Do czego służy oscyloskop: charakterystyka i zasada działania urządzenia, jak prawidłowo korzystać z urządzenia

Za pomocą multimetru możesz mierzyć proste wielkości elektryczne, takie jak prąd, rezystancja, napięcie. Ale nie będą w stanie zbadać kształtu sygnału ani jego zachowania w czasie. Dlatego potrzebny jest oscyloskop do mierzenia, sprawdzania i dostrajania instrumentów. To uniwersalne urządzenie było wcześniej używane tylko w laboratoriach i centrach serwisowych, ale dziś stało się dość przystępne do użytku przez radioamatorów.

Rodzaje i cechy

Różne badania w dziedzinie elektryczności wymagały urządzenia, które umożliwia wykonanie serii pomiarów zachowania danego parametru w czasie. Założycielem takiego urządzenia był André Blondel, który urodził się w 1863 roku we Francji. Studiując elektrotechnikę, założył laboratorium w mieście Levallupe. W nim, w oparciu o teorię Alfreda Cornu, naukowiec wynalazł i skonstruował urządzenie magnetoelektryczne z bifilarnym zawieszeniem. Stało się to w 1893 roku.

Urządzenie to umożliwiło rejestrację natężenia prądów przemiennych poprzez rejestrację drgań wahadła z atramentem połączonym z cewką indukcyjną. Miernik miał niską dokładność ze względu na części mechaniczne. A jego pasmo przenoszenia mieściło się w zakresie 10-19 kHz.

Dalsza ewolucja urządzenia doprowadziła do pojawienia się w 1897 roku oscyloskopu z lampą katodową (CRT). Jej projektantem został fizyk z Niemiec Karl Braun. Ale pierwsza kopia przemysłowa została wydana dopiero w 1932 roku przez brytyjską firmę A. C. Cossor Sp. W listopadzie amerykańska firma Allen B. Laboratoria DuMont wprowadziły oscyloskop składający się z dwóch części: CRT i obudowy. Ten ostatni zawierał jednostki skupiające wiązkę, źródło zasilania i jednostkę zamiatającą. Ale technologia produkcji sit pozwoliła na użytkowanie nie dłużej niż tysiąc godzin.

II wojna światowa zatrzymała rozwój urządzenia, ale po jej zakończeniu inżynierowie Wollum i Murdoch, założyciele firmy Tektronix, do urządzenia wprowadza się przemiatanie oczekujące, to znaczy takie, które jest uruchamiane tylko podczas wystąpienia elektromagnetycznego sygnał. To urządzenie pracowało z pasmem 10 MHz.

Rozwój technologii półprzewodnikowej doprowadził do opracowania urządzenia cyfrowego przez LeCroy w 1980 roku. Następnie urządzenia cyfrowe zaczęły być masowo produkowane w Europie, nie tylko na poziomie profesjonalnym, ale także krótkofalarskim. Na rynkach pojawiły się wszelkiego rodzaju urządzenia różniące się dokładnością i funkcjonalnością.

Na początku 2000 r. technologia cyfrowa prawie całkowicie zastąpiła urządzenia analogowe, czemu sprzyjał rozwój komputerów osobistych i możliwość połączenia z nimi miernika. Niezależnie jednak od zastosowanej metody przetwarzania sygnału zasada działania różnych oscyloskopów pozostaje taka sama.

Urządzenie analogowe

Dziś oscyloskopy analogowe są coraz rzadziej spotykane w laboratoriach badawczych czy centrach serwisowych. Ale radioamatorzy wciąż mają dość przestarzałych, ale wciąż dość wydajnych takich urządzeń. Każde urządzenie analogowe składa się z jednego lub więcej kanałów pionowych, kanału poziomego, obwodu wyzwalającego i kineskopu (CRT).

CRT jest główną częścią urządzenia. Wyświetla kształt badanego sygnału. Wykonywany jest z kolby próżniowej, do której wlutowane są elektrody do różnych celów. Pierwsza grupa tworzy działo elektronowe, które tworzy wiązkę. Do niej wysyłany jest badany sygnał. A drugi składa się ze styków płyt odchylających się w pionie i poziomie, do których dostarczane jest napięcie generatora zamiatania.

Zatem, urządzenie składa się z następujących części:

• tłumik - dzielnik napięcia wejściowego;
• przedwzmacniacz;
• blok opóźniający;
• schemat wyzwalania synchronizacji i przemiatania;
• generator;
• wzmacniacz końcowy.

Mierzony sygnał podawany jest na płytki pionowe, a następnie na tłumik, który pozwala na regulację czułości urządzenia. Urządzenie regulujące wykonane jest w postaci pokrętła. Skala przełączania jest podana w woltach na działkę. Dzielniki są używane podczas pomiaru silnego sygnału. Są to specjalne urządzenia, które działają na zasadzie tłumików, ale jednocześnie redukują sygnał do bezpiecznego poziomu dla obwodów wejściowych oscyloskopu.

Sygnał z dzielnika lub tłumika jest rozgałęziony w przedwzmacniaczu i trafia do jednostki opóźnienia i synchronizacji. Ostatni węzeł stwarza warunki do uruchomienia generatora, gdy pojawią się oscylacje elektromagnetyczne. Sygnał piłokształtny z generatora wchodzi do poziomego kanału X, gdzie jest wzmacniany i podawany na ekran.

Druga część sygnału przechodzi przez linię opóźniającą do kanału Y, a następnie do CRT. W rezultacie pozycja impulsu jest wyświetlana na ekranie w układzie współrzędnych XY. Dolna granica częstotliwości to około 10 Hz, a górna zależy od pojemności płytek i jakości wzmacniaczy.

Dlatego jeśli zmierzone napięcie zostanie przyłożone do płytek, wiązka zaczyna odchylać się w pionie i poziomie. Ruchy te zachodzą synchronicznie, w wyniku czego sygnał „rozwija się” w czasie. Powstały obraz na ekranie nazywany jest oscylogramem.

Instrument cyfrowy

Urządzenie cyfrowe łączy w sobie oscyloskop analogowy i minikomputer. Za jego pomocą można nie tylko wizualnie zobaczyć kształt, ale także wykonać szereg operacji, takich jak dodawanie i odejmowanie sygnałów, transformata Fouriera, wyznaczanie widma. Urządzenie zawiera:

• węzeł skalowania;
• przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC);
• pamięć o dostępie swobodnym (RAM);
• mikrokontroler;
• komórki magazynujące;
• ekran;
• elementy sterujące (przyciski, pokrętła).

Sygnał trafia na wejście węzła skalującego, gdzie jest redukowany do wartości bezpiecznej dla obwodów wewnętrznych urządzenia. Następnie jest podawany przez wzmacniacz do ADC. Konwertuje formę analogową na serię dyskretnej sekwencji kodu logicznego. W tym celu wykorzystywany jest mikrokontroler działający na zasadzie modulacji szerokości impulsu (PWM).

Kod jest zapisywany w pamięci RAM, z której po spełnieniu określonego warunku jest przenoszony do komórek pamięci. Każdy blok odpowiada prześwietlonemu pikselowi. Współrzędna X jest określona przez numer komórki, a współrzędna Y przez zapisany w niej kod. Komórka pamięci może zawierać kilka symboli kodu, które tworzą linię stale świecących pikseli.

Oscyloskopy cyfrowe są podzielone na kilka podtypów i mogą być:

• Wirtualny - posiadający różne porty wejściowe i wyjściowe. Przeznaczone są do współpracy z zewnętrznym oprogramowaniem zainstalowanym na komputerze PC.
• Stroboskopowy - wykorzystujący sekwencyjne próbkowanie wartości chwilowych i ich transformację czasową za pomocą krótkich impulsów (stroboskopów).
• Fosfor - wyświetlanie sygnału w płaszczyznach czasu i amplitudy oraz jego natężenia. Takie urządzenia charakteryzują się dużą gęstością próbki i dokładnością.

Zastosowanie ekranu LCD poprawia wygodę pracy oscyloskopu. Staje się możliwe wizualne wyświetlanie na nim dowolnych danych, a wykorzystanie pamięci w urządzeniu pozwala na porównywanie dowolnych zmian przebiegu w czasie.

Parametry urządzenia

Oscyloskop, jak każde urządzenie elektryczne, ma szereg parametrów technicznych. To oni decydują o jego funkcjonalności i stopniu wykorzystania. Na jego pracę nakładane są wymagania dotyczące klasy dokładności, stabilności działania, charakterystyki hałasu.

Najważniejsze parametry urządzenia to:

• Pasmo częstotliwości. Określa dokładność pomiarów. Im jest większy, tym bardziej szczegółowo można badać przebieg. W takim przypadku wartość tego parametru powinna kilkukrotnie przekroczyć częstotliwość badanego sygnału.
• Próbowanie. Określa rozdzielczość instrumentu.
• Liczba kanałów. Ich wartość określa liczbę jednocześnie niezależnych pomiarów, które można wykonać na urządzeniu. Umożliwia to wyświetlanie na ekranie kilku wykresów jednocześnie i porównywanie ich ze sobą. Klasa radioamatorska ma 2-4 kanały, a klasa profesjonalna ma do 16.
• Rozmiar pamięci. Jego wartość wpływa na szybkość reakcji urządzenia.
• Rodzaj jedzenia. Istnieją urządzenia, które działają w sieci o napięciu przemiennym 220 V lub akumulatorach.
• Czas narastania sygnału wejściowego. Mniej znaczy lepiej. Oznacza to, że im mniej początek pierwszego sygnału zostanie „odgryziony” na ekranie podczas synchronizacji wewnętrznej, tym lepsze właściwości częstotliwościowe oscyloskopu.
• Charakterystyka ekranu. Obejmuje to: szczegółowość, bezwładność, częstotliwość przemiatania. Co więcej, im wyższa rozdzielczość, tym większy stopień szczegółowości.
• Tryb pamięci segmentowej. Niektóre instrumenty cyfrowe mają tryb pamięci segmentowej. Oznacza to, że mają możliwość selektywnego przechwytywania sygnałów z pożądaną (wysoką) częstotliwością próbkowania.
• Dostępność trybu równoważnego. Służy do badania sygnału okresowego. Umożliwia kilkukrotne zwiększenie częstotliwości próbkowania.

Aplikacje oscyloskopowe

Oscyloskop jest przeznaczony do badania różnych zależności między kilkoma wielkościami. Przebieg wyświetlany na ekranie pokazuje, jak przebieg napięcia zmienia się w czasie. Dzięki temu możesz łatwo określić polaryzację, amplitudę, czas trwania, cykl pracy i częstotliwość sygnału.

W przybliżeniu oscyloskop działa jak graficzny woltomierz. Mierzy sygnał i wyświetla jego kształt na wyświetlaczu. Za pomocą urządzenia można mierzyć nawet napięcia o wysokiej częstotliwości. Jego głównym celem jest zastosowanie rozwiązywania problemów w skomplikowanych układach elektronicznych lub pomiarach badawczych. Na przykład, przy jej użyciu możliwe jest:

• określić parametry czasowe;
• przesunięcie fazy badania;
• naprawić częstotliwość sygnału;
• obserwuj składowe napięcia zmiennego i stałego;
• zwróć uwagę na obecność harmonicznych i ich parametrów;
• poznaj procesy zachodzące w czasie.

Dlatego oscyloskop jest potrzebny, aby móc wizualnie obserwować wahania sygnału elektrycznego i zobacz także zakłócenia i zniekształcenia, identyfikując w ten sposób wadliwy element w różnych węzłach na podstawie kształtu wejścia i wyjścia puls. Ponadto oscyloskop znajduje szerokie zastosowanie w diagnostyce silników elektrycznych. Badając generacje, które pojawiają się podczas pracy silnika, można obliczyć awarię katalizatora, zidentyfikować zwiększony wyciek powietrza i śledzić sygnały z różnych czujników.

Praca z licznikiem

Kalibrację przeprowadza się przed użyciem oscyloskopu. W tym celu przewody pomiarowe podłącza się do wejścia wzmacniacza (pionowe odchylanie wiązki) oraz wspólnego zacisku, oznaczonego jako masa. Jeśli używany jest CRT, po włączeniu należy chwilę poczekać, aż ekran się rozgrzeje. Następnie musisz wykonać następujące kroki:

1. Pokrętło regulacji czasu ustawione jest na podziałkę odpowiadającą 1 ms/dz.
2. Pokrętło Volt / Div jest ustawione w pozycji 0.5 V / Div.
3. Sterowanie impulsem synchronizacji jest przełączane w tryb „auto”. Jeżeli pozycja ta nie jest podana, to wybierana jest synchronizacja wewnętrzna i ustawiany jest typ sygnału - zmienny.
4. Obracając kontrolki położenia wiązki (góra/dół i prawo/lewo), ustaw tryb „Auto” lub po prostu uzyskaj wygląd wiązki na ekranie.
5. Przełącznik typu sygnału jest ustawiony w pozycji GND.
6. Wspólna sonda jest podłączona do specjalnego styku uziemienia obudowy urządzenia. Jeśli w oscyloskopie nie ma takiego kontaktu, zacisk sondy zakłada się na dowolną nieizolowaną metalową część obudowy.
7. Przełącznik typu sygnału jest przesunięty w położenie neutralne, aby podłączyć pin do uziemienia. Jeśli nie ma takiego przełącznika, sondy są ze sobą zamknięte.
8. Użyj pokręteł regulacji pionowej i poziomej, aby ustawić wiązkę na środku ekranu.
9. Jeżeli urządzenie posiada przełącznik „Signal type”, to jest ustawiane w pozycji pomiarowej o przebiegu stałym, lub sonda jest po prostu odłączona od gniazda masy.
10. Przełączanie skali „Volts/division” powoduje rozłożenie sygnału na pełny ekran, co zwiększa dokładność obserwacji.
11. Za pomocą przewodów pomiarowych rozpoczyna się niezbędne badania, w razie potrzeby dostosowując skalę "Volt / Division".

Tak więc zastosowanie oscyloskopu umożliwia przeprowadzanie operacji konfiguracji i naprawy złożonych przyrządów, których nie można wykonać za pomocą testera. Praca na nowoczesnym urządzeniu nie jest dużo trudniejsza niż pomiar multimetrem.