A cosa serve un oscilloscopio: caratteristiche e principio di funzionamento del dispositivo, come utilizzare correttamente il dispositivo

Puoi misurare semplici grandezze elettriche come corrente, resistenza, tensione usando un multimetro. Ma non saranno in grado di investigare la forma del segnale o il suo comportamento nel tempo. Pertanto, è necessario un oscilloscopio per misurare, controllare e mettere a punto gli strumenti. Questo dispositivo universale era precedentemente utilizzato solo in laboratori e centri di assistenza, ma oggi è diventato abbastanza conveniente per l'uso da parte dei radioamatori.

Tipi e caratteristiche

Diversi studi nel campo dell'elettricità hanno richiesto un dispositivo che permetta una serie di misurazioni del comportamento di un dato parametro nel tempo. Il fondatore di un tale dispositivo fu André Blondel, nato nel 1863 in Francia. Studiando ingegneria elettrica, ha fondato un laboratorio nella città di Levallupe. In esso, sulla base della teoria di Alfred Cornu, lo scienziato ha inventato e costruito un dispositivo magnetoelettrico con una sospensione bifilare. È successo nel 1893.

Questo dispositivo ha permesso di registrare l'intensità delle correnti alternate registrando le oscillazioni di un pendolo con inchiostro collegato ad un induttore. Il misuratore aveva una bassa precisione a causa delle parti meccaniche. E la sua banda passante era nell'intervallo 10-19 kHz.

Un'ulteriore evoluzione del dispositivo portò alla comparsa nel 1897 di un oscilloscopio con tubo a raggi catodici (CRT). Il fisico tedesco Karl Braun ne divenne il progettista. Ma la prima copia industriale fu rilasciata solo nel 1932 dalla società britannica A. C. Cossor Ltd. A novembre, l'azienda americana Allen B. DuMont Laboratories ha introdotto un oscilloscopio composto da due parti: un CRT e un alloggiamento. Quest'ultimo ospitava unità di focalizzazione del raggio, una fonte di alimentazione e un'unità di scansione. Ma la tecnologia di produzione dello schermo ha permesso di utilizzarlo per non più di mille ore.

La seconda guerra mondiale fermò lo sviluppo del dispositivo, ma dopo la sua fine gli ingegneri Wollum e Murdoch, i fondatori di Tektronix, viene introdotta una scansione in attesa nel dispositivo del dispositivo, ovvero quella che viene lanciata solo durante il verificarsi di un'onda elettromagnetica segnale. Questo dispositivo funzionava con una larghezza di banda di 10 MHz.

Lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori ha portato allo sviluppo di un dispositivo digitale di LeCroy nel 1980. Successivamente, i dispositivi digitali hanno iniziato a essere prodotti in serie in Europa, non solo a livello professionale, ma anche di radioamatore. Tutti i tipi di dispositivi che differiscono per precisione e funzionalità sono apparsi sui mercati.

All'inizio del 2000, la tecnologia digitale ha sostituito quasi completamente i dispositivi analogici, ciò è stato facilitato dallo sviluppo dei personal computer e dalla possibilità di interfacciare con essi un contatore. Tuttavia, qualunque sia il metodo di elaborazione del segnale utilizzato, il principio di funzionamento dei vari oscilloscopi rimane lo stesso.

Dispositivo analogico

Oggi gli oscilloscopi analogici sono sempre meno diffusi nei laboratori di ricerca o nei centri di assistenza. Ma i radioamatori hanno ancora abbastanza dispositivi obsoleti, ma ancora abbastanza efficienti. Qualsiasi dispositivo analogico è costituito da uno o più canali verticali, un canale orizzontale, un circuito di trigger e un tubo a raggi catodici (CRT).

CRT è la parte principale del dispositivo. Visualizza la forma del segnale in esame. Viene effettuato da un pallone da vuoto in cui sono saldati elettrodi per vari scopi. Il primo gruppo forma un cannone elettronico che forma un fascio. Ad essa viene inviato il segnale oggetto di indagine. E il secondo è costituito da contatti di piastre deviatrici verticalmente e orizzontalmente e ad esso viene fornita la tensione del generatore di spazzate.

Così, il dispositivo è composto dalle seguenti parti:

• attenuatore - partitore di tensione in ingresso;
• preamplificatore;
• blocco di ritardo;
• sincronizzazione e schema di attivazione della scansione;
• Generatore;
• amplificatore finale.

Il segnale misurato viene inviato alle piastre verticali e quindi all'attenuatore, che consente di regolare la sensibilità del dispositivo. Un dispositivo di regolazione è realizzato sotto forma di una manopola rotante. La scala di commutazione è indicata in volt per divisione. I divisori vengono utilizzati quando si misura un segnale potente. Questi sono dispositivi speciali che funzionano secondo il principio degli attenuatori, ma allo stesso tempo riducono il segnale a un livello di sicurezza per i circuiti di ingresso dell'oscilloscopio.

Il segnale dal divisore o attenuatore viene ramificato al preamplificatore ed entra nell'unità di ritardo e sincronizzazione. L'ultimo nodo crea le condizioni per l'avvio del generatore quando compaiono oscillazioni elettromagnetiche. Il segnale a dente di sega proveniente dal generatore entra nel canale orizzontale X, dove viene amplificato e inviato allo schermo.

La seconda parte del segnale passa attraverso la linea di ritardo al canale Y e quindi al CRT. Di conseguenza, la posizione dell'impulso viene visualizzata sullo schermo nel sistema di coordinate XY. Il limite di frequenza inferiore è di circa 10 Hz e quello superiore dipende dalla capacità delle armature e dalla qualità degli amplificatori.

Pertanto, se viene applicata una tensione misurata alle piastre, il raggio inizia a deviare verticalmente e orizzontalmente. Questi movimenti si verificano in modo sincrono e, di conseguenza, il segnale "si svolge" nel tempo. L'immagine risultante sullo schermo è chiamata oscillogramma.

Strumento digitale

Il dispositivo digitale combina un oscilloscopio analogico e un mini-computer. Usandolo, puoi non solo vedere visivamente la forma, ma anche eseguire una serie di operazioni, come l'aggiunta e la sottrazione di segnali, la trasformata di Fourier e la determinazione dello spettro. Il dispositivo include:

• nodo di ridimensionamento;
• convertitore analogico-digitale (ADC);
• memoria ad accesso casuale (RAM);
• microcontrollore;
• celle di stoccaggio;
• schermo;
• elementi di comando (pulsanti, manopole).

Il segnale va all'ingresso del nodo di ridimensionamento, dove viene ridotto a un valore sicuro per i circuiti interni del dispositivo. Quindi viene alimentato attraverso un amplificatore all'ADC. Converte una forma analogica in una serie di una sequenza discreta di un codice logico. Per questo, viene utilizzato un microcontrollore che funziona secondo il principio della modulazione dell'ampiezza dell'impulso (PWM).

Il codice viene scritto nella RAM, dalla quale, dopo una certa condizione, viene trasferito alle celle di memoria. Ogni blocco corrisponde a un pixel sovraesposto. La coordinata X è determinata dal numero di cella e la coordinata Y dal codice scritto in essa. La cella di memoria può contenere diversi simboli di codice, che formano una linea di pixel continuamente accesi.

Oscilloscopi digitali sono suddivisi in diversi sottotipi e possono essere:

• Virtuale - con diverse porte di input e output. Sono progettati per funzionare con software esterno installato su un PC.
• Stroboscopico: utilizzo del campionamento sequenziale di valori istantanei e della loro trasformazione temporale mediante impulsi brevi (strobo).
• Fosforo: visualizza il segnale nei piani del tempo e dell'ampiezza, nonché la sua intensità. Tali dispositivi sono caratterizzati da un'elevata densità e precisione del campione.

L'uso dello schermo LCD migliora la praticità dell'oscilloscopio. Diventa possibile visualizzare visivamente qualsiasi dato su di esso e l'uso della memoria nel dispositivo consente di confrontare eventuali cambiamenti nella forma d'onda nel tempo.

Parametri dell'apparecchio

Un oscilloscopio, come qualsiasi dispositivo elettrico, ha una serie di parametri tecnici. Sono loro che ne determinano la funzionalità e il grado di utilizzo. I requisiti per la classe di precisione, stabilità di funzionamento, caratteristiche di rumore sono imposti al suo lavoro.

I parametri più importanti del dispositivo sono:

• Larghezza di banda di frequenza. Specifica la precisione delle misurazioni. Più è grande, più dettagliatamente puoi studiare la forma d'onda. In questo caso, il valore di questo parametro dovrebbe superare di più volte la frequenza del segnale in esame.
• Campionamento. Determina la risoluzione dello strumento.
• Il numero di canali. Il loro valore determina il numero di misurazioni simultanee indipendenti che possono essere eseguite sul dispositivo. Ciò consente di visualizzare più grafici contemporaneamente sullo schermo e confrontarli tra loro. La classe radioamatori ha 2-4 canali e la classe professionale ne ha fino a 16.
• Dimensione della memoria. Il suo valore influisce sulla velocità di risposta del dispositivo.
• Tipo di cibo. Esistono dispositivi che funzionano su una rete a tensione alternata da 220 volt o su batterie ricaricabili.
• Tempo di salita del segnale in ingresso. Meno è meglio. Ciò significa che meno l'inizio del primo segnale sullo schermo viene "rosicchiato" durante la sincronizzazione interna, migliori sono le proprietà di frequenza dell'oscilloscopio.
• Caratteristiche dello schermo. Ciò include: dettaglio, inerzia, frequenza di scansione. Inoltre, maggiore è la risoluzione, maggiore è il grado di dettaglio.
• Modalità di memoria segmentata. Alcuni strumenti digitali hanno una modalità di memoria segmentata. Cioè, hanno la capacità di catturare selettivamente i segnali con la frequenza di campionamento (alta) desiderata.
• Disponibilità di modalità equivalente. È usato per studiare un segnale periodico. Consente di aumentare più volte la frequenza di campionamento.

Applicazioni dell'oscilloscopio

L'oscilloscopio è progettato per studiare varie relazioni tra diverse quantità. La forma d'onda visualizzata sullo schermo mostra come cambia la forma d'onda della tensione nel tempo. Quindi, con esso puoi facilmente determinare la polarità, l'ampiezza, la durata, il ciclo di lavoro e la frequenza del segnale.

In un'approssimazione, un oscilloscopio funziona come un voltmetro grafico. Misura il segnale e ne visualizza la forma sul display. Anche le tensioni ad alta frequenza possono essere misurate con il dispositivo. Il suo scopo principale è utilizzare la risoluzione dei problemi in circuiti elettronici complessi o misurazioni di ricerca. Per esempio, utilizzandolo è possibile:

• determinare i parametri temporali;
• spostamento di fase di studio;
• fissare la frequenza del segnale;
• osservare le componenti a tensione alternata e costante;
• notare la presenza di armoniche e dei loro parametri;
• scoprire i processi che si svolgono nel tempo.

Pertanto, l'oscilloscopio è necessario per poter osservare visivamente le fluttuazioni del segnale elettrico e vedere anche interferenze e distorsioni, identificando così l'elemento difettoso in vari nodi dalla forma dell'input e dell'output polso. Inoltre, l'oscilloscopio è ampiamente utilizzato nella diagnostica dei motori elettrici. Studiando le generazioni che si verificano durante il funzionamento del motore, è possibile calcolare il malfunzionamento del catalizzatore, identificare un aumento delle perdite d'aria e tenere traccia dei segnali provenienti da vari sensori.

Lavorare con il contatore

La calibrazione viene eseguita prima di utilizzare l'oscilloscopio. Per fare ciò, i puntali sono collegati all'ingresso dell'amplificatore (deflessione verticale del raggio) e a un terminale comune, designato a terra. Se si utilizza un CRT, dopo l'accensione è necessario attendere un po' che lo schermo si riscaldi. Quindi è necessario eseguire i seguenti passaggi:

1. La manopola di regolazione del tempo è impostata su una divisione corrispondente a 1 ms / div.
2. La manopola Volt/Div è impostata sulla posizione 0,5 V/Div.
3. Il controllo dell'impulso di sincronizzazione è passato alla modalità "auto". Se questa posizione non viene fornita, viene selezionata la sincronizzazione interna e viene impostato il tipo di segnale - variabile.
4. Ruotando i controlli di posizione del raggio (su/giù e sinistra/destra), impostare la modalità "Auto" o semplicemente ottenere l'aspetto del raggio sullo schermo.
5. L'interruttore del tipo di segnale è impostato sulla posizione GND.
6. La sonda comune è collegata ad uno speciale contatto di terra dell'alloggiamento del dispositivo. Se non c'è tale contatto nell'oscilloscopio, il morsetto della sonda viene posizionato su qualsiasi parte metallica non isolata della custodia.
7. L'interruttore del tipo di segnale viene spostato in posizione neutra per collegare il pin a terra. Se non esiste tale interruttore, le sonde vengono chiuse l'una con l'altra.
8. Utilizzare le manopole di regolazione verticale e orizzontale per impostare il raggio al centro dello schermo.
9. Se il dispositivo ha un interruttore "Tipo di segnale", viene impostato sulla posizione di misurazione di una forma d'onda costante o la sonda viene semplicemente scollegata dalla presa di terra.
10. Commutando la scala "Volt/divisione" si ottiene lo sviluppo del segnale a schermo intero, il che aumenta la precisione delle osservazioni.
11. Con l'ausilio dei fili di misura vengono avviati gli studi necessari regolando, se necessario, la scala "Volt/divisione".

Pertanto, l'uso di un oscilloscopio consente di eseguire operazioni di installazione e riparazione di strumenti complessi che non possono essere eseguiti utilizzando un tester. Lavorare su un dispositivo moderno non è molto più difficile che misurare con un multimetro.