Электронный осциллограф принцип работы

Электронный осциллограф используют для исследования быстропеременных периодических процессов. Например, с помощью осциллографа можно измерить силу тока и напряжение, рассмотреть их изменение во времени. Можно измерять и сравнивать частоты и амплитуды различных переменных напряжений. Кроме того, осциллограф при применении соответствующих преобразователей позволяет исследовать неэлектрические процессы, например, измерять малые промежутки времени, периоды колебаний и т. д. Достоинствами электроннолучевого осциллографа является его высокая чувствительность и безинерционность действия, что позволяет исследовать процессы, длительность которых порядка 10 –6  10 –8 с.

Основным элементом электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Схематическое устройство такой трубки показано на рис. 3. Электронно-лучевая трубка состоит из ряда металлических электродов, помещенных в стеклянный баллон. Из баллона выкачан воздух до давления порядка 10 –6 мм рт. ст. На передней части баллона нанесен тонкий слой флуоресцирующего. Под воздействием электронного луча флуоресцирующий экран (8) начинает светиться.

Рассмотрим электроды электронно-лучевой трубки в порядке их следования. Нить накала (1), по которой идет переменный ток, разогревает катод (2). Из катода, вследствие термоэлектронной эмиссии, вылетают электроны.

Термоэлектронная эмиссия — это явление испускания электронов нагретыми телами.

За катодом расположен управляющий электрод (3) в виде сетки или цилиндра с отверстиями. Работа его аналогична работе управляющей сетки в электронной лампе. При изменении потенциала управляющего электрода относительно катода изменяется интенсивность электронного потока, тем самым проводится изменение яркости светового пятна на экране трубки.

Первый и второй аноды (4 и 5), в виде цилиндров с диафрагмами, обеспечивают необходимую скорость движения электронов и создают электрическое поле определенной конфигурации, фокусирующее электронный поток в узкий пучок (луч).

Затем сфокусированный электронный луч проходит между двумя парами взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин. При разных потенциалах на одной из пар отклоняющих пластин луч отклоняется в сторону пластины с большим потенциалом. Отклонение луча пропорционально приложенному напряжению. Вертикальные пластины (7) обеспечивают горизонтальное перемещение электронного луча по экрану, а горизонтальные (6) дают вертикальное перемещение луча.

1 — нить накала, 2 — катод, 3 — управляющий электрод, 4 — первый анод, 5 — второй анод, 6- пластины вертикального отклонения, 7 — пластины горизонтального отклонения, 8 — флуоресцирующий экран

Блок-схема осциллографа представлена на рис.4. Осциллограф состоит из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), генератора напряжения развертки и двух усилителей. Один из усилителей, предназначенный для усиления исследуемого напряжения, обычно называют вертикальным усилителем, так как напряжение с него подается на горизонтально расположенные пластины электронно-лучевой трубки, которые обеспечивали вертикальное отклонение луча по экрану. Напряжение от второго усилителя подается на вертикальные пластины, обеспечивающие горизонтальное перемещение луча. Этот усилитель называется горизонтальным. Напряжение генератора развертки подается на пластины через горизонтальный усилитель.

Для исследования характера изменения электрических сигналов во времени используют специально вмонтированное в осциллограф устройство, называемое генератором развертки. Этот генератор вырабатывает пилообразное напряжение (рис.4), которое за время линейно нарастает от нуля до максимального значения, а затем за очень малое времяпадает до нуля. Частоту пилообразного напряжения можно изменять с помощью рукоятки "частота развертки". Пилообразное напряжение подается обычно на вертикальные пластины. При этом луч откланяется по горизонтали на величину пропорциональную значению пилообразного напряжения в данный момент. Так как это напряжение линейно возрастает со временем, то по горизонтали луч движется равномерно, что соответствует ходу времени, и, значит, смещение луча по горизонтали пропорционально времени. Поэтому при включенном генераторе развертки горизонталь считают осью времени.

При малых частотах развертки можно увидеть поступательное равномерное движение точки по горизонтали. Если частота развертки большая, то на экране видна только горизонтальная линия. Это происходит в силу инерции зрительного восприятия и послесвечения трубки, т.е. зрительно при больших частотах мы не успеваем отметить последовательное перемещение луча по экрану слева направо при увеличении напряжения_. От нуля до максимума и почти мгновенное возвращения луча в исходное положение. На каждом следующем "зубце пилы" луч движется по одному и тому же следу слева направо по горизонтали и обратно, и повторяется это с частотой равной частоте развертки.

Чтобы увидеть, как меняется со временем исследуемое напряжение, надо одновременно подать на"Вход х" напряжение развертки, а на "Вход у" исследуемый сигнал . Пусть к моменту времениисследуемый сигнал достигает значения, а напряжение развертки значения. Луч, участвуя одновременно в двух взаимно перпендикулярных движениях: по горизонтали (под действием напряжения развертки) и по вертикали (под действием исследуемого напряжения), переместится в точку(рис.5). Если исследуемое напряжение меняется по гармоническому закону и его период совпадает с периодом развертки , то в течение временина экране луч "выпишет" один период синусоиды. На каждом следующем зубце пилы при достижении напряжением значений,,и т.д. электронный луч будет попадать соответственно в те же точки,,и т.д. синусоиды, что и на первом "зубце".

Изображение на экране осциллографа будет неподвижным, если период развертки равен или в целое число раз больше периода исследуемого сигнала. При невыполнении этого условия (часто случающегося из-за нестабильности частоты генератора развертки) изображение будет "плыть" по экрану.

Для измерения периода надо на горизонтальные пластины подать исследуемое напряжение и включить генератор развертки "Вход х", подающий пилообразное напряжение на вертикальные пластины. Вращая ручку "генератор развертки", получить на экране устойчивую картину – синусоиду. Посчитать количество клеток периода синусоиды и, помножив на цену деления генератора развертки, получить период колебаний.

Для любого профессионального настройщика электронных устройств или для инженера по радиоэлектронным устройствам основным рабочим устройством является осциллограф. Без него нельзя обойтись при настройке телевизора, передатчика. Осциллографы служат для контроля и наблюдения за периодическими сигналами различных форм, в том числе синусоидальной. Благодаря широкому интервалу развертки он дает возможность развернуть импульс даже для контроля наносекундных промежутков времени. Осциллограф подобен работе телевизора, который изображает электрические сигналы.

Устройство и принцип действия

Для лучшего понимания действия прибора, разберем блок-схему типового осциллографа, так как все их основные виды имеют аналогичное устройство.

На этой схеме не изображены блоки питания: низковольтный блок, подающий питание для работы узлов, и источник повышенного напряжения, применяющийся для генерирования высокого напряжения, приходящего на электронно-лучевую трубку. Также на схеме нет калибратора для настройки и подготовки прибора к работе.

Тестируемый сигнал поступает на канал вертикального отклонения «Y», далее на аттенюатор, выполненный в виде многопозиционного переключателя, настраивающего чувствительность осциллографа. Его шкала размечена в вольтах на сантиметр или в вольтах на одно деление. Это обозначает одно деление сетки координат на экране лучевой трубки. Там же изображены сами величины. Если амплитуда сигнала неизвестна, то устанавливается наименьшая чувствительность. В этом случае даже большой сигнал на 300 В не повредит прибору.

Обычно в комплекте с осциллографом есть делители , в виде специальных насадок с разъемами. Они работают так же, как аттенюатор. Эти насадки компенсируют емкость кабеля при работе с малыми импульсами. На фото показан делитель. Коэффициент деления равен 1:10.

С помощью делителя возможности прибора расширяются, можно исследовать сигналы в несколько сотен вольт. После делителя сигнал проходит на предварительный усилитель , раздваивается и приходит на переключатель синхронизации и линию задержки , которая служит для компенсации времени сработки генератора развертки. Оконечный усилитель создает напряжение, поступающее на «Y» -пластины, и отклоняет луч в вертикальной плоскости.

Генератор развертки создает пилообразное напряжение, поступающее на пластины «Х» и горизонтальный усилитель, при этом луч отклоняется в горизонтальной плоскости.

Устройство синхронизации создает условия для работы генератора развертки в одно время с появлением сигнала. В итоге на дисплей осциллографа выводится изображение импульса.

Переключатель синхронизации работает в положениях синхронизации от:

• Исследуемого сигнала.
• Сети.
• Внешнего источника.

Первое положение применяется чаще, так как оно более удобно.

Классификация

Осциллографы являются распространенным видом измерительных приборов. Существует несколько видов осциллографов, имеющих разные характеристики, устройство и работу.

Аналоговые осциллографы

Такие осциллографы являются классическими моделями этого типа измерительных приборов. Любые аналоговые осциллографы имеют делитель, вертикальный усилитель, синхронизацию и отклонение, блок питания и лучевую трубку.

Такие трубки имеют больший диапазон частоты. Отклонение луча на экране прямо зависит от напряжения пластин. Горизонтальная развертка работает по линейной зависимости от напряжения горизонтальных пластин.

Нижний предел частоты равен 10 герцам. Верхняя граница определяется емкостью пластин и усилителем. Сегодня аналоговые устройства вытесняются цифровыми приборами со своими достоинствами. Но аналоговые приборы пока не исчезают ввиду их малой стоимости.

Цифровые запоминающие

Если цифровые приборы сравнивать с аналоговыми, у них больше возможностей. Стоимость их постепенно снижается. Цифровой осциллограф включает в себя делитель, усилитель, преобразователь аналогового сигнала, памяти, блока управления и выведения на ЖК панель.

Принцип действия такого вида осциллографов придает им большие возможности. Входящий аналоговый сигнал модифицируется в цифровую форму, и сохраняется. Скорость сохранения определяется управляющим устройством. Ее верхняя граница задается скоростью преобразователя, а нижняя граница не имеет ограничений.

Преобразование сигнала в цифровой код дает возможность увеличить устойчивость отображения, сохранять данные в память, сделать растяжку и масштаб проще. Применение дисплея вместо электронной трубки позволяет отображать любые данные и осуществлять управление прибором. Дорогостоящие приборы оснащаются цветным экраном, что позволяет различать сигналы других каналов, курсоры, выделять цветом разные места.

Параметры цифровых осциллографов намного выше аналоговых моделей, в больших пределах находится растяжка сигнала. Кроме простых схем включения синхронизации, может использоваться синхронизация при некоторых событиях или параметрах сигнала. Синхронизацию можно увидеть непосредственно перед включением развертки.

Применяемые процессоры обработки сигнала дают возможность обработки спектра сигнала с помощью анализа преобразованием Фурье. Информация в цифровом виде позволяет записать в память экран с итогами измерения, а также распечатать на принтере. Многие приборы оснащены накопителями для записи изображения в архив и последующей обработки.

Цифровые люминофорные

Такой тип осциллографов работает на новой структуре построения, основанной на цифровом люминофоре. Он имитирует по подобию с аналоговыми приборами изменение изображения на экране. Люминофорные цифровые типы осциллографов дают возможность наблюдать на дисплее все подробности модулированных сигналов, как и аналоговые типы. При этом обеспечивается их анализ и хранение в памяти.

Люминофорные приборы, как и предыдущая рассмотренная модель, имеет свою память для хранения различной информации, в том числе хранится разница задержки времени между разными пробниками. Возможность люминофорных осциллографов выводить данные с изменяемой интенсивностью значительным образом упрощает поиск повреждений в импульсных блоках. Это выражено при вычислении глубины модуляции сигнала при регулировке напряжения на выходе, приводящее к нестабильному функционированию блоков.

В люминофорных цифровых осциллографах объединены достоинства цифровых и аналоговых устройств, а во многом превосходят их. Люминофорные приборы обладают всеми преимуществами запоминающих осциллографов, обеспечивая возможности аналоговых приборов: быструю реакцию на смену сигнала и его отображение с разной яркостью.

Цифровые стробоскопические

В этом виде осциллографов применяется эффект последовательного стробирования сигнала. При повторении сигнала выбирается мгновенное значение в определенной точке. При поступлении нового сигнала точка выбора смещается по сигналу. Так продолжается до полного стробирования сигнала. Модифицированный таким образом сигнал в виде огибающей линии мгновенных величин сигнала входа, повторяет форму сигнала.

Продолжительность модифицированного сигнала на много больше продолжительности тестируемого сигнала, а значит, имеется сжатие спектра. Это соответствует увеличению полосы пропускания. Стробоскопические виды осциллографов имеют большие полосы пропускания, и дают возможность производить исследования периодических сигналов с наименьшей продолжительностью. Стоимость стробоскопических осциллографов очень высока, поэтому их применяют чаще всего для сложных задач.

Виртуальные осциллографы

Новый вид приборов может быть отдельным устройством с параллельным портом для вывода или ввода информации, а также с портом USB, а также встроенным вспомогательным прибором на базе карт ISA. Программная оболочка виртуальных осциллографов позволяет полностью управлять устройством, и имеет несколько возможностей сервиса: импорт и экспорт информации, цифровая фильтрация, разнообразные измерения, обработка информации математическим способом и т.д.

Осциллографы с применением персонального компьютера могут применяться для широких возможностей измерения. Например, для обслуживания и разработки радиотехнической и электронной аппаратуры, в телекоммуникационной связи, при изготовлении компьютеризированного оборудования, при выполнении диагностических мероприятий средств автотранспорта на станциях технического обслуживания и для многих других случаев, где требуется оценка и тестирование неустойчивых переходных процессов.

Виртуальные модели осциллографов являются хорошим альтернативным вариантом для стандартных запоминающих цифровых осциллографов, так как они обладают достоинствами в виде малой стоимости, простоте применения, компактных размеров и высокого быстродействия. К недостаткам виртуальных осциллографов относится невозможность измерения и отображения постоянной величины сигналов.

Портативные осциллографы

Цифровые технологии быстро развиваются, в результате чего цифровые стационарные приборы модифицируют в портативные устройства с хорошими параметрами габаритных размеров и массы, а также низким расходом электрической энергии.

При этом портативные осциллографы с питанием от гальванических элементов не уступают по характеристикам стационарным приборам по количеству функций, имеют большие возможности использования в разных областях научных исследований, промышленном производстве.

Блог о электронике

▌Старая статья о аналоговом осциллографе
Рано или поздно любой начинающий электронщик, если не бросит свои эксперименты, то дорастет до схем, где нужно отслеживать не просто токи и напряжения, а работу схемы в динамике. Особенно это часто нужно в различных генераторах и импульсных устройствах. Вот тут без осциллографа делать нечего !

Страшный прибор, да? Куча ручек, каких то кнопочек, да еще экран и нифига не понятно что тут да зачем. Ничего, сейчас исправим. Сейчас я тебе расскажу как пользоваться осциллографом.

На самом деле тут все просто — осциллограф, грубо говоря, это всего лишь… вольтметр ! Только хитрый, способный показывать изменение формы замеряемого напряжения.

Как всегда, поясню на отвлеченном примере.
Представь, что ты стоишь перед железной дорогой, а мимо тебя с бешеной скоростью мчится бесконечный поезд состоящий из совершенно одинаковых вагонов. Если просто на них стоять и смотреть, то ничего кроме размытой фигни ты не увидишь.
А теперь ставим перед тобой стенку с окошком. И начинаем открывать окошко только тогда, когда очередной вагон будет в том же положении, что и предыдущий. Так как у нас вагоны все одинаковые, то тебе совершенно необязательно видеть один и тот же вагон. В результате картинки разных, но идентичных вагонов будут выскакивать перед твоими глазами в одном и том же положении, а значит картинка как бы остановится. Главное это синхронизировать открытие окошка со скоростью поезда, чтобы при открытии положение вагона не менялось. Если скорость не совпадет, то вагоны будут «двигаться» либо вперед, либо назад со скоростью, зависящую от степени рассинхронизации.

На этом же принципе построен стробоскоп — девайс, позволяющий разглядывать быстро движущиеся или вращающиеся хреновины. Там тоже шторка быстро-быстро открывается и закрывается.

Так вот, осциллограф это тот же стробоскоп, только электронный . А показывает он не вагоны, а периодические изменения напряжения. У той же синусоиды, например, каждый следующий период похож на предыдущий, так почему бы не «остановить» его, показывая в один момент времени один период.

Конструкция
Делается это посредством лучевой трубки, отклоняющей системы и генератора развертки.
В лучевой трубке пучок электронов попадая на экран заставляет светится люминофор, а пластины отклоняющей системы позволяют гонять этот пучок по всей поверхности экрана. Чем сильней напряжение, приложенное к электродам, тем больше отклоняется пучок. Подавая на пластины Х пилообразное напряжение мы создаем развертку . То есть луч у нас движется слева-направо, а потом резко возвращается обратно и продолжает снова. А на пластины Y мы подаем изучаемое напряжение.

Принцип работы
Дальше все просто, если начало появления периода пилы (луч в крайне левом положении) и начало периода сигнала совпадают, то за один проход развертки нарисуется один или несколько периодов измеряемого сигнала и картинка как бы остановится. Меняя скорость развертки можно добиться того, что на экране вообще останется только один период — то есть за один период пилы пройдет один период измеряемого сигнала.

Развертка осциллографа во времени

Синхронизация
Синхронизировать пилу с сигналом можно либо вручную, подстраивая ручкой скорость так, чтобы синусоида остановилась, а можно по уровню . То есть мы указываем при каком уровне напряжения на входе нужно запустить генератор развертки. Как только напряжение на входе превысит уровень, так сразу же запустится генератор развертки и выдаст нам импульс.
В итоге, генератор развертки выдает пилу только тогда, когда надо. В этом случае синхронизация получается полностью автоматической. При выборе уровня следует учитывать такой фактор, как помехи. Так что если взять слишком низкий уровень, то мелкие иголки помех могут запустить генератор когда не нужно, а если взять уровень слишком большой, то сигнал может под ним пройти и ничего не случится. Но тут проще покрутить ручку самому и сразу же все станет понятно.
Также сигнал синхронизации можно подать и с внешнего источника.

В топку теорию, переходим к практике.
Показывать буду на примере своего осциллографа, спертого когда то давно с оборонного предприятия КБ «Ротор» :). Обычный осцил, не шибко навороченный, но надежный и простой как кувалда.

Мой верный осциллограф

Итак:
Яркость, фокус и освещение шкалы думаю не требуют пояснений. Это настройки интерфейса.

Усилитель У и стрелочки вверх вниз. Эта ручка позволяет гонять изображение сигнала вверх или вниз. Добавляя ему дополнительное смещение. Зачем? Да иногда не хватает размера экрана, чтобы вместить весь сигнал. Приходится его загонять вниз, принимая за ноль не середину, а нижнюю границу.

Ниже идет тумблер переключающий ввод с прямого, на емкостный. Этот тумблер в том или ином виде есть на всех без исключения осциллографах.

Важная вещь! Позволяет подключать сигнал к усилителю либо напрямую, либо через конденсатор. Если подключить напрямую, то пройдет и постоянная составляющая и переменная . А через кондер проходит только переменная .

Например, надо нам посмотреть на уровень помех блока питания компа. Напряжение там 12 вольт, а величина помех может быть не более 0.3 вольт. На фоне 12 вольт эти жалкие 0.3 вольт будут совсем незаметны. Можно, конечно увеличивать коэффициент усиления по Y , но тогда график вылезет за экран, а смещения по Y не хватит, чтобы увидеть вершину. Тогда нам нужно лишь врубить конденсатор и тогда те 12 вольт постоянки осядут на нем, а в осциллограф пройдет только переменный сигнал, те самые 0.3 вольта помехи. Которые можно усилить и разглядеть в полный рост.

Далее идет коаксиальный разъем подключения щупа . Каждый щуп содержит в себе сигнал и землю . Землю обычно сажают на минус или на общий провод схемы, а сигнальным тычут по схеме. Осциллограф показывает напряжение на щупе относительно общего провода. Чтобы понять где сигнальный, а где земля достаточно взять за них рукой по очереди. Если возьмешься за общий, то на экране по прежнему будет пульс трупа. А если взяться за сигнальный, то увидишь кучу срача на экране — наводки на твое тело, служащее в данный момент антенной. На некторых щупах, особенно на современных осциллографах, внутри встроен делитель напряжения 1:10 или 1:100 , который позволяет воткнуть осциллограф хоть в розетку, без риска его спалить. Включается и выключается он тумблером на щупе.

Еще почти на каждом осциллографе есть калибровочный выход . На котором ты всегда можешь найти прямоугольный сигнал частотой 1Кгц и напряжением около полувольта . В зависимости от модели осцила. Используется для проверки работы самого осциллографа, ну иногда и в тестовых целях пригождается 🙂

Две здоровенные крутилки Усиление и Длительность

Усиление служит для масштабирования сигнала по оси Y . Там же показано сколько вольт на деление в итоге покажет.
Скажем, если у тебя стоит 2 вольта на деление, а сигнал на экране достигает высоты две клеточки размерной сетки, значит амплитуда сигнала равна 4 вольта.

Длительность определяет частоту развертки. Чем короче интервал, чем больше частота, тем более высокочастотный сигнал ты сможешь разглядеть. Тут клеточки проградуированы уже в милли и микросекундах. Так что по ширине сигнала ты можешь посчитать сколько он клеток, а умножив его на масштаб по оси Х получишь длительность сигнала в секундах. Также можно посчитать длительность одного периода, а зная длительность легко найти частоту сигнала f=1/t

Верхняя пипка на крутилках позволяет менять масштаб плавно. Обычно у меня она стоит на щелчке, чтобы я всегда четко знал какой у меня масштаб.

Также там есть вход Х на который можно подать свой сигнал, вместо пилы развертки. Таким образом осциллограф может послужить телевизором или монитором, если собрать схему которая будет формировать изображение.

Крутилка с надписью Развертка и стрелочками влево и вправо позволяет гонять график по экрану влево и вправо. Удобно иногда бывает, чтобы подогнать нужный участок под деления сетки.

Ручка уровня — задает уровень от которого будет стартовать генератор пилы.
Переключатель со внутренней на внешнюю , позволяет подать на вход синхроимпульсы с внешнего источника.
Переключатель с надписью +/- переключает полярность уровня. Есть не на всех осциллографах.
Ручка стабильность — позволяет вручную попытаться подобрать скорость синхронизации.

Быстрый старт.
Итак, включил ты осцил. Первое что нужно сделать это замкнуть сигнальный щуп на свой же земляной крокодил. При этом на экране должен появится «Пульс трупа». Если не появился, то покрути ручки стабилизации и смещений и уровня — возможно он просто спрятался за экран или не запустился из-за недостаточного уровня.

Как только появилась полоса, то выстави крутилками смещения её на ноль. Если у тебя аналоговый осцил, особенно если древний, то дай ему прогреться. У моего после включения ноль плавает еще минут пятнадцать.

Дальше выстави предел измерений по напряжению . Бери с запасом, если что уменьшишь. Теперь если земляной провод осциллографа приложишь к минусу батарейки, а сигнальный к плюсу, то увидишь как график скакнет на полтора вольта. Кстати, старые осциллографы зачастую начинают подвирать, поэтому по эталонному источнику напряжения полезно посмотреть насколько точно он отображает напряжение.

Выбор осциллографа.
Если ты только начал, то тебе подойдет любой . Крайне желательно если он будет двухканальным . То есть у него будет два щупа и две крутилки Усиления, для первого и второго канала, что позволяет одновременно получить два графика.
Вторым по важности критерием осциллографа является частота. Максимальная частота сигнала которую он может уловить. Мне пока хватало 1МГц на большее не замахивался. Те осциллографы, что продаются в магазинах уже имеют частоту от 10МГц и выше. Самый дешевый осциллограф который я видел стоил 5 тысяч рублей — ОСУ-10. Двухканальный стоит уже 10 тысяч, ну а я нацелился взял себе цифровой RIGOL DS1042CD за килобакс. Разные запросы — разные игрушки. Но, повторюсь, для начала хватит и 1МГц, и хватит надолго. Так что найди себе хоть какой нибудь осциллограф. А там поймешь что тебе надо.

83 thoughts on “Использование осциллографа”

Вот думаю компьютерный осцил в буке заюзать,не подскжете програмку поудобнее и несложную приставку на вход?