Осциллограф из чего состоит

Осциллограф – измерительный прибор, предназначенный для наблюдения формы электрических сигналов и измерения их параметров.

С помощью осциллографа можно наблюдать периодические непрерывные и импульсные сигналы, непериодические и случайные сигналы, одиночные импульсы и измерять их параметры.

Чаще всего с помощью осциллографа наблюдается зависимость напряжения от времени. Ось x является осью времени, а по оси y откладывается напряжение сигнала.

По изображениям, получаемым на экране осциллографа, могут быть измерены амплитуда, период, длительность, частота и фазовый сдвиг, параметры модулированных сигналов, временные интервалы и ряд других параметров.

На базе осциллографа созданы приборы для исследования переходных, частотных и амплитудных характеристик различных радиотехнических устройств.

Применяемые в настоящее время осциллографы можно разделить на светолучевые аналоговые; электронно-лучевые аналоговые; электронные цифровые.

Светолучевые осциллографы регистрируют электрические сигналы световым лучом на специальных светочувствительных носителях.

Электронно-лучевые осциллографы (ЭО) – устройства, в которых основным элементом является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим управлением луча и люминесцирующим экраном. Для преобразования исследуемого сигнала в видимое изображение на экране электронный луч перемещается в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Для многих целей разработаны и используются различные типы электронно-лучевых осциллографов:
С1 – универсальные;
С7 – скоростные;
С8 – запоминающие;
С9 – специальные (для исследования телевизионных сигналов, медицинских целей и др.)

Отличаясь техническими характеристиками и схемными и конструктивными решениями, эти осциллографы используют общий принцип получения осциллограмм.

По числу одновременно наблюдаемых на экране электронно-лучевой трубки сигналов различают осциллографы: одноканальные и многоканальные, а также однолучевые и многолучевые.

В многолучевом осциллографе ЭЛТ имеет два и более электронных луча, управляемых отдельно или совместно.

В многоканальном осциллографе имеется специальное устройство – коммутатор, позволяющий получать изображение двух и более сигналов, поступающих по нескольким каналам, на экране однолучевой ЭЛТ.

Электронно-цифровые осциллографы, в которых отсутствует ЭЛТ, в канале вертикального отклонения имеют аналого-цифровой преобразователь (АЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), а в канале горизонтального отклонения – генератор тактов временной выборки дискретных сигналов (таймер). Изображение выводится на экран жидкокристаллического дисплея. Управление осциллографом осуществляется микропроцессором.

Как устроен осциллограф. Как пользоваться осциллографом.

Устройство и принцип действия прибора

Объясним устройство аналогового осциллографа просто, «для чайников». Прибор состоит из следующих элементов:

• лучевая трубка;
• блок питания;
• канал вертикального / горизонтального отклонения;
• канал модуляции луча;
• устройство синхронизации и запуска развёртки.

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:

• электродинамический;
• электростатический;
• выпрямительный;
• электромагнитный;
• магнитоэлектрический;
• термоэлектрический.

Прибор может работать самостоятельно или являться приставкой к другому оборудованию (например, компьютеру). Во втором случае цена ниже, но сам прибор зависим от внешнего устройства.

Классификация осциллографов

1. По назначению:

• универсальные — используются для широкого спектра задач, от разработки и отладки электронных устройств до диагностики и ремонта оборудования;
• скоростные — предназначены для регистрации быстропротекающих процессов;
• стробоскопические — позволяют исследовать медленно меняющиеся процессы;
• запоминающие — способны хранить данные для последующего анализа;
• специальные — разработаны для решения специфических задач, таких как анализ высокочастотных или высоковольтных сигналов.

2. По числу каналов:

• одноканальные — регистрируют один сигнал;
• двухканальные — позволяют одновременно исследовать два сигнала;
• многоканальные — имеют более двух каналов.

3. По типу дисплея:

• аналоговые — отображают форму сигнала с помощью электронно-лучевой трубки (ЭЛТ);
• цифровые — выводят информацию в виде чисел и графиков на жидкокристаллический дисплей (ЖКД).

4. По способу обработки сигнала:

• скоростные (стробоскопические) — позволяют наблюдать сигналы за пределами возможностей человеческого зрения;
• реального времени — обрабатывают данные в режиме реального времени;
• аппаратные — используют специальные алгоритмы обработки сигналов.

5. По степени мобильности:

• стационарные — используются в лабораториях и на производстве;
• портативные — компактные устройства для работы на выезде.

6. По количеству измеряемых осей:

• двухосевые — измеряют только амплитуду сигнала;
• трехосевые — добавляют измерение времени;

7. По принципу действия:

• электронно-лучевые (аналоговые) — работают на основе ЭЛТ;
• векторные — преобразуют исследуемый сигнал в набор векторов;
• цифровые (дискретные) — используют для обработки сигналов цифровые процессоры.

Принцип работы осциллографа

Принцип работы осциллографа заключается в том, что он измеряет и отображает изменения электрического сигнала во времени. Для этого осциллограф имеет два основных компонента:

• канал вертикального отклонения,
• канал горизонтального отклонения.

Канал вертикального отклонения.

Состоит из входного разъема, аттенюатора (делителя напряжения), предварительного усилителя и оконечного усилителя. Входной разъем служит для подключения исследуемого сигнала, а аттенюатор служит для регулировки уровня сигнала.

Предварительный усилитель усиливает слабый входной сигнал до уровня, который может быть обработан оконечным усилителем. Оконечный усилитель усиливает сигнал до необходимого уровня для отображения на экране.

Канал горизонтального отклонения.

Управляет движением луча по экрану осциллографа. Он состоит из генератора развертки (который создает пилообразный сигнал), усилителя горизонтального отклонения и блока синхронизации. Генератор развертки создает пилообразный сигнал, который управляет движением электронного луча вдоль горизонтальной оси экрана.

Усилитель горизонтального отклонения усиливает этот пилообразный сигнал и передает его на блок развертки. Блок синхронизации определяет момент начала и окончания развертки и синхронизирует ее с входным сигналом.

В результате работы этих двух каналов осциллограф отображает форму входного сигнала на экране. Вертикальное отклонение соответствует амплитуде сигнала, а горизонтальное отклонение — времени. Осциллографы также могут иметь дополнительные функции, такие как цифровое послесвечение, измерение временных параметров сигнала, автоматические настройки, анализ спектра и т.д.

Таким образом, осциллограф позволяет визуально наблюдать форму электрических сигналов, что помогает в диагностике проблем и проверке функционирования электронных устройств.

Разновидности

Типы цифровых осциллографов, в зависимости от конструкции и возможностей, обладают емким сенсорным дисплеем, большим набором измерительных приложений, высокой скоростью обновления показателей на экране и внушительной памятью. Классифицировать их можно по-разному. Например, по принципу действия различают две группы:

• электронные – подразделяются в свою очередь на цифровые и аналоговые приборы (по принципу обработки информации);
• электромеханические – подразделяются на выпрямительные, магнитоэлектрические, электродинамические, электромагнитные, термоэлектрические и электростатические модели.

По количеству лучей и каналов различают однолучевые и многолучевые разновидности (16 и более), а также одноканальные и многоканальные (до 16 каналов) аналоги. Эти две группы контрольно-измерительных устройств имеют одно существенное отличие. Многоканальные осциллографы переключатся с одного канала на другой, чтобы наблюдать разные сигналы, из-за чего на высоких скоростях развертки сигналов «рвутся». Благодаря многолучевой трубке такой проблемы не возникает.

В зависимости от характеристик различают:

• аналоговые;
• аналогово-цифровые;
• цифровые – делятся на запоминающие (DSO) и люминофорные (DPO);
• комбинированные;
• виртуальные (на базе ПК).

В последнее время производители выпускают достаточно много портативных аппаратов, сочетающих в себе функции цифрового осциллографа и мультиметра, которые позволяют работать в полевых условиях. По назначению осциллографы подразделяются на 5 видов: специальные, скоростные, запоминающие, стробоскопические и универсальные (моноблочные модели и вариации со сменными блоками).

Отличие аналогового осциллографа от цифрового

Принципиальная разница между этими разновидностями заключается в габаритах, возможностях запоминания, а также в методах обработки. Например, аналоговые осциллографы транслируют сигнал в реальном времени, без возможности записи. Аналогово-цифровые модели позволяют увидеть динамику изменения времени или амплитуды.

Полностью цифровые аналоги, соответственно, способны осуществлять цифровую обработку, оцифровывая синусоиду и передавая полученную информацию на дисплей. Следует учитывать то, что циклическая память не позволяет хранить большие массивы данных. Поэтому в случае если пользователю требуется записать сигналы длиной пять-десять минут, потребуется осциллограф с большой глубиной памяти (запоминающий).

Также существуют цифровые осциллографы с режимом сегментированной памяти, позволяющие записывать только определенную информацию, форма которой задается пользователем через меню. Это позволяет исследовать однократные или редко повторяющиеся процессы.

Основные функции осциллографа

Осциллограф позволяет наблюдать форму сигнала, измерять его амплитуду, частоту и другие параметры. Основные функции осциллографа включают в себя:

1. Отображение формы сигнала: Осциллографы позволяют в реальном времени отображать форму входного сигнала. Это позволяет визуально оценивать форму волны, ее стабильность, наличие шумов и искажений.

2. Измерение амплитуды: Осциллографы могут измерять амплитуду сигнала. Для этого они используют вертикальную ось дисплея, которая показывает уровень сигнала в вольтах или других единицах измерения.

3. Измерение частоты: Осциллографы также могут измерять частоту сигнала. Они делают это путем подсчета количества циклов сигнала за определенный промежуток времени. Результат отображается на горизонтальной оси дисплея.

4. Захват и сохранение данных: Осциллографы имеют возможность записывать и сохранять данные в виде файлов на компьютере или на самом приборе. Это позволяет анализировать сигналы в дальнейшем, а также сравнивать их с другими сигналами.

5. Автоматическое измерение параметров сигнала: Некоторые осциллографы оснащены функцией автоматического измерения, которая позволяет быстро определить основные параметры сигнала без необходимости ручного ввода настроек.

6. Генерация сигналов: Некоторые модели осциллографов также имеют функцию генерации сигналов, что позволяет использовать их в качестве источника сигнала для тестирования и отладки электронных устройств.

7. Подключение к компьютеру: Большинство современных осциллографов имеют возможность подключения к компьютеру через USB или Ethernet, что позволяет управлять прибором и анализировать данные с помощью специального программного обеспечения.

8. Цифровая обработка сигналов: Некоторые осциллографы обладают функциями цифровой обработки сигналов, такими как фильтрация, дифференцирование, интегрирование и другими, что расширяет их возможности для анализа сложных сигналов.

Применение осциллографа

Осциллограф широко применяется в различных областях, таких как электроника, электротехника, телекоммуникации и научные исследования, ниже подробное описаие:

• Тестирование электронных схем: осциллографы используются для тестирования и отладки электронных схем. С помощью прибора можно наблюдать форму сигнала, его амплитуду, частоту и другие параметры, что позволяет выявить возможные неисправности и проблемы в схеме.
• Анализ радиочастотных сигналов: используются для анализа радиочастотных сигналов. Они позволяют наблюдать сигналы в реальном времени, измерять их параметры и определять возможные помехи.
• Отладка программного обеспечения: осциллографы могут использоваться для отладки программного обеспечения. Они позволяют видеть сигналы, генерируемые процессором, и анализировать их для определения возможных проблем или ошибок в коде.
• Измерение временных характеристик: возможно измерять временные характеристики электрических сигналов, такие как время нарастания и спада, длительность импульсов и время задержки. Это позволяет определить скорость работы компонентов и систем, а также выявить возможные проблемы с синхронизацией.

• Изучение физики колебаний: Осциллографы применяются для изучения физических явлений, связанных с колебаниями и вибрациями. Они позволяют исследовать амплитудно-частотные характеристики колебательных систем, изучать резонансы и определять их добротность.
• Измерение мощности и энергии: приборы с функцией измерения мощности могут использоваться для определения мощности электрических сигналов и анализа их энергетического спектра.
• Мониторинг качества электроэнергии: можно использовать для мониторинга качества электроэнергии в электросети. Они позволяют определить уровень гармоник, дисбаланс фаз, провалы и перенапряжения, а также измерить параметры переходных процессов.
• Разработка и тестирование систем связи: Осциллографы широко применяются при разработке и тестировании систем связи, таких как радио, телевидение, сотовые сети и интернет. Они используются для измерения параметров сигналов, проверки их совместимости, определения уровня помех и выявления возможных проблем в работе системы.
• Обучение и образование: используются в учебных заведениях для обучения студентов электронике, электротехнике и другим техническим дисциплинам. Они позволяют студентам наглядно видеть и анализировать электрические сигналы, что способствует лучшему пониманию принципов работы электроники и электротехники.

В целом, осциллограф является незаменимым инструментом для специалистов в области электроники, электротехники и телекоммуникаций. Он позволяет проводить широкий спектр измерений и исследований, а также решать множество задач, связанных с разработкой, тестированием и эксплуатацией электронных систем.

Методика измерений

Перед началом работы производится калибровка прибора. Для этой цели предусмотрены выходы встроенного калибратора со строго фиксированными значениями частоты и напряжения. Регулировкой чувствительности и частоты устанавливают изображение на экране в соответствии с нормой.

Для измерений следует иметь в виду, что щупы осциллографа имеют два вывода, один из которых подключается к общей точке электросхемы – массе.

Предварительно на входном аттенюаторе выставляется уровень, соответствующий напряжению измеряемого сигнала. Если это значение неизвестно, то следует начинать с максимального положения. Обычно это 100 В на одно деление экрана. Переключая положение аттенюатора, добиваются того, чтобы картинка занимала большую часть экрана.

Далее выставляют требуемый режим синхронизации и частоту развертки задающего генератора. На регуляторе частоты установлены значения длительности периода колебаний. То есть, если переключатель установлен в положение 20 мс/дел, это означает, что период колебаний длительностью 20 мс будет укладываться в одно деление координатной сетки. Это соответствует частоте 50 Гц.

Регулятором уровня и синхронизации добиваются неподвижности изображения.

Для измерений используется следующая методика:

1. Уровень сигнала определяют, подсчитывая, сколько делений по вертикали занимает изображение. Полученное число умножают на значение аттенюатора;
2. Также определяют и длительность сигнала, с тем отличием, что отсчитывают деления по горизонтали и умножают число на значение регулятора длительности. Частоту определяют по формуле:

Дополнительные возможности

Существуют многоканальные осциллографы, у которых имеется несколько входов Y и, соответственно, можно наблюдать сразу несколько сигналов. Для чего нужен многоканальный осциллограф? Он незаменим для определения фазовых сдвигов колебаний относительно друг друга и их сравнения.

Для увеличения входного диапазона применяются входные делители 1:10 или 1:100, которые поднимают допустимое верхнее значение сигнала в 10 и 100 раз, соответственно. Этот факт нужно учитывать при измерениях в дальнейшем. Наличие входного делителя при этом пропорционально увеличивает и входное сопротивление прибора.

Цифровые осциллографы избавляют от необходимости ручного подсчета амплитуды и частоты, выводя эти значения на экран. Кроме того, они позволяют заносить изображение в память и передавать его на внешнее печатающее устройство.

При отсутствии дополнительных входов Y для определения фазовых сдвигов нужен осциллограф, у которого предусмотрен вход Х с отключенным внутренним генератором развертки. Подавая колебания на входы X и Y, можно сравнивать фазы и частоты по так называемым фигурам Лиссажу.

Современные технологии в аналоговых осциллографах

Несмотря на зрелость технологии, производители продолжают совершенствовать аналоговые осциллографы, применяя новейшие технические решения.

К «современные» технологии, используемые в аналоговых осциллографах, можно отнести:

• Цифровую обработку сигналов для улучшения точности;
• Цветные ЭЛТ с увеличенным разрешением;
• Сенсорные экраны и интерфейсы на базе меню;
• Высокоскоростные АЦП для оцифровки сигналов;
• Интерфейсы передачи данных для связи с ПК.

Эти новшества позволяют расширить функциональность аналоговых осциллографов и сделать их более удобными в эксплуатации.

Выбор лучшего аналоговый осциллограф

При выборе лучшего аналогового осциллографа следует обращать внимание на такие основные характеристики:

• Полоса пропускания и время нарастания,
• Чувствительность и точность по вертикали,
• Количество каналов и режимы работы,
• Максимальная частота дискретизации (для цифровых моделей),
• Функции автоматических измерений и математической обработки сигналов,
• Тип экрана и разрешение по горизонтали.

Кроме того, важны дополнительные возможности, такие как наличие интерфейсов связи, встроенных генераторов сигналов, совместимость с ПК.

Исходя из поставленных задач и требований к точности, можно подобрать оптимальную модель аналогового осциллографа с наилучшим соотношением цена/качество.