Wofür ist ein Oszilloskop: Eigenschaften und Funktionsprinzip des Geräts, wie man das Gerät richtig verwendet

Mit einem Multimeter können Sie einfache elektrische Größen wie Strom, Widerstand, Spannung messen. Sie werden jedoch nicht in der Lage sein, die Form des Signals oder sein zeitliches Verhalten zu untersuchen. Daher wird ein Oszilloskop benötigt, um Instrumente zu messen, zu überprüfen und fein abzustimmen. Dieses universelle Gerät wurde früher nur in Labors und Servicezentren eingesetzt, ist aber heute für Funkamateure recht erschwinglich geworden.

Typen und Eigenschaften

Verschiedene Studien auf dem Gebiet der Elektrizität erforderten ein Instrument, das in der Lage ist, eine Reihe von Messungen des Verhaltens eines bestimmten Parameters über einen bestimmten Zeitraum durchzuführen. Der Begründer eines solchen Gerätes war André Blondel, der 1863 in Frankreich geboren wurde. Er studierte Elektrotechnik und gründete ein Labor in der Stadt Levallupe. Darin erfand und konstruierte der Wissenschaftler basierend auf der Theorie von Alfred Cornu ein magnetoelektrisches Gerät mit einer bifilaren Aufhängung. Es geschah 1893.

Dieses Gerät ermöglichte es, die Intensität von Wechselströmen zu registrieren, indem die Schwingungen eines Pendels mit Tinte aufgezeichnet wurden, die an einen Induktor angeschlossen war. Das Messgerät hatte aufgrund mechanischer Teile eine geringe Genauigkeit. Und sein Durchlassbereich lag im Bereich von 10-19 kHz.

Die Weiterentwicklung des Geräts führte 1897 zum Erscheinen eines Oszilloskops mit einer Kathodenstrahlröhre (CRT). Der Physiker aus Deutschland Karl Braun wurde sein Designer. Die erste industrielle Kopie wurde jedoch erst 1932 von der britischen Firma A. C. Cossor GmbH Im November hat die amerikanische Firma Allen B. DuMont Laboratories stellte ein Oszilloskop vor, das aus zwei Teilen besteht: einem CRT und einem Gehäuse. Letztere enthielt Strahlfokussierungseinheiten, eine Stromquelle und eine Sweep-Einheit. Aber die Technologie der Siebherstellung erlaubte es, nicht länger als tausend Stunden zu verwenden.

Der Zweite Weltkrieg stoppte die Entwicklung des Geräts, aber nach seinem Ende haben die Ingenieure Wollum und Murdoch, Gründer von Tektronix, ein Warte-Sweep wird in das Gerätegerät eingeleitet, d. h. ein Sweep, der nur beim Auftreten eines elektromagnetischen Signal. Dieses Gerät arbeitete mit einer Bandbreite von 10 MHz.

Die Entwicklung der Halbleitertechnologie führte 1980 zur Entwicklung eines digitalen Geräts durch LeCroy. Danach begann die Massenproduktion von digitalen Geräten in Europa, nicht nur auf professionellem Niveau, sondern auch auf Amateurfunkbasis. Auf den Märkten sind alle Arten von Geräten erschienen, die sich in Genauigkeit und Funktionalität unterscheiden.

Anfang 2000 ersetzte die Digitaltechnik analoge Geräte fast vollständig, dies wurde durch die Entwicklung von Personalcomputern und die Möglichkeit, das Messgerät mit ihnen zu verbinden, erleichtert. Welche Methode der Signalverarbeitung auch immer verwendet wird, das Funktionsprinzip verschiedener Oszilloskope bleibt jedoch gleich.

Analoges Gerät

Heutzutage sind analoge Oszilloskope in Forschungslabors oder Servicezentren immer weniger verbreitet. Aber Funkamateure haben immer noch genug veraltete, aber immer noch recht effiziente solche Geräte. Jedes analoge Gerät besteht aus einem oder mehreren vertikalen Kanälen, einem horizontalen Kanal, einer Triggerschaltung und einer Kathodenstrahlröhre (CRT).

CRT ist der Hauptteil des Geräts. Es zeigt die Form des untersuchten Signals an. Sie erfolgt aus einer Vakuumflasche, in die Elektroden für verschiedene Zwecke eingelötet werden. Die erste Gruppe bildet eine Elektronenkanone, die einen Strahl bildet. Das zu untersuchende Signal wird an sie gesendet. Und der zweite besteht aus Kontakten von vertikal und horizontal ablenkenden Platten und wird mit der Spannung des Sweep-Generators versorgt.

Auf diese Weise, Das Gerät besteht aus folgenden Teilen:

• Dämpfungsglied - Eingangsspannungsteiler;
• Vorverstärker;
• Verzögerungsblock;
• Synchronisations- und Sweep-Trigger-Schema;
• Generator;
• Endverstärker.

Das gemessene Signal geht zu den vertikalen Platten und dann zum Abschwächer, mit dem Sie die Empfindlichkeit des Geräts einstellen können. Eine Regeleinrichtung ist in Form eines Drehknopfes ausgeführt. Die Schaltskala wird in Volt pro Teilung angegeben. Teiler werden verwendet, wenn ein starkes Signal gemessen wird. Dabei handelt es sich um spezielle Geräte, die nach dem Prinzip der Dämpfungsglieder arbeiten, gleichzeitig aber das Signal auf einen für die Eingangskreise des Oszilloskops sicheren Pegel reduzieren.

Das Signal vom Teiler oder Dämpfungsglied wird am Vorverstärker abgezweigt und gelangt in die Verzögerungs- und Synchronisationseinheit. Der letzte Knoten schafft Bedingungen zum Starten des Generators, wenn elektromagnetische Schwingungen auftreten. Das Sägezahnsignal des Generators gelangt in den horizontalen Kanal X, wo es verstärkt und dem Bildschirm zugeführt wird.

Der zweite Teil des Signals geht durch die Verzögerungsleitung zum Y-Kanal und dann zur CRT. Als Ergebnis wird die Pulsposition auf dem Bildschirm im XY-Koordinatensystem angezeigt. Die untere Frequenzgrenze liegt bei etwa 10 Hz, die obere hängt von der Kapazität der Platten und der Qualität der Verstärker ab.

Wenn daher eine gemessene Spannung an die Platten angelegt wird, beginnt der Strahl vertikal und horizontal abzuweichen. Diese Bewegungen laufen synchron ab, wodurch sich das Signal rechtzeitig "entrollt". Das resultierende Bild auf dem Bildschirm wird als Oszillogramm bezeichnet.

Digitales Instrument

Das digitale Gerät kombiniert ein analoges Oszilloskop und einen Minicomputer. Damit können Sie nicht nur die Form visuell sehen, sondern auch eine Reihe von Operationen durchführen, wie z. B. Addition und Subtraktion von Signalen, Fourier-Transformation und Bestimmung des Spektrums. Das Gerät beinhaltet:

• Skalierungsknoten;
• Analog-Digital-Wandler (ADC);
• Direktzugriffsspeicher (RAM);
• Mikrocontroller;
• Speicherzellen;
• Bildschirm;
• Bedienelemente (Tasten, Drehknöpfe).

Das Signal geht an den Eingang des Skalierungsknotens, wo es auf einen für die internen Schaltkreise des Gerätes sicheren Wert reduziert wird. Dann wird es über einen Verstärker dem ADC zugeführt. Es wandelt eine analoge Form in eine Reihe einer diskreten Folge eines logischen Codes um. Dazu wird ein Mikrocontroller verwendet, der nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM) arbeitet.

Der Code wird in den RAM geschrieben, von dem er nach Erfüllung einer bestimmten Bedingung in die Speicherzellen übertragen wird. Jeder Block entspricht einem Pixel, das überbelichtet ist. Die X-Koordinate wird durch die Zellennummer bestimmt und die Y-Koordinate durch den darin geschriebenen Code. Die Speicherzelle kann mehrere Codesymbole enthalten, die eine Reihe von kontinuierlich leuchtenden Pixeln bilden.

Digitale Oszilloskope sind in mehrere Untertypen unterteilt und können sein:

• Virtuell - mit unterschiedlichen Eingangs- und Ausgangsports. Sie sind so konzipiert, dass sie mit externer Software arbeiten, die auf einem PC installiert ist.
• Stroboskopisch - durch sequentielle Abtastung von Momentanwerten und deren zeitliche Transformation mit kurzen Impulsen (Strobes).
• Phosphor - Anzeige des Signals in der Zeit- und Amplitudenebene sowie seiner Intensität. Solche Geräte zeichnen sich durch eine hohe Probendichte und Genauigkeit aus.

Die Verwendung des LCD-Bildschirms verbessert die Benutzerfreundlichkeit des Oszilloskops. Es wird möglich, alle darauf befindlichen Daten visuell anzuzeigen, und die Verwendung des Speichers im Gerät ermöglicht es Ihnen, alle Änderungen der Wellenform im Laufe der Zeit zu vergleichen.

Geräteparameter

Ein Oszilloskop hat wie jedes elektrische Gerät eine Reihe von technischen Parametern. Sie bestimmen die Funktionalität und den Nutzungsgrad. Anforderungen an die Genauigkeitsklasse, Betriebsstabilität und Geräuscheigenschaften werden an seine Arbeit gestellt.

Die wichtigsten Parameter des Gerätes sind:

• Frequenzbandbreite. Gibt die Genauigkeit der Messungen an. Je größer es ist, desto detaillierter können Sie die Wellenform studieren. In diesem Fall sollte der Wert dieses Parameters die Frequenz des zu untersuchenden Signals um ein Vielfaches überschreiten.
• Probenahme. Bestimmt die Auflösung des Instruments.
• Die Anzahl der Kanäle. Ihr Wert bestimmt die Anzahl gleichzeitig unabhängiger Messungen, die am Gerät durchgeführt werden können. Dadurch ist es möglich, mehrere Grafiken gleichzeitig auf dem Bildschirm anzuzeigen und miteinander zu vergleichen. Die Funkamateurklasse hat 2-4 Kanäle, die Profiklasse bis zu 16.
• Speichergröße. Sein Wert beeinflusst die Reaktionsgeschwindigkeit des Geräts.
• Art von Essen. Es gibt Geräte, die an einem 220-Volt-Wechselspannungsnetz oder an Akkus betrieben werden.
• Anstiegszeit des Eingangssignals. Weniger ist besser. Das heißt, je weniger der Anfang des ersten Signals auf dem Bildschirm bei der internen Synchronisation „abgenagt“ wird, desto besser sind die Frequenzeigenschaften des Oszilloskops.
• Bildschirmeigenschaften. Dazu gehören: Detail, Trägheit, Sweep-Frequenz. Je höher die Auflösung, desto höher der Detailgrad.
• Segmentierter Speichermodus. Einige digitale Instrumente verfügen über einen segmentierten Speichermodus. Das heißt, sie haben die Fähigkeit, Signale mit der gewünschten (hohen) Abtastrate selektiv zu erfassen.
• Verfügbarkeit des äquivalenten Modus. Es wird verwendet, um ein periodisches Signal zu untersuchen. Ermöglicht Ihnen, die Abtastrate mehrmals zu erhöhen.

Oszilloskop-Anwendungen

Das Oszilloskop wurde entwickelt, um verschiedene Beziehungen zwischen mehreren Größen zu untersuchen. Die auf dem Bildschirm angezeigte Wellenform zeigt, wie sich die Spannungswellenform im Laufe der Zeit ändert. So können Sie ganz einfach Polarität, Amplitude, Dauer, Tastverhältnis und Frequenz des Signals bestimmen.

In grober Näherung funktioniert ein Oszilloskop wie ein grafisches Voltmeter. Er misst das Signal und zeigt seine Form auf dem Display an. Auch hochfrequente Spannungen können mit dem Gerät gemessen werden. Sein Hauptzweck ist die Fehlersuche in komplexen elektronischen Schaltungen oder Forschungsmessungen. Zum Beispiel, mit ihm ist es möglich:

• Zeitparameter bestimmen;
• Studienphasenverschiebung;
• Festlegen der Signalfrequenz;
• Beobachten Sie die Wechsel- und Konstantspannungskomponenten;
• beachten Sie das Vorhandensein von Harmonischen und deren Parameter;
• Informieren Sie sich rechtzeitig über die Abläufe.

Daher wird ein Oszilloskop benötigt, um die Schwankungen des elektrischen Signals visuell zu beobachten, und sehen auch Interferenzen und Verzerrungen und identifizieren so das fehlerhafte Element in verschiedenen Knoten anhand der Form von Ein- und Ausgang Impuls. Darüber hinaus wird das Oszilloskop häufig in der Diagnose von Elektromotoren eingesetzt. Durch das Studium der Generationen, die während des Betriebs des Motors auftreten, ist es möglich, die Katalysatorfehlfunktion zu berechnen, eine erhöhte Luftleckage zu identifizieren und Signale von verschiedenen Sensoren zu verfolgen.

Arbeiten mit dem Messgerät

Die Kalibrierung wird vor der Verwendung des Oszilloskops durchgeführt. Dazu werden die Messleitungen mit dem Eingang des Verstärkers (Ablenkung des Strahls in der vertikalen Ebene) und einem gemeinsamen Anschluss, der als Masse bezeichnet wird, verbunden. Wenn ein CRT verwendet wird, müssen Sie nach dem Einschalten eine Weile warten, bis sich der Bildschirm aufgewärmt hat. Dann müssen Sie die folgenden Schritte ausführen:

1. Der Zeiteinstellknopf ist auf eine Teilung eingestellt, die 1 ms / div entspricht.
2. Der Volt / Div-Knopf wird auf die Position 0,5 V / Div geschaltet.
3. Die Sync-Pulssteuerung wird in den Modus "Auto" geschaltet. Ist eine solche Position nicht vorhanden, wird die interne Synchronisation angewählt und der Signaltyp eingestellt - variabel.
4. Drehen Sie die Strahlpositionsregler (nach oben / unten und rechts / links), stellen Sie den "Auto"-Modus ein oder erzielen Sie einfach das Erscheinungsbild des Strahls auf dem Bildschirm.
5. Der Signalmodusschalter befindet sich in der Position GND.
6. Die gemeinsame Sonde ist mit einem speziellen Massekontakt des Gerätegehäuses verbunden. Besteht im Oszilloskop kein solcher Kontakt, wird die Tastkopfklemme auf ein beliebiges nicht isoliertes Metallteil des Gehäuses aufgesteckt.
7. Der Signaltyp-Schalter wird auf Neutral gestellt, um den Pin mit Masse zu verbinden. Wenn kein solcher Schalter vorhanden ist, werden die Sonden miteinander geschlossen.
8. Verwenden Sie die vertikalen und horizontalen Einstellknöpfe, um den Strahl auf die Mitte des Bildschirms einzustellen.
9. Verfügt das Gerät über einen Schalter „Signaltyp“, wird dieser auf die Messposition einer konstanten Wellenform eingestellt oder die Sonde wird einfach von der Erdungsbuchse getrennt.
10. Durch Umschalten der Skala "Volt / Division" wird die Entfaltung des Signals zum Vollbild erreicht, was die Genauigkeit der Beobachtungen erhöht.
11. Mit Hilfe der Messdrähte werden die notwendigen Studien gestartet, ggf. die Skala "Volt / Division" angepasst.

Somit ermöglicht die Verwendung eines Oszilloskops Operationen zum Einrichten und Reparieren komplexer Instrumente, die mit einem Tester nicht durchgeführt werden können. Das Arbeiten an einem modernen Gerät ist nicht viel schwieriger als das Messen mit einem Multimeter.