один из следующих вариантов:

• arduino — если у вас есть под рукой Arduino, загрузите на него код ниже, он будет генерировать прямоугольную волну с цифрового вывода 8, которая колеблется между 0 и 5V с частотой = 500 Гц (я выбрал этот вариант)
• Таймер 555 — Подключите таймер 555 для импульса с частотой 500 Гц

Подключите коаксиальный кабель к осциллографу. Подключите центральную (осевую) часть кабеля к сигналу, а другую сторону (обычно зажим типа «крокодил») — к земле. А пока установите осциллограф на связь по переменному току (я объясню немного больше об этом в конце руководства).

//simple 500Hz square wave
//by Amanda Ghassaei 2012

/*
 * This program is free software; you can redistribute it and/or modify
 * it under the terms of the GNU General Public License as published by
 * the Free Software Foundation; either version 3 of the License, or
 * (at your option) any later version.
 *
 * This program is distributed in the hope that it will be useful,
 * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
 * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
 * GNU General Public License for more details.
*/

//sends 500Hz pulse wave out arduino D8

void setup() {
  //set digital pin 8 as output
  pinMode(8,OUTPUT);
}

void loop(){
  digitalWrite(8,HIGH);//set pin 8 to +5V
  delay(1);//wait 1ms
  digitalWrite(8,LOW);//set pin 8 to 0V
  delay(1);//wait 1ms
}

Шаг 4: Установите триггер

Как только вы подключитесь к своему сигналу, вы должны увидеть, как ровная линия превращается в какую-то форму волны. Отрегулируйте время/деление так, чтобы вы могли видеть разделение между колебаниями, отрегулируйте вольт/деление и вертикальное положение так, чтобы форма волны колебалась в пределах экрана. Ваша волна может быть трудно различимой, и она может казаться несколько нестабильной, как показано на рисунке 2.

Если это не так, поверните регулятор уровня пуска до тех пор, пока это не произойдет (если ваш осциллограф имеет более одного канала, убедитесь, что для пуска установлено соответствующее значение. На моем экране это можно настроить, нажав кнопку меню триггера и следуя указаниям в меню ЖК-дисплея, найдите слова «источник триггера»).

Поворачивая ручку уровня развертки, вы увидите, как размах сигнала перемещается вверх и вниз по экрану (маленький желтый треугольник в правой части экрана на изображениях выше). Обратите внимание: когда уровень развертки превышает высоту формы волны, сигнал становится нестабильным. Уровень запуска — это, по сути, уровень напряжения, с которым ваш осциллограф сравнивает входящий сигнал, что позволяет ему стабилизировать повторяющуюся форму сигнала или улавливать скачки напряжения на экране.

Запуск может быть довольно сложным, бывают случаи, когда люди используют внешние источники запуска и задают для этого специальные режимы. Однако для большинства устройств в этом нет необходимости, и достаточно просто установить уровень триггера на некоторое напряжение в пределах вашего входящего сигнала.

Перед тем как перейти к следующему шагу, установите уровень точку запуска в центр экрана, как показано на рис.3 в шаге 4.

Шаг 5: Масштабирование

Отрегулируйте вольт/деление, время/деление и смещение по вертикали до появления формы сигнала на экране осциллографа, как показано на первом изображении выше.

Я использовал следующие параметры (для входящего сигнала Arduino)

• Вольт/деление = 1V
• Время/деление = 1мс

Отрегулируйте вертикальное смещение, пока форма сигнала не начнет колебаться вокруг центра экрана

Поиграйте с этими тремя элементами управления, чтобы понять, как они работают. На изображениях выше также представлена ​​более подробная информация.

Также попробуйте отрегулировать горизонтальное положение, чтобы также увидеть, как это происходит.

Если у вас возникли серьезные проблемы с поиском формирующего импульса или его центрированием на экране, задайте себе следующие вопросы:

• вы находитесь в режиме соединения по переменному току?
• щуп подключен к осциллографу?
• заземлен ли щуп (прикреплен ли на боковой панели зажим «крокодил» к заземлению)?
• генератор сигналов/таймер arduino/555 включен?
• Вы смотрите на нужный канал?

Некоторые вещи, которые стоит попробовать:

• масштабировать полностью по оси y — установить максимальное значение вольт/деление.
• установить вертикальное смещение на ноль
• переключить канал

Шаг 6: Измерьте амплитуду

Амплитуда размаха сигнала — это разница между высотой пиков сигнала и уровнем его равновесия (значением, вокруг которого колеблется форма сигнала). В этом случае я центрировал изображение на экране, чтобы оно колебалась вокруг центральной горизонтальной линии сетки. Расстояние между этой линией равновесия и высоким или низким пиком размаха составляет 2,5 деления сетки по вертикали (см. Красные стрелки). Поскольку для вольт/деление установлено значение 1V, 2,5 деления сетки равны 2,5V, поэтому амплитуда полного размаха составляет 2,5V.

В этом есть смысл, поскольку я знаю, что в коде Arduino (в данном случае мой ввод) я установил вывод 8 на колебание между 0 и 5V. Это колебание имеет среднюю точку (равновесие) 2,5 В и амплитуду 2,5.

Шаг 7: Измерьте частоту

Частота размаха — это количество раз в секунду, когда сигнал повторяет свою форму. Мы не можем напрямую измерить частоту на осциллографе, но мы можем измерить тесно связанный параметр, называемый периодом; период амплитуды — это время, необходимое для завершения одного полного цикла.

Как показано на изображении выше, один цикл завершается двумя горизонтальными делениями сетки. Как указано в нижней части экрана, я установил значение время/деление на 1мс, поэтому 2 деления по формуле: 2мс = 0,002 секунды.

Используя соотношение частота = 1/период, я рассчитал, что период сигнала составляет 500 циклов в секунду (или 500 Гц).

Шаг 8: Расширенный осциллограф: подключение переменного и постоянного тока + заземление

Соединение по переменному току удаляет постоянную составляющую вашего сигнала, так что его значение колеблется в районе нуля. Для многих осциллографов это является преимуществом, поскольку позволяет увеличить размах сигнала, чтобы можно было измерить небольшие помехи переменного тока. Если вам не хотите знать об измерении смещения сигнала постоянного тока, а хотите наблюдать только переменную составляющую, используйте соединение по переменному току. Если вы хотите посмотреть и на переменную, и на постоянную составляющую сигнала или вас интересует только постоянная составляющая, используйте соединение по постоянному току.

Ваш осциллограф также может предоставить вам возможность заземления. Переключение на заземление даст вам ровную линию, которая представляет размах в 0 вольт. Используйте элемент управления вертикальным смещением, чтобы совместить его с одной из линий сетки — это будет ваш заземляющий маркер. Вы можете переключиться обратно на свой сигнал, переведя его в режим постоянного тока, чтобы получить представление о его расстоянии от земли (вам может потребоваться переключатся с volt/div, чтобы ваш сигнал оставался на экране). Переключение в режим переменного тока удалит составляющую постоянного тока вашего сигнала и покажет колебания вокруг маркера заземления.

На изображениях выше я использовал все три режима соединения для измерения импульсного сигнала, колеблющегося между 0 и 5V. Сначала я перевел осциллограф в режим связи с землей, чтобы выровнять контур заземления с центральной линией на дисплее. Переключившись обратно на подключение по постоянному току (рис. 3), вы можете увидеть, как мой сигнал колеблется между 0-5V (каждое вертикальное деление соответствует 2V). В режиме связи по переменному току (рис. 5) смещение постоянного тока
2,5V удаляется, и сигнал колеблется вокруг земли с амплитудой 2,5V.

Шаг 9: Расширенный осциллограф: двухканальные измерения

Если у вашего осциллографа несколько каналов, вы можете просматривать несколько входов одновременно. Это особенно полезно для просмотра изменений сигнала, когда он проходит по измеряемой цепи.

Я настроил импульсную форму сигнала и пропустил ее через простую схему повторителя напряжения и токовый буфер, чтобы измерить скорость нарастания сигнала операционного усилителя. В идеале импульс, проходящая через повторитель напряжения, вообще не должен изменяться. Я измерил приходящий меандр на канале 1 (желтый) и выходной на канале 2 (синий). Как вы можете видеть на рис. 1, прямоугольные сигналы расположены примерно друг на друге. Увеличив значение время/деление (рис. 2), вы можете увидеть, что выходной сигнал имеет небольшую задержку примерно в половину деления. Каждое деление соответствует 25 мкс, так что это отставание примерно в 12 мкс.

Некоторые другие примеры использования двухканальных измерений, которые приходят на ум, включают:

• измерение времени отклика датчика — сравните импульсный сигнал с сигналом от датчика
• измерение фазовых изменений
• анализ эффекта фильтра

Шаг 10: Расширенный осциллограф: режим X-Y

Во введении я упомянул, что обычно кривые осциллографа показывают зависимость между напряжением и временем. Бывают случаи, когда полезно сравнить напряжение одного сигнала с другим. Это особенно полезно для построения кривых I-V для диодов и других компонентов.

На рис. 2 показан график x-y двух каналов, изображенных на рис. 3. Канал 1 (желтый на рис. 3) нанесен по оси x, а канал 2 (синий на рис. 3) нанесен по оси y.