Осциллографы классификация устройство и принцип работы

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

Осциллографы: общие сведения, классификация, применение

Осциллографы: общие сведения, классификация, применение

Осциллографы: общие сведения, классификация, применение

Электронный осциллограф – устройство, предназначенное для наблюдения электрического сигнала во времени. Кроме наблюдения сигналов ЭО позволяет осуществлять измерения временных амплитудных значений.

Основные узлы ЭО.

o Входное устройство – позволяет расширить предел измеряемых входных напряжений и обеспечить необходимое входное сопротивление. Входы обычно обладают высоким эмпидансом.

o Аттенюатор – предназначен для регулировки коэффициента отклонения сигнала по вертикали путём ослабления сигнала, и обеспечивает постоянного значение коэффициента отклонения во всём диапазоне полосы пропускания усилительного тракта вертикального отклонения.

o УСИЛИТЕЛЬ ВЕРТИКАЛЬНОГО ОТКЛОНЕНИЯ – предназначен для преобразования измеряемого сигнала в 2 противофазных сигнала, и усиления их до значения, достаточного до отклонения луча по вертикали на весь экран.

o Генератор развёртки – принцип работы заключается в заряде и разряде конденсаторов через сопротивления резисторов. Переключение из цепи заряда в цепь разряда выполняется автоматически.

o Канал горизонтального отклонения – как и для усилителя вертикального отклонения здесь предусмотрен калибровочный переключатель.

o Выходной усилитель горизонтального отклонения – предназначен для преобразования пилообразного напряжения генератора развёртки в два противофазных сигнала и усиления их до значения, достаточного для отклонения луча на весь экран.

По назначению и принципу действия ЭО могут быть:

o Общего назначения

По числу одновременно наблюдаемых сигналов ЭВ делятся на:

o Одно канальные

o Двух канальные

o Много канальные

Область применения ЭО:

o Измерение амплитуд и мгновенных значений электрического сигнала (напряжение тока)

o Временных параметров сигнала (длительность фронта, среза, частоты исследования, задержки, сглаженности)

o Мощности (импульса, среднего значения, сопротивлений, АЧХ, ФЧХ).

o Характеристика транзисторов, диодов, микросхем и прочее.

Осциллограф — это прибор для измерения характеристик электрических сигналов во времени. Его используют радиолюбители, мастера сервисов по ремонту электроники Принцип работы осциллографа заключается в ступенчатом анализе поступающего сигнала. Ниже мы более подробно рассмотрим особенности функционирования прибора.

Принцип работы осциллографа

Прежде чем изучить принцип действия осциллографа, следует ознакомиться с конструкцией устройства. Мы рассмотрим общие конструктивные особенности цифровых агрегатов, они в настоящий момент более распространены.

Независимо от типа, важными частями конструкции осциллографа являются:

• усилитель и делитель напряжения;
• преобразователь (АЦП);
• контроллер;
• запоминающее устройство;
• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
• экран;
• органы управления (кнопки, ).

Принцип работы осциллографа основан на преобразовании электрического сигнала в аналоговый или цифровой. В последнем случае алгоритм будет следующим:

Представленное описание принципов действия осциллографа является упрощенным.

Эти устройства преимущественно применяются в электронике и радиотехнике. Особенно важным элементом прибор используется в электромеханических сферах производства. Данное устройство выступает в качестве фиксирующего прибора, который наглядно отображает все колебания электрического тока, происходящие в определенном электрическом механизме. С помощью прибора можно найти помехи, а также искажения прохождения электрического импульса в самых разных узлах схемы.

Виды

Всего имеется несколько типов приборов, которые различаются по характеристикам:

• Аналоговые .

• Аналогово-цифровые .

• Цифровые запоминающие .

• Устройства смешанных сигналов .

• Виртуальные устройства .

По количеству лучей осциллограф может быть:

• Однолучевой.
• Двулучевой и так далее.

Число лучей может быть 16 и более (n-лучевой прибор имеет n сигнальных входов, в том числе может отображать на экране одновременно n графиков входных сигналов).

Приборы также классифицируются по принципу действия:

• Электронный: аналоговый и цифровой.
• Электромеханический: электродинамический, выпрямительный, электростатический, термоэлектрический, электромагнитный, магнитоэлектрический.

По развертке их можно поделить:

• Специальный.
• Запоминающий.
• Стробоскопический.
• Скоростной.
• Универсальный.

Имеются также приборы, которые совместимы с иными измерительными устройствами. Это может быть не только автономное устройство, но и приставка, к примеру, компьютер, карта расширения или вовсе подключение к внешнему порту.

Устройство

Конструкция аналоговых устройств базируется на применении систем аналоговой горизонтальной развертки и электронно-лучевых трубок. Одним из главных блоков данных приборов являются генераторы линейно меняющегося напряжения пилообразной формы.

Аналоговый осциллограф имеет:

Принцип действия

Аналоговые устройства для создания изображения на экране применяют электронно-лучевую трубку. В ней напряжение, которое подается на оси X и Y, заставляет точку передвигаться по экрану. На горизонтали можно наблюдать зависимость от времени, тогда как по вертикали идет отображение пропорциональное входному сигналу. В целом же сигнал усиливается и направляется на электроды, которые отклоняют по оси Y электронно-лучевой трубки с применением аналоговой технологии.

Цифровой осциллограф работает несколько по-другому:

• Выполняется модификация входящего аналогового сигнала в цифровую форму.
• Затем происходит его сохранение. Скорость сохранения зависит от управляющего устройства. Верхняя граница определяется скоростью преобразователя, при этом у нижней границы нет ограничений.
• Преобразование сигнала в цифровой код позволяет повысить устойчивость отображения, сделать масштаб и растяжку проще, сохранить данные в память.
• Использование дисплея вместо электронной трубки дает возможность отображать любые данные, в том числе выполнять управление прибором. У дорогостоящих приборов установлены цветные экраны, благодаря чему они дают возможность выделять цветом различные места, различать курсоры и сигналы иных каналов.
• Синхронизацию можно наблюдать прямо перед включением развертки. Используемые процессоры обработки сигнала позволяют обрабатывать сигнал при помощи анализа преобразованием Фурье.
• Информация в цифровом виде дает возможность записать экран с итогами измерения в память, в том числе распечатать на принтере. Большинство приборов имеют накопители, чтобы можно было записать изображения в архив и в дальнейшем произвести их обработку.

Применение

Осциллограф представляет измерительный прибор, при помощи него можно:

• Определить значения напряжения сигнала (амплитуду) и временные параметры.
• Измерив временные характеристики сигнала, удастся определить его частоту.
• Наблюдать сдвиг фаз, происходящий при прохождении разных участков цепи.
• Выяснить переменную (AC) и постоянную (DC), которые составляют сигнал.
• Наблюдать искажение сигнала, который вносит определенный участок цепи.
• Выяснить соотношение сигнал/шум, определить стационарность шума или его изменение по времени.
• Понять процессы, которые происходят в электрической цепи.
• Выяснить частоту колебаний и так далее.

Эти устройства преимущественно применяются в электронике и радиотехнике. Особенно важным элементом прибор используется в электромеханических сферах производства. Данное устройство выступает в качестве фиксирующего прибора, который наглядно отображает все колебания электрического тока, происходящие в определенном электрическом механизме. С помощью прибора можно найти помехи, а также искажения прохождения электрического импульса в самых разных узлах схемы.

Применение в диагностике и ремонте автомобилей

Применяются эти приборы и в других областях. Так они часто используются для определения неисправностей в системе исполнительных механизмов и иной диагностике. При помощи них даже можно диагностировать механические неисправности двигателя.

К примеру, осциллограф способен:

• Выявить неисправный катализатор.
• Определить соответствие установки задающего шкива коленвала по отношению к датчику положения коленчатого вала.
• Выявить сильный подсос воздуха.
• Наблюдать сигналы с датчиков системы, отслеживать их изменение.
• Считывать коды неисправностей, сохраненные системой.
• Указать идентификационные данные системы, ЭБУ.
• Выполнить проверку работу исполнительных механизмов и так далее.

Естественно, что такой прибор должен иметь логический анализатор, специальное программное обеспечение и уметь выполнять дешифровку протоколов.

К элементам прибора относят:

Как работает осциллограф

Измеряя напряжение сигнала, осциллограф отображает его графическое изображение на экране. Изменения уровня напряжения на экране отмечаются в системе координат x-y (x-временной отрезок, y-уровень напряжения).

Специальным регулятором можно корректировать насыщенность изображения осциллограммы.

Графическое изображение напряжения может быть представлено несколькими формами:

• Синусоидальной;
• Прямоугольной;
• Треугольной;
• Пилообразной;
• Меандра (прямоугольный сигнал с равными положительными и отрицательными периодами);
• Импульсной;
• Комплексной.

13 а максимальный находился в пределах экрана. Ручкой горизонтального перемещения сместить изображение таким образом, чтобы один из верхних пиков сигнала находился на вертикальной средней линии (рис. 2,б) Измерить расстояние в делениях между крайними точками размаха сигнала и умножить на коэффициент отклонения переключателя «V/ДЕЛ». 6.2.Измерение постоянной составляющей сигнала Поставить тумблер «

Антонина Костюшко 4 лет назад Просмотров:

2 Рис. 1. Осциллограф относиться к приборам, предназначенным для измерений

6 вертикали. Тумблер выбора входов усилителя в положениях: «

7 запускающего сигнала; «+,

» — развертка синхронизируется положительным перепадом запускающего сигнала (не проходит постоянная составляющая); «,

13 а максимальный находился в пределах экрана. Ручкой горизонтального перемещения сместить изображение таким образом, чтобы один из верхних пиков сигнала находился на вертикальной средней линии (рис. 2,б) Измерить расстояние в делениях между крайними точками размаха сигнала и умножить на коэффициент отклонения переключателя «V/ДЕЛ». 6.2.Измерение постоянной составляющей сигнала Поставить тумблер «

,» осциллографа, подключенного к ранее собранной цепи, в положении «

,» вернуть в исходное положение Установить ручку переключателя «ВРЕМЯ/ДЕЛ» в крайнее правое положение, а сам переключатель в такое положение, при котором на экране наблюдается минимальное количество периодов электрического сигнала Измерить с помощью делений величину периода сигнала и длительность импульса и умножить эти величины на значение коэффициента развертки. Вычислить по формуле f=1/t частоту сигнала. 6.4.Измерение временного сдвига между двумя сигналами.

» Поскольку знак полярности напряжения определяется относительно направления тока в цепи, то в данной схеме сигналы относительно общей точки будут равнополярны и поэтому переключателем полярности «+, -» второго канала необходимо инвертировать сигнал, т.е. установить его в положение «-». Рис. 3

,» в положение Переключатель «ВРЕМЯ/ДЕЛ» при крайнем правом положении ручки установить в такое положение, при котором наблюдается только один период сигнала С помощью операций, приведенных ранее, необходимо получить устойчивое изображение сигнала напряжения на конденсаторе (рис. 5,б) и зарисовать его По заданному или измеренному значению величины сопротивления

20 катушки. 17.Нарисуйте схему и запишите методику для измерения индуктивности

При помощи осциллографа легче определить неисправность в приборе, а некоторые поломки диагностировать без него невозможно. Он делает огромное количество замеров в секунду, способен выявлять очень кратковременные сбои сигнала и фиксировать их, что невозможно сделать мультиметром.

Зачем необходим осциллограф

Областей использования осциллографа очень много. Визуализация поведения электронного сигнала значительно упрощает определение неисправности, следовательно, ускоряет время, затрачиваемое на ремонт любого, даже очень сложного прибора. Осциллограф позволяет:

1. Измерить напряжение и временной параметр электронного сигнала, определить частоту.
2. Видеть амплитуду сигнала, понять его природу.
3. Измерить сдвиг фаз.
4. Выяснить соотношение полезного сигнала и помех, наводок, а также понять характеристики шумов.

При помощи осциллографа легче определить неисправность в приборе, а некоторые поломки диагностировать без него невозможно. Он делает огромное количество замеров в секунду, способен выявлять очень кратковременные сбои сигнала и фиксировать их, что невозможно сделать мультиметром.

Рис. Принцип действия аналогового осциллографа

Существует два типа осциллографов: аналоговые и цифровые. На рисунке показан принцип действия аналогового осциллографа.

Рис. Принцип действия аналогового осциллографа

Рис. Осциллометр компании Bosch

Очень полезный вид оборудования, становящийся очень популярным, — это «осциллометр» (scopemeter). Это переносной цифровой осциллограф, который позволяет сохранять данные и передавать их в персональный компьютер для дальнейшего исследования. Осциллометр может быть использован для большого количества проверок на автомобиле. Этот тип испытательного оборудования настоятельно рекомендуется использовать в работе.

По центру лицевой панели переключатель «развёртка» — Время/дел. Именно этот переключатель управляет работой генератора развёртки.

Если спросить профессионального регулировщика электронной аппаратуры или радиоинженера: «Какой самый главный прибор на вашем рабочем месте?» Ответ будет однозначным: «Конечно, осциллограф!». И это действительно так.

Конечно, невозможно обойтись без мультиметра. Измерить напряжение в контрольных точках схемы, замерить сопротивление и ток, «прозвонить» диод или проверить транзистор все это важно и нужно.

Но когда речь заходит о регулировке и настройке любого электронного устройства от простого телевизора до многоканального передатчика орбитальной станции, то без осциллографа обойтись невозможно.

Осциллограф предназначен для визуального наблюдения и контроля периодических сигналов любой формы: синусоидальной, прямоугольной и треугольной. Благодаря широкому диапазону развёртки он позволяет так развернуть импульс, что можно контролировать даже наносекундные интервалы. Например, измерить время нарастания импульса, а в цифровой аппаратуре это очень важный параметр.

Осциллограф – это своего рода телевизор, который показывает электрические сигналы.

Как работает осциллограф?

Чтобы понять, как работает осциллограф, рассмотрим блок-схему усреднённого прибора. Практически все осциллографы устроены именно так.

На схеме не показаны только два блока питания: высоковольтный источник, который используется для вырабатывания высокого напряжения поступающего на ЭЛТ (электронно-лучевая трубка) и низковольтный, обеспечивающий работу всех узлов прибора. И отсутствует встроенный калибратор, который служит для настройки осциллографа и подготовки его к работе.

В комплект любого осциллографа входят делители 1 : 10 и 1 : 100 они представляют собой цилиндрические или прямоугольные насадки с разъёмами с двух сторон. Выполняют те же функции, что и аттенюатор. Кроме того при работе с короткими импульсами они компенсируют ёмкость коаксиального кабеля. Вот так выглядит внешний делитель от осциллографа С1-94. Как видим, коэффициент деления его составляет 1 : 10.

Благодаря внешнему делителю удаётся расширить возможности прибора, так как при его использовании становится возможным исследование электрических сигналов с амплитудой в сотни вольт.

С выхода входного делителя сигнал поступает на предварительный усилитель. Здесь он разветвляется и поступает на линию задержки и на переключатель синхронизации. Линия задержки предназначена для компенсации времени срабатывания генератора развёртки с поступлением исследуемого сигнала на усилитель вертикального отклонения. Оконечный усилитель формирует напряжение, подаваемое на пластины «Y» и обеспечивает отклонение луча по вертикали.

Генератор развёртки формирует пилообразное напряжение, которое подаётся на усилитель горизонтального отклонения и на пластины «X» ЭЛТ и обеспечивает горизонтальное отклонение луча. Он имеет переключатель, градуированный как время на деление («Время/дел»), и шкалу времени развёртки в секундах (s), миллисекундах (ms) и микросекундах (μs).

Устройство синхронизации обеспечивает начало запуска генератора развёртки одновременно с возникновением сигнала в начальной точке экрана. В результате на экране осциллографа мы видим изображение импульса развёрнутое во времени. Переключатель синхронизации имеет следующие положения:

Синхронизация от исследуемого сигнала.

Синхронизация от сети.

Синхронизация от внешнего источника.

Первый вариант наиболее удобный и он используется чаще всего.

Осциллограф С1-94.

Кроме сложных и дорогих моделей осциллографов, которые используются при разработке электронной аппаратуры, нашей промышленностью был налажен выпуск малогабаритного осциллографа C1-94 специально для радиолюбителей. Несмотря на невысокую стоимость, он хорошо зарекомендовал себя в работе и обладает всеми функциями дорогого и серьёзного прибора.

В отличие от своих более «навороченных» собратьев, осциллограф С1-94 обладает достаточно небольшими размерами, а также прост в использовании. Рассмотрим его органы управления. Вот лицевая панель осциллографа С1-94.

Справа от экрана сверху вниз.

Этими регуляторами можно настроить фокусировку луча на экране, а также его яркость. В целях продления срока службы ЭЛТ желательно выставлять яркость на минимум, но так, чтобы показания были видны достаточно чётко.

Кнопка «Сеть». Кнопка включения прибора.

Кнопка установки времени развёртки. Грубое переключение коэффициентов развёртки. Можно установить миллисекунды (ms) и микросекунды (μs). Напомним, что 1 ms = 1000 μs. Подробнее о сокращённой записи численных величин.

Кнопка режима «Ждущ-Авт».

Это кнопка выбора ждущего и автоматического режима развёртки. При работе в ждущем режиме запуск и синхронизация развёртки производится исследуемым сигналом. При автоматическом режиме запуск развёртки происходит без сигнала. Для исследования сигнала чаще используется ждущий режим запуска развёртки.

Вот этой кнопкой производится выбор полярности запускающего импульса. Можно выбрать запуск от импульса положительной или отрицательной полярности.

Кнопка установки синхронизации «Внутр-Внешн».

Обычно используется внутренняя синхронизация, так как для использования внешнего синхросигнала нужен отдельный источник этого внешнего сигнала. Понятно, что в условиях домашней мастерской это в подавляющем случае не нужно. Вход внешнего синхросигнала на лицевой панели осциллографа выглядит вот так.

Кнопка выбора «Открытого» и «Закрытого» входа.

Тут всё понятно. Если предполагается исследование сигнала с постоянной составляющей, то выбираем «Переменный и постоянный». Этот режим называется «Открытым», так как на канал вертикального отклонения подаётся сигнал, содержащий в своём спектре постоянную составляющую или низкие частоты.

При этом, стоит учитывать, что при отображении сигнала на экране он уйдёт вверх, так как к амплитуде переменной составляющей добавиться и уровень постоянной составляющей. В большинстве случаев лучше выбирать «закрытый» вход (

). При этом постоянная составляющая электрического сигнала будет отсечена и не отображается на экране.

По центру лицевой панели переключатель «развёртка» — Время/дел. Именно этот переключатель управляет работой генератора развёртки.

Также на панели осциллографа имеются:

Ручка «Перемещение луча по горизонтали».

Она служит для корректировки положения луча в горизонтальном направлении. Если покрутить данную ручку, то изображение развёртки будет смешатся либо вправо, либо влево.

Также есть и ручка «Перемещение луча по вертикали».

С помощью её можно отрегулировать положение развёртки на экране по вертикали.

Ручки «Перемещение луча по горизонтали» и «Перемещение луча по вертикали» служат исключительно для настройки комфортного отображения осциллограммы сигнала на экране. Они никак не влияют на настройку работы самого осциллографа.

А вот ручка «Уровень синхронизации» необходима для того, чтобы «остановить» осциллограмму сигнала на экране.

Поворотом этой ручки добиваются того, чтобы изображение сигнала «застыло», а не «убегало». Иногда, чтобы поймать изображение с помощью ручки «Уровень» приходится изменить время развёртки переключателем Время/дел.

Входной разъём «Y» , к которому подключается измерительный щуп или внешний делитель выглядит так.

Внизу указываются параметры входа, а именно входное сопротивление (1 MΩ) и входная ёмкость (40pF). Чем выше входное сопротивление измерительного прибора, тем лучше. Таким образом при измерении прибор не шунтирует элементы тестируемой схемы и не вносит искажений в измеряемый сигнал. Входная ёмкость прежде всего влияет на возможность исследования высокочастотных сигналов.

В настоящее время, с развитием цифровой техники, стали широко внедряться цифровые осциллографы. По сути это гибрид аналоговой и цифровой техники. Отношение к ним неоднозначное, как к мясорубке с процессором или к кофемолке с дисплеем.

ГЛАВА 9

Дата добавления: 2015-09-15 ; просмотров: 3220 ; Нарушение авторских прав

ГЛАВА 9

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ

Назначение, принцип действия и классификация осциллографов

Электронно-лучевой осциллограф — прибор, предназначенный для наблюдения формы и измерения амплитудных и временных параметров электрических сигналов в диапазоне частот от постоянного тока до десятков гигагерц, основным элементом которого является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) с электростатическим управлением луча и люминесцирующим экраном.

По назначению и принципу действия различают универсальные, стробоскопические, запоминающие и специальные осциллографы.

Универсальный осциллограф — это ЭО, в котором исследуемый сигнал подается через канал ВО (аттенюаторы, усилители) на вертикально отклоняющую систему ЭЛТ, а горизонтальное отклонение осуществляется генератором развертки.

Стробоскопический осциллограф (СО) — осциллограф, использующий для изображения формы сигнала упорядоченный (или случайный) отбор мгновенных значений исследуемого сигнала и осуществляющий временное преобразование сигнала.

Запоминающий осциллограф (30) — осциллограф, который при помощи специального устройства, например ЭЛТ с памятью или электронного ЗУ, позволяет сохранять на определенное время исследуемый сигнал и при необходимости представлять его для однократного или многократного визуального наблюдения или для дальнейшей обработки.

Специальный осциллограф — это ЭО, который содержит специфические узлы и предназначен для целевого применения (вычислительный, цифровой с АЦП, скоростной, для телевизионных измерений и т.д.).

По числу одновременно наблюдаемых сигналов осциллографы делят на многолучевые и многоканальные.

Многолучевой осциллограф — это ЭО, в котором ЭЛТ имеет два или более электронных лучей, управляемых отдельно или совместно.

Многоканальный осциллограф — ЭО, в котором специальным устройством достигается получение изображения двух или более сигналов, поступающих по нескольким каналам, на экране однолучевой ЭЛТ.

По назначению, принципу действия и числу одновременно наблюдаемых сигналов особое место занимает многофункциональный осциллограф со сменными блоками.

Осциллограф со сменными блоками — ЭО, у которого заменой сменных блоков можно изменить его параметры, например полосу пропускания, коэффициенты отклонения и развертки, и (или) расширить функциональные возможности, например многоканальные усилители, задерживающие развертки, стробоскопические преобразователи, и (или) получить специфические функции, например анализатор спектра, характериограф.

По возможностям обработки сигналов и быстродействию ЦО приближаются к специализированным сигнальным процессорам, а по возможностям отображения результатов обработки превосходят их.

1 Структура и принцип действия цифрового осциллографа

На рис. 1 в предельно упрощенном виде показана структурная схема цифрового осциллографа (ЦО).

Рис. 1. Упрощенная структурная схема цифрового осциллографа (ЦО)

МУ – масштабирующее устройство (усилитель и делитель напряжения); АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство; МК – микроконтроллер;

ЗУ – запоминающее устройство; Э – экран; ОУ – органы управления ( кнопки, ручки).

Каждой ячейке ЗУ соответствует точка на экране по цвету отличающаяся от фона. Её абсциссу определяет номер ячейки, а ординату кодовое слово N_i, находящееся в этой ячейке.

Для хорошего изображения сигнала на экране вполне достаточно 2 точки на 1 мм. Средних размеров экран имеет высоту 100 мм и ширину 120 мм. Следовательно, на экране должны располагаться 200 × 240 = 48 000 точек или более.