Измерения в цифровых осциллографах и обработка результатов измерения

Измерения в цифровых осциллографах и обработка результатов измерения

Измерения в цифровых осциллографах и обработка результатов измерения

А.А. Дедюхин, АО «ПриСТ»

Современные цифровые запоминающие осциллографы (ЦЗО), построенные на базе открытой платформы дают возможность пользователю визуально наблюдать исследуемый сигнал, зачастую достаточно сложной формы. Использование длинной памяти, расширенных режимов синхронизации и сегментированной развертки позволяют инженеру фиксировать различные артефакты во входном сигнале или  же наоборот «отлавливать» полезные сигналы, имеющие определенные параметры. Эти возможности в том или ином виде присутствуют практически в любом современном цифровом осциллографе.

Но исключительная полезность цифрового осциллографа определяется не только его способностью визуально отображать форму входного сигнала, но и производить различного рода измерения, что, в общем, и классифицирует осциллограф как «средство измерения».

Большинство ЦЗО способно производить измерения достаточно большого типа параметров, так например, осциллографы серии WaveRunner производства компании LeCroy способен производить измерения до 40 параметров сигнала, с одновременной индикацией 8 результатов измерений в штатном режиме, а при инсталляции дополнительных опций осциллографы LeCroy старших серий способны приводить измерения до 170 различных параметров. Это широкий набор различных амплитудно-временных измерений вполне достаточных для удовлетворения потребностей широкого круга пользователей. Список измерений доступных для осциллографов LeCroy приведен в Приложении 1.

В основе всех видов измерений современного осциллографа лежат два вида измерений – это амплитудные и временные. Так же цифровые осциллографы способны осуществлять безразмерные виды измерений, например подсчет числа целых периодов сигнала, числа точек дискретизации, числа пиков гистограммы и пр.    Амплитудные измерения предназначены для измерений параметров амплитуды входного сигнала (или же результатов математической обработки) – это такие как, непосредственно, амплитуда, нижнее значение, верхнее значение, пиков значение, выбросы, среднеквадратическое значение и многие другие. Временные измерения предназначены для измерений параметров сигнала нормированных по времени – это частота, период, длительность, фазовые сдвиги, время нарастания и спада, параметры джиттера и многие другие. Так же современные ЦЗО имеют некоторые производные виды измерений от  амплитуды и времени, например измерение площади сигнала, что применительно к импульсному сигналу определяет его энергию, измерение числа периодов сигнала на заданном участке или измерение числа точек дискретизации образующих форму сигнала на всем экране или на заданном участке. В ЦЗО так же присутствуют специализированные виды измерений, предназначенные для измерения параметров специфических устройств или режимов, например измерение параметров мощности электрического сигнала, измерение параметров систем последовательной передачи данных, измерение параметров дисковых или оптических приводов, измерения джиттера и многие другие. Но и даже эти  специализированные виды измерений базируются на основных результатах измерения амплитудно-временных параметров сигнала.

Измерения амплитудных параметров

Погрешность измерения амплитудных параметров определяется тем, что в большинстве современных ЦЗО используются 8-и битные АЦП, что дает теоретическую относительную погрешность измерения

,

с учетом нелинейности входных усилителей, нелинейности АЦП, температурного дрейфа, погрешности коэффициента усиления входных усилителей и т.д., погрешность измерения постоянного напряжения составляет порядка 3 % , а погрешность дифференциальных измерений напряжения (читай как амплитуды), составляет порядка 1,5%. Это достаточно большое значение погрешности измерения, учитывая тот факт, что средний вольтметр обеспечивает погрешность измерения постоянного напряжения около 0,025%. Но принимая во внимание, что осциллограф, первично, это визуальный прибор и то, что линейность АЧХ большинства современных осциллографов составляет порядка 0,7 от значения  полосы пропускания, а полоса пропускания современного ЦЗО может достигать 18 ГГц (LeCroy SDA 18000), то очевидно, что даже на частотах около 1000 МГц, ЦЗО составляет конкуренцию вольтметрам переменного тока или измерителями мощности имеющим погрешность порядка 3%. А принимая во внимание тот факт, что осциллограф способен производить измерения среднеквадратического значения напряжения сигнала любой формы, а ВЧ вольтметры переменного тока только сигнала синусоидальной формы, то преимущества осциллографа при измерении амплитудных параметров сигнала становятся очевидными.

Так на рисунке 1 приведена осциллограмма синусоидального сигнала частотой 350 МГц и уровнем 1 Вольт полученная с экрана осциллографа LeCroy WaveRunner WR-6051A с полосой пропускания 500 МГц. Измерения СКО (окно измерения Р1) индицирует значение 970 мВ. Погрешность измерения амплитуды в данном случае  составляет 3%.

Рисунок 1 (здесь и далее щелчок по изображению — увеличение)

Для того, что бы пользователь не воспринимал осциллограф,  в режиме измерения как вещь саму в себе или же наоборот четко представлял какие параметры и какой алгоритм измерения используется в данный момент, компания LeCroy в своих осциллографах при включении измерений сопровождает осциллограмму, на которой производятся измерения, автоматическими маркерами помощи. Так на рисунке 1 при измерении циклического СКЗ, виды маркеры, выделяющие полный цикл (полное число периодов) измеряемого сигнала. Но сигнал представленный на рисунке 1 достаточно простой. На рисунке 2 приведена осциллограмма одиночного радиоимпульса в режиме измерения циклического СКЗ, видны области измерения СКЗ и результат измерения  – 355 мВ.

Рисунок 2

Если же для данного сигнал применить алгоритм полного измерения СКЗ, то результат измерения будет абсолютно другой. Так на рисунке 3 изображена осциллограмма измерения полного СКЗ,  результат измерения составляет 182 мВ.  

Рисунок 3

Напомним,  что среднеквадратическое значение сигнала переменного тока эквивалентно значению постоянного напряжения, способного выделять такое же значение тепла на нагрузке, как и исходный сигнал переменного тока. Очевидно, что для режима измерения циклического СКЗ, расчет значения напряжения производится только на полезной части сигнал, обладающей энергией и  способной производить работу (в том числе выделять тепло). Для полного СКЗ в расчет принимаются и участки сигнала, имеющие нулевое значение амплитуды, и не способные совершать работу, что уменьшает значение СКЗ с 355 мВ до 182 мВ. Это становится наиболее очевидным и наглядным именно при использовании осциллографов способных дать инженеру подсказку в виде маркеров, которые кроме всего прочего индицируют в виде горизонтальной зоны значение СКЗ, именно  в виде эквивалентного постоянного напряжения.

Ранее уже отмечалось, что любой средний вольтметр способен производить измерения амплитуды гораздо более точно, чем цифровой осциллограф. Но это справедливо только для измерения постоянного напряжения или НЧ напряжения переменного тока синусоидальной формы. При измерении СКЗ сигналов сложной формы погрешность измерения вольтметра увеличивается исходя их коэффициента формы сигнала. Для стандартных сигналов, коэффициент формы можно учесть при определении дополнительной погрешности измерения напряжения и погрешность может возрастать в десятки раз, так, например, для вольтметра Agilent Technologies 34401 при измерении импульсных сигналов погрешность измерения напряжения может составлять 46%.  Для сигналов непредсказуемой формы коэффициент формы учесть невозможно, поэтому и погрешность измерения напряжения становится неопределенной. Цифровой осциллограф производит математическое вычисление среднеквадратического значения формы сигнала из массива данных, полученных в процессе сбора информации, по формуле:

,

где X1 ;X2 ; X3 ….. Xn  отсчеты амплитуды полученные в результате дискретизации входного сигнала, а n –  число отсчетов,  и такой алгоритм измерения СКЗ не требует никаких дополнительных поправочных коэффициентов. Для однократных и редких сигналов цифровой осциллограф остается единственным средством измерения СКЗ, да и других амплитудных параметров сигнала тоже. А принимая во внимание тот факт, что осциллограф при измерении СКЗ производит «полное» измерение сигнала, имея ввиду одновременное измерение как постоянной составляющей DC, так и переменной составляющей AC, а большинство вольтметров производит измерения отдельно DC  и AC, и лишь за редким исключением некоторые типы вольтметров способны производить измерения  DC +AC, то становится очевидным, что возможности амплитудных измерений ЦЗО дают пользователю значительные преимущества по отношению к универсальным вольтметрам.

Как ни странно, но даже среди опытных инженеров существует мнение, что цифровой осциллограф производит измерение напряжения по одному периоду периодического сигнала, но как видно из выкладок выше, это не соответствует действительности. Для определения различных амплитудных параметров сигнала, измерения производятся по всему массиву данных составляющих форму сигнала, но в силу особенности измерения амплитудных параметров, осциллограф действительно может выдать только один результат измерения за один проход развертки, поскольку именно это и является циклом измерения. Так на рисунке 4 приведен пример измерения пикового значения напряжения. Пиковое значение — это разность межу минимальным и максимальным значениями формы сигнала на одной развертке. Очевидно, что вычисления этого параметра прежде всего необходимо определить как минимальное так и максимальное значение на всей форме сигнала, а для этого опять же необходим анализ всего массива данных точек образующих форму сигнала.

Рисунок 4

Очевидно, что для обеспечения достоверных и быстрых измерения при большом массиве данных, осциллограф должен обладать достаточным быстродействием для обеспечения необходимых вычислений. И в этой ситуации не все осциллографы ведут себя одинаково. Так, например, осциллограф LeCroy, осциллограммы которого приведены выше, при длине памяти 10 М при отсутствии измерений обеспечивает время сбора осциллограмм 210 мс, при включении одного измерения время сбора осциллограммы увеличивается до 340 мс, а при включении четырех одновременных измерений увеличивается до 430 мс. То есть при включении четырех измерений время сбора осциллограмм увеличивается в 2,04 раза. Если же аналогичные режимы измерений произвести используя осциллограф Tektronix DPO-4034, то результата получаются следующие – при отсутствии измерений время сбора осциллограмм составляет 170 мс, при включении одного измерения время сбора осциллограммы увеличивается до 16 секунд, а при включении одновременно четырех измерений — увеличивается до 40 секунд. То есть при включении четырех измерений время сбора осциллограмм у осциллографа Tektronix DPO-4034  увеличивается в 235  раз…         
Современные профессиональные осциллографы, например LeCroy, в штатной комплектации (т.е. без дополнительных опций) могут обеспечить возможность измерения 11 амплитудных параметров, подробный перечень параметров приведен в [2].

Важной особенность обеспечения измерений является возможность проведения измерения в выделенной области. В этом случае измерения параметров производятся не по всему массиву данных осциллограммы, а только в пределах указанной области. Большинство же пользователей привыкло, что измерения с использованием ЦЗО нужно производить для простого периодического сигнала по всей осциллограмме, что присутствует на экране ЦЗО и только в этом случае результат измерения будет достоверным. На рисунке 5 проведен наглядный пример сложного сигнала, представляющего собой прямоугольный сигнал с модулированными базой и верхом. На первый взгляд автоматические измерения амплитудных параметров такого сигнала должно вызвать сложности у пользователя, но только не у пользователей осциллографов LeCroy.

Рисунок 5

Для измерения некоторых  амплитудных параметров модулирующего сигнал задействуем измерения Р1, Р2 и Р3.  Для измерения СКЗ модулирующего сигнала базы (измерения Р1) выделяется только часть модулирующего  сигнал базы. Результат составляет 147 мВ. Для измерения СКЗ модулирующего сигнала верха (измерения Р2) выделяется только часть модулирующего  сигнал верха. Результат составляет 1,01 В. Для измерения пикового значения модулирующего сигнала верха (измерения Р3) выделяется только часть модулирующего  сигнал верха. Результат составляет 482 мВ. Измерения Р4 и Р5 обеспечивают измерения амплитудных параметров основного прямоугольного сигнала  — уровня верха и уровня базы и эти измерения производятся без выделения области.

Таким образом, обеспечивая возможность одновременного измерения до 8 параметров сигнала, осциллографы LeCroy так же обеспечивают возможность измерения в 8 различных областях этого сигнала. Справедливости ради отметим, что и другие осциллографы, например Tektronix DPO-7000 или DPO-4000, так же дают возможность измерения параметров в выделенной области, но для всех измерения (DPO-7000 это 8 измерения, а для DPO-4000 это 4 измерения) существует всего одна выделенная область, что существенного ограничивает возможности измерения сложных сигналов.

Измерения временных параметров

Измерения временных параметров – это набор наиболее расширенных и точных видов измерений цифрового осциллографа. Так уже сложилось, что при анализе сигнала по временной оси существует наибольший набор параметров, в штатной комплектации осциллографы  LeCroy способны обеспечить до 69 видов измерения, а при инсталляции дополнительных опций общее число всех видов измерений может достигать 180. Основными отличиями цифровых осциллографов по отношению к традиционным аналоговым осциллографам при измерении временных интервалов являются:

1. Цифровой осциллограф обеспечивает автоматическое измерение временных параметров (не стоит забывать и про автоматическое измерение амплитудных параметров), аналоговый осциллограф обеспечивает измерения временных интервалов, используя деления временной шкалы на экране.
2. Цифровой осциллограф обеспечивает погрешность измерения временных до 0,0001%, а лучшие экземпляры аналоговых осциллографов имеют погрешность измерения всего 1,5%.

Погрешность измерения временных параметров (ΔT) цифрового осциллографа определяется погрешностью опорного генератора, частотой дискретизации и собственным джиттером, что может быть выражено формулой:

 (1) , где

T_оп – погрешность установки частоты опорного генератора;
F_д – частота дискретизации;
T_дж – собственный джиттер осциллографа.

Современные технологии электронных элементов дают возможность применения в осциллографах опорных генераторов с погрешностью установки до 10-6 в год (или 1 ppm), частота дискретизации для наиболее массовых моделей ЦЗО составляет 5 ГГц  или 10 ГГц, собственный джиттер современного осциллографа удается снизить до значений 3 пс (хотя есть «уникальные» модели ЦЗО, например DPO-4000 серии, имеющие джиттер 400 пс). Из этих выкладок следует, что наиболее существенным при определении погрешности измерения временных интервалов как раз и является погрешность установки частоты опорного генератора.

Но на этом и заканчивается идентичность подходов при измерения  временных интервалов различных производителей цифровых осциллографов. Разные производители при измерении временных интервалов накладывают дополнительные требования для достижения декларируемой погрешности измерения. Так, например, компания  Tektronix для своих осциллографов серии TDS-5000B для обеспечения погрешности указанной в формуле (1), дополнительно требует:

1. Обеспечить амплитуду сигнала не менее 5 делений;
2. Должен быть установлен режим сбора информации «усреднение», с числом усреднений не менее 100;
3. Результат измерения определяется как среднее из массива данных при накоплении 1000 результатов измерения частоты. Это требование в общем, тоже понятно, поскольку классический частотомер, при измерении частоты имеет такой параметр как «время счета», за это время происходит определение среднего значения частоты за весь период измерения, и чем больше время счета, тем более точный результат можно получить. Поскольку осциллограф не имеет времени счета при измерении частоты, то эквивалентом этого параметра является накопление статистики измерения частоты.

Но и это еще не все, различные производители ЦЗО использую различные алгоритмы измерения временных интервалов. Большинство производителей, например Tektronix или Agilent Technologies, используют алгоритм измерения частоты по одному периоду сигнала, находящегося сразу после точки запуска развертки или по первому целому периоду сигнала в левой части экрана. При таком алгоритме измерения, первое, что приносится в жертву время измерения – оно бесспорно увеличивается. Так, практические измерения показывают, что для упомянутого выше осциллографа Tektronix серии TDS-5000B (при длине памяти 2000 точек для минимизации временных затрат на вычислительный процесс), измерение частоты 10 МГц, полученной от рубидиевого стандарта частоты с погрешностью воспроизведения 10-10, время измерения, при выполнении всех требований производителя, составляет 1 минута 23 секунды. Компания LeCroy в своих осциллографах использует алгоритм измерения временного интервала не по одному периоду, а по всем периодам сигнала присутствующим в массиве данных.

Кроме того, компания LeCroy для обеспечения погрешности указанной в формуле (1), дополнительно требует выполнения двух условий:

1. Обеспечить амплитуду сигнала не менее 5 делений;
2. Результат измерения определяется как среднее из массива данных при накоплении 1000 результатов измерения частоты.

 Очевидно, что такой алгоритм измерения обеспечивает следующие преимущества:

1. Значительно повышается скорость измерений;
2. Обеспечивается возможность создания и обработки статистических данных полученных на основе массивов результатов измерений;
3. Возможность получения результатов измерения для динамических сигналов.

Практическое измерение, показывает, что для накопления статистики и получения достоверного результата при измерении частоты 10 МГц, при частоте дискретизации 5 ГГц, необходимо время 100 мс, что в 930 раз меньше, чем требовалось осциллографу Tektronix. Тем более, что за время измерения 1,23 минуты осциллограф Tektronix обеспечил погрешность измерения 27,64 ppm (при допустимой погрешности измерения 15 ppm) смотри рисунок 6 

Рисунок 6

А осциллограф LeCroy WR-6051А, за время измерения 100 мс обеспечил погрешность измерения 1 ppm (при допустимой погрешности измерения 10 ppm) смотри рисунок 7.

Рисунок 7

Практическая ценность измерения временных интервалов по всему числу периодов существующих во входном сигнале, обусловлена не только увеличением скорости измерений, но и увеличением достоверности измерения – очевидно, что если сигнал имеет вандер (медленная флуктуация во времени), то при достаточно большом времени измерения и тем более при использовании функции усреднения, достоверность измерения будет уменьшаться.

для чего нужен, как с ним работать, принцип действия и устройство

Осциллограф — устройство, демонстрирующие силу тока, напряжение, частоты и сдвиг фаз электрической цепи. Прибор отображает соотношение времени и интенсивности электрического сигнала. Все значения изображены при помощи простого двумерного графика.

Для чего предназначен осциллограф

Осциллограф используется электронщиками и радиолюбителями для того, чтобы измерить:

• амплитуду электрического сигнала — соотношение напряжения и времени;
• проанализировать сдвиг фаз;
• увидеть искажение электрического сигнала;
• на основе результатов вычислить частоту тока.

Несмотря на то, что осциллограф демонстрирует характеристики анализируемого сигнала, чаще его используют для выявления процессов происходящих в электрической цепи. Благодаря осциллограмме специалисты получают следующую информацию:

• форму периодического сигнала;
• значение положительной и отрицательной полярности;
• диапазон изменения сигнала во времени;
• длительность положительного и отрицательного полупериода.

Большинство из этих данных можно получить при помощи вольтметра. Однако тогда придётся производить замеры с частотностью в несколько секунд. При этом велик процент погрешности вычислений. Работа с осциллографом значительно экономит время получения необходимых данных.

Принцип действия осциллографа

Осциллограф выполняет замеры при помощи электронно-лучевой трубки. Это лампа, которая фокусирует анализируемый ток в луч. Он попадает на экран прибора, отклоняясь в двух перпендикулярных направлениях:

• вертикальное – показывает исследуемое напряжение;
• горизонтальное – демонстрирует затраченное время.

За отклонение луча отвечают две пары пластин электронно-лучевой трубки. Те, что расположены вертикально,  всегда находятся под напряжением. Это помогает распределять разнополюсные значения. Положительное притяжение отклоняется вправо, отрицательное — влево. Таким образом, линия на экране прибора движется слева направо с постоянной скоростью.

На горизонтальные пластины также действует электрический ток, что отклоняет демонстрирующий показатель напряжения луча. Положительный заряд — вверх, отрицательный — вниз. Так на дисплее устройства появляется линейный двухмерный график, который называется осциллограммой.

Расстояние, которое проходит луч от левого до правого края экрана называется развёрткой. Линия по горизонтали отвечает за время измерения. Помимо стандартного линейного двухмерного графика существует также круглые и спиральные развёртки. Однако пользоваться ими не так удобно как классическими осциллограммами.

Классификация и виды

Различают два основных вида осциллографов:

• аналоговые — аппараты для измерения средних сигналов;
• цифровые — приборы преобразовывают получаемое значение измерений в «цифровой» формат для дальнейшей передачи информации.

По принципу действия существуют следующая классификация:

1. Универсальные модели.
2. Специальное оборудование.

Наиболее популярными являются универсальные устройства. Эти осциллографы используют для анализа различных видов сигналов:

• гармонических;
• одиночных импульсов;
• импульсных пачек.

Универсальные приборы предназначены для разнообразных электрических устройств. Они позволяют измерять сигналы в диапазоне от нескольких наносекунд. Погрешность измерений составляет 6-8%.

Универсальные осциллографы делятся на два основных вида:

• моноблочные — имеют общую специализацию измерений;
• со сменными блоками — подстраиваются под конкретную ситуацию и тип прибора.

Специальные устройства разрабатываются под определённый вид электрической техники. Так существуют осциллографы для радиосигнала, телевизионного вещания или цифровой техники.

Универсальные и специальные устройства делятся на:

• скоростные – применяются в быстродействующих приборах;
• запоминающие — аппараты, сохраняющие и воспроизводящие ранее сделанные показатели.

При выборе устройства следует внимательно изучить классификации и виды, чтобы приобрести прибор под конкретную ситуацию.

Устройство и основные технические параметры

Каждый прибор имеет ряд следующих технических характеристик:

1. Коэффициент возможной погрешности при измерении напряжения (у большинства приборов это значение не превышает 3%).
2. Значение линии развёртки устройства — чем больше эта характеристика, тем дольше временной промежуток наблюдения.
3. Характеристика синхронизации, содержащая в себе: диапазон частот, максимальные уровни и нестабильность системы.
4. Параметры вертикального отклонения сигнала с входной ёмкостью оборудования.
5. Значения переходной характеристики, показывающие время нарастания и выброс.

Помимо перечисленных выше основных значений, у осциллографов присутствуют дополнительные параметры, в виде амплитудно-частотная характеристики, демонстрирующей зависимость амплитуды от частоты сигнала.

Цифровые осциллографы также обладают величиной внутренней памяти. Этот параметр отвечает за количество информации, которую аппарат может записать.

Как выполняются измерения

Экран осциллографа поделён на небольшие клетки, которые называются делениями. В зависимости от прибора каждый квадрат будет равен определённому значению. Наиболее популярное обозначение: одно деление – 5 единиц. Также на некоторых приборах присутствует ручка для управления масштабом графика, чтобы пользователям было удобнее и точнее производить измерения.

Прежде чем начать измерение любого рода следует присоединить осциллограф к электрической цепи. Щуп подключается на любой из свободных каналов (если в приборе, больше чем 1 канал) или на генератор импульсов, при его наличии в устройстве. После подключения на дисплее аппарата появятся различные изображения сигналов.

Если сигнал получаемый прибором обрывистый, то проблема заключается в присоединении щупа. Некоторые из них оборудованы миниатюрными винтами, которые необходимо закрутить. Также в цифровых осциллографах решает проблему обрывистого сигнала фикция автоматического позиционирования.

Измерение тока

При измерении тока цифровым осциллографом, следует узнать какой вид тока необходимо наблюдать. Осциллографы имеют два режима работы:

• Direct Current («DC») для постоянного тока;
• Alternating Current («АС») для переменного.

Постоянный ток измеряется при включённом режиме «Direct Current». Щупы аппарата следует подключить к блоку питания в прямом соответствии с полюсами. Чёрный крокодил присоединяется к минусу, красный — к плюсу.

На экране устройства появится прямая линия. Значение вертикальной оси будет соответствовать параметру постоянного напряжения. Силу тока можно вычислить согласно закону Ома (напряжение поделить на сопротивление).

Переменный ток представляет собой синусоиду, из-за того, что напряжение также переменно. Поэтому измерить его значение можно только в определённый промежуток времени. Параметр также вычисляется при помощи закона Ома.

Измерение напряжения

Чтобы измерить напряжение сигнала понадобится вертикальная ось координат линейного двухмерного графика. Из-за этого всё внимание будет уделено высоте осциллограммы. Поэтому перед началом наблюдения следует настроить экран более удобно для измерения.

Затем переводим аппарат в режим DC. Присоединяем щупы к цепи и наблюдаем результат. На дисплее аппарата появится прямая линия, значение которой будет соответствовать напряжению электрического сигнала.

Измерение частоты

Прежде чем, понять, как измерить частоту электрического сигнала, следует узнать, что такое период, так как эти два понятия взаимосвязаны. Один период – это наименьший промежуток времени, через который амплитуда начинает повторяться.

Увидеть период на осциллографе легче при помощи горизонтальной оси координат времени. Нужно лишь заметить, через какой промежуток времени линейный график начинает повторять свой рисунок. Началом периода лучше считать точки соприкосновения с горизонтальной осью, а концом повторения этой же координаты.

Чтобы удобнее измерить период сигнала, скорость развёртки уменьшают. В таком случае погрешность измерения не так высока.

Частота — это значение обратно пропорционально анализируемому периоду. То есть, чтобы измерить значение, нужно одну секунду времени поделить на количество периодов, происходящих за этот промежуток. Полученная частота измеряется в Герцах, стандарт для России — 50 Гц.

Измерение сдвига фаз

Сдвигом фазы считают — взаимное расположение двух колебательных процессов во времени. Параметр измеряется в долях периода сигнала, чтобы независимо от характера периода и частоты, одинаковые сдвиги фаз имели общее значение.

Первое что необходимо сделать перед измерением: выяснить какой из сигналов отстаёт от другого и затем определить значение знака параметра. Если ток идёт впереди, то параметр сдвига угла отрицательный. В случае, когда напряжение опережает — знак значения положительный.

Чтобы вычислить градус сдвига фаз следует:

1. Умножить 360 градусов на число клеток сетки между началами периодов.
2. Разделить полученный результат на число делений, занимаемых одним периодом сигнала.
3. Подобрать отрицательный или положительный знак.

Измерять сдвиг фазы в аналоговом осциллографе неудобно, потому что выводящиеся на экраны графики имеют одинаковый цвет и масштаб. Для наблюдений такого рода используют либо цифровое устройство, либо двухканальные аппараты, чтобы разместить разные амплитуды на отдельный канал.

Как получить правильную осциллограмму / Хабр

Наверно, все умеют пользоваться осциллографом. Это очень легко – цепляешь «крокодил» к земле, остриё щупа – в необходимую точку измерения, регулируешь масштаб по вертикальной и горизонтальной осям и получаешь временную развёртку напряжения в этой точке. Да, так можно делать, но только если учитывать ряд факторов, о которых пойдёт речь в этой статье. А если не учитывать, то есть вероятность, что полученное на экране осциллографа изображение – бесполезная картинка. И чем меньше его стоимость, тем это более вероятно.

Сразу скажу, что в статье не рассматривается интерфейс управления и возможности типового электронного осциллографа – это относительно несложно и можно найти, например, здесь. Я пишу только о том, что не так просто найти, но легко потерять, особенно на русском языке. При прочтении потребуется знание основных положений теории сигнальных линий, почитать, например, можно в одной из моих предыдущих публикаций.

Я думаю, распространённый сценарий использования осциллографа в цикле разработки печатной платы следующий: если плата не заработала (КЗ, микросхема перегревается, микроконтроллер не прошивается, команды управления не проходят и т.п.), начинаем искать проблему, взяв щуп осциллографа в руки, а если заработала – то и хорошо (рис. 1).

При этом, если разработчик изделия это не радиолюбитель, который все указанные функции выполняет сам, то количество итераций даже до условного «успеха», который заключается в функционировании изделия может возрасти. Поэтому в случае разделения функций, как в случае разработки в рамках организации, разработчику желательно если не самому собирать и отлаживать первые образцы изделий, то, по крайней мере, присутствовать на производстве с целью анализа технологичности разработки.

По моему опыту работы, для первых образцов изделий гораздо более эффективной является поблочная сборка, начиная с подсистемы питания, с контролем электрических параметров подсистем (рис. 2).

При таком подходе сужается область поиска неисправности, так как она может возникать только во вновь собранном блоке или при взаимодействии этого блока с уже проверенными. Контроль электрических параметров гарантирует то, что изделие не просто корректно функционирует, а что все или основные электрические сигналы соответствуют ожидаемому поведению. В таком случае «успех» уже более основательный, и можно переходить к полному циклу испытаний при требуемых внешних воздействиях.

Вернёмся к использованию осциллографов. При описании их места в разработке печатных плат был неявно сформулирован важный принцип измерений (и измерений с помощью осциллографа в частности), о котором часто в своих лекциях говорит Эрик Богатин.

До момента измерения необходимо иметь представление о его ожидаемом результате. В случае совпадения ожиданий и реальности можно говорить о правильной модели процесса, в случае значительного несовпадения – либо о необходимости перепроверки ожидаемых параметров (получаемых с помощью прямых аналитических расчётов, результатов моделирования или на основании опыта), либо о некорректном измерении, либо о некорректном функционировании изделия.

В контексте темы публикации стоит обратить внимание на вариант некорректного измерения. При измерениях с помощью осциллографа как нигде ещё применим «эффект наблюдателя» из квантовой физики, когда наличие наблюдателя влияет на наблюдаемый процесс. На экране осциллографе можно такое пронаблюдать, что к реальности не будет иметь никакого отношения. Разбираемся, как это не допустить.

Начнём с формулировки идеального конечного результата: пронаблюдать на экране осциллографа временную развёртку напряжения в определённой точке сигнальной линии в заданный момент времени без внесения искажений. Пускай имеется идеальный быстродействующий осциллограф с бесконечной полосой пропускания, обеспечивающий аналого-цифровое преобразование с требуемым уровнем разрешения. Тогда для решения задачи потребуется передача сигнала от точки на печатной плате до коаксиального входа осциллографа, удовлетворяющая следующим условиям:

1. Обеспечивается стабильный механический контакт с нулевым контактным сопротивлением в точках контакта. Их две, обе равнозначные: одна обеспечивает путь для прямого тока, другая – для возвратного.
2. Сформированная сигнальная линия не должна нагружать измеряемую сигнальную цепь, то есть должна иметь бесконечный импеданс.
3. Сформированная сигнальная линия не должна вносить искажений в измеряемый сигнал, то есть должна иметь плоскую передаточную функцию в бесконечной полосе частот и линейную фазовую характеристику.
4. Сформированная сигнальная линия не должна вносить собственных помех в измеряемый сигнал, а также должна быть идеально защищена от внешних помех.

Конечно, в общем случаев эти условия не реализуемы, однако формулировка идеального конечного результата полезна при анализе задачи. Она, в частности, даёт понимание того, что реальная измерительная система имеет ограничения, сужающие область достоверных измерений.

На рис. 3 изображена эквивалентная схема измерительной цепи с использованием наиболее распространённого типа щупа «1X/10X», который в большинстве случаев входит с стандартный комплект осциллографа.

Сопротивление щупа в положении «10X» по постоянному току составляет около 9 МОм – это последовательно включённый резистор, который образует с входным сопротивлением осциллографа 1 МОм делитель напряжения 1:10. Отсюда и название щупа «10X», который в этом режиме

уменьшает измеряемый сигнал в 10 раз (а наводки и привнесённые системой шумы шумы — нет). В положении переключателя «1X» этот резистор закорачивается и сопротивление щупа – это сопротивление коаксиального кабеля щупа. Рекомендую измерить это сопротивление – от кончика щупа до центрального контакта BNC-разъёма – и убедиться, что оно не «нулевое», как у обычного 50-омного коаксиального кабеля, а составляет несколько сотен Ом. Если разрезать кабель (рис. 4), то можно увидеть тонкий нихромовый проводник, окружённый вспененным изолирующим материалом с низкой диэлектрической проницаемостью εr ~ 1. Это линия с потерями, т.е. кабель спроектирован таким образом, чтобы ослабить высокочастотные отражения, возникающие в связи с несогласованностью измерительной сигнальной линии.
Подстроечный конденсатор C_EQ1 предназначен для компенсации в режиме «10X» полюса фильтра нижних частот (рис. 5) с частотой среза порядка всего 1,5 кГц! Теперь должно быть понятно, почему эта компенсация необходима. Подстроечный конденсатор иногда располагается не в рукояти щупа, а на дальнем конце, у соединительного разъёма – тогда C_EQ1 фиксированного номинала ~15 пФ, а подстройка осуществляется конденсатором C_EQ2. Индуктивность L_P – это индуктивность петли возвратного тока.
С учётом сказанного выше можно получить рабочую модель измерительной цепи осциллографа для положений переключателя «10X» и «1X». Численные значения параметров должны браться из документации на соответствующие щупы и осциллографы. При этом, скорее всего, параметры различных производителей не должны значительно отличаться для заданной полосы пропускания. В представленных на рис. 6 и 7 моделях LTSpice использовались данные на осциллограф TDS2024B и щуп P2200.

Важно понимать, что эти модели являются упрощёнными и не учитывают всех паразитных параметров, поэтому точных значений полосы пропускания они не дают. Однако они дают качественное представление о влиянии тех или иных параметров при измерении. Например, первые результаты, на которые стоит обратить внимание это то, что:

1. Полоса пропускания щупа в режиме «1X» более чем на порядок меньше, чем в режиме «10X» и составляет порядка 6…8 МГц. Это соответствует минимальной измеримой длительности фронта сигнала t_R = 0,35 / BW_PROBE ~ 45…55 нс. Преимуществом режима «1X» является увеличенное на 20 дБ отношение сигнал/шум, так как при том же уровне помех измерительной системы сигнал на входе осциллографа больше в 10 раз.

2. Увеличение индуктивности петли возвратного тока снижает полосу пропускания. Именно поэтому при измерении высокочастотных сигналов для обеспечения возвратного тока рекомендуется использовать не «крокодил» с индуктивностью ~200 нГн, а специальную насадку на щуп, на порядок снижающую значение индуктивности (рис. 8).

3. Влияние подстроечного конденсатора в режиме «10X» на передаточную функцию нарастает, начиная с частот 200…300 Гц, до максимума на частотах в 2…3 кГц. Именно поэтому в качестве калибровочного сигнала на осциллографах обычно используется сигнал с тактовой частотой 1 кГц, фронты которого искажаются при подстройке (рис. 9). Полезная привычка – выполнять подстройку как при смене щупа или канала осциллографа, так и периодически перед проведением измерений.
Помимо электрических характеристик щупа и входной цепи осциллографа в модель на рис. 3 как параметры входят следующие величины: напряжение источника сигнала – его спектр, выходное сопротивление источника R_S, импеданс сигнальной линии Z₀, импеданс нагрузки Z_LOAD – именно импеданс, с учётом емкостной составляющей. Эти и другие параметры представлены в таблице 1, именно они определяют достоверность результатов измерения. Основной критерий заключается в том, чтобы исследуемая часть спектральной полосы сигнала входила в полосу пропускания системы «щуп + осциллограф», при этом амплитуда сигнала не превышала допустимых значений (это особенно важно в случае, когда входное сопротивление осциллографа составляет 50 Ом). Остальное: захват сигнала и измерение его параметров – дело техники.
Последний момент, на котором хочется остановиться – это полоса пропускания системы «щуп + осциллограф». Тут стоит избегать заблуждения, заключающегося в том, что если взять осциллограф и щуп с полосой пропускания 150 МГц, то полоса пропускания измерительной системы будет 150 МГц (это так только при наличии программной компенсации). Кроме того, тот факт, что на щупе «написано» 150 МГц, не всегда означает, что это реальные 150 МГц. Поэтому рекомендую с помощью генератора синусоидального сигнала экспериментально исследовать полосу пропускания. Частота, на которой амплитуда сигнала уменьшиться до 0,707 от значения на низких частотах, это и будет нужное значение. При этом стоит обратить внимание на то, есть ли локальные максимумы в передаточной функции. Я это проделал с помощью генератора Г4-107 для нескольких измерительных систем, при этом использовалось соединение с помощью «пружинки» (рис. 10). Перед каждым измерением выполнялась компенсация, при этом всегда приходилось делать подстройку, хоть и небольшую. Также проводились измерения без щупа с помощью короткого 50-омного коаксиального BNC-кабеля. Результаты представлены в таблице 2. Удивил щуп PP510 с заявленной полосой в 100 МГц.

В общем, если подводить итог, то хочется сказать, что следует внимательно относиться к измерениям с помощью осциллографа, и в качестве опоры использовать корреляцию между ожидаемыми и полученными результатами. Что касается области более высоких частот, то для измерения сигналов, полоса пропускания которых превышает 500 МГц, пассивные щупы типа «1X/10X» не применимы. Для этого используют прямое коаксиальное соединение при 50-омном входе осциллографа или активные щупы, ещё больше минимизируют индуктивность соединения (в т. ч. за счёт использование паяных соединений, размещения на плате миниатюрных коаксиальных разъёмов и т.п.). Тема очень широкая – есть изолированные осциллографы, изолированные щупы, дифференциальные и специализированные щупы, но всё это уже отдельный разговор, выходящий за рамки данной статьи.

P.S. Этот материал прежде нигде не публиковался, жду обратной связи. После этого статья, возможно, в чуть более подробном виде, вместе с материалом по высоковольтной изоляции войдёт в качестве приложения в полную версию книги в обновлённом релизе. Точных измерений, народ!

«Как правильно замерить осциллографом сигналы lvds c main-board?» – Яндекс.Кью

Аудиджи II pci на золотых тюльпанах (на карте — выходы) давала на полной громкости неискаженные +-4в , далее поставили на каждый канал по одному IRF840(какой был — но подойдут многие мосфеты не хуже наверняка) истоковым повторителем, питание +-12в(24в) сток на питании, в цепи истока резистор проволочный зеленый подстроечный мощный, на нем около 12в, ток регулируется от 0.6А(ночью) до 4А(для максимальной мощности), выход на колонку с истока через электролит и ПП(К-78) пленку ему впаралель, вход с каждого моно тюльпана так: резистор 47к на общий провод блока питания=корпус компа, затем через(последовательно — звоногасящий) 4-10ом на затвор идет сигнал.

истоковый повторитель обеспечивает усиление по току и следовательно мощности, нет ОС(только внутрикаскадная 100%тная ООС по напряжению как у всех повторителей)

получили около 2вт на 4ом АС, потребовалась частотная корекция KX драйвером на ВЧ несколько дб

повторитель SE это хай энд, ясно что к мастер выходу 4 ома не подключишь нормально, высокий уровень выходного сигнала позволил обойтись последним каскадом

звук мне больше понравился чем директдрайв на 6С33С(бестрансформаторный) и больше чем трансформаторные ламповики

однотактный перегруз порождающий четные гармоники — неотразим, его прелесть в том, что 1)когда вершина синуса упирается в потолок, нижняя полуволна вытягивается вниз, и громкость остается прежней, 2)интермодуляция 30гцовым басом других частот не 60-герцовая а 30 герцовая, 3) 2гармоника вместо третьей(у двухтакта) подпевает как патифон или пионерлагерный рупор на столбе, в крайнем случае смешно, но не тускло, и не рвано

TDA7294 это и есть усилитель на транзисторах… 🙂 полевых, на рассыпухе можно лучше собрать

в любом случае испортит звук больше всего усилитель напряжения, двухтактность и ОООС

потому например усилитель напряжения на триоде(рекомендую катод на общий, а смещение на сетку от отдельного источника подавать через резистор, т.к. конденсатор на входе при этом будет работать с микротоками, а конденсатор в цепи катода(шунтирующий катодный резистор) чтобы поднять катод работает в силовой, можно сказать, -низкоомной цепи — катодного тока, с уже искаженным (в известной степени) выходным током каскада) + однотактный повторитель это уже хайэнд

Как измерить напряжение с помощью осциллографа

Осциллографы

помогают визуализировать электрический сигнал. По своей сути осциллографы отображают график зависимости напряжения от времени для одного или нескольких сигналов. Этот график зависимости напряжения от времени часто называют «формой волны». Этот сигнал отображается при подключении определенного сигнала на тестируемом устройстве (DUT) к осциллографу с помощью пробника. Наконечник пробника подключается к сигналу, а зажим заземления подключается к надежной точке заземления.Измерение напряжения с помощью вашего осциллографа дает основную информацию о сигнале, однако осциллографы часто предлагают гораздо более продвинутые инструменты для дальнейшего анализа вашего сигнала. Понимание того, как измерять напряжение с помощью осциллографа, — это первый шаг к раскрытию мощных измерительных возможностей, которые предлагает ваш осциллограф.

Начало работы: измерение напряжения осциллографом

Шаг 1. Включите осциллограф и нажмите кнопку «Настройка по умолчанию» на передней панели.

Шаг 2: Подключите датчик к каналу 1. Не беспокойтесь о типе датчика на данном этапе, но если у вас есть датчик с зажимом или другим механизмом, который не позволяет вам удерживать его на проводе, это облегчит тебе жизнь. Ниже приведен базовый пассивный пробник, который отлично подойдет для начала!

Шаг 3: Найдите надежную точку заземления и подсоедините к ней зажим заземления.
Шаг 4. Подключите наконечник зонда к сигналу, который вы хотите измерить.
Шаг 5. Теперь осциллограф измеряет напряжение вашего сигнала и отображает его по мере изменения во времени. Если вы не видите полный сигнал на экране, нажмите кнопку «Auto Scale» на передней панели для центрирования и масштабирования формы волны.
Шаг 6: Используйте вертикальные и горизонтальные регуляторы, чтобы дополнительно настроить способ отображения сигнала. Эти ручки помогут вам увеличивать и уменьшать масштаб, а также сдвигать сигнал вправо, влево, вверх и вниз.Чтобы получить наилучшее измерение, убедитесь, что ваш сигнал охватывает большую часть вертикальной шкалы.

Шаг 7: Самый простой способ рассчитать напряжение — это подсчитать количество делений сигнала сверху вниз и умножить его на вертикальную шкалу (вольт / деление). Обратите внимание, что деления также обозначены в вольтах по оси Y, поэтому вы можете легко рассчитать напряжение вашего сигнала, используя эти метки.

Многие осциллографы имеют функции, исключающие необходимость подсчета делений.Попробуйте один из этих методов, чтобы быстрее измерить напряжение с помощью осциллографа.
• Используйте экранные курсоры для измерения напряжения между двумя точками (верхняя и нижняя части кривой)
• Используйте измерение размаха напряжения
• Используйте встроенный DVM

Подробнее об осциллографах
Оцените недорогой осциллограф Keysight
Получите полезные советы по осциллографам от 2-Minute Guru

.

Как осциллограф может измерить ток?

Большинство осциллографов напрямую измеряют только напряжение, а не ток, однако есть несколько способов измерить ток с помощью осциллографа:

1. Измерьте падение напряжения на шунтирующем резисторе — в конструкции некоторых источников питания могут быть встроены шунтирующие резисторы для обратной связи. Один из методов — измерить падение дифференциального напряжения на таком резисторе. Обычно это резисторы небольшого номинала, часто менее 1 Ом.

2. Измерение тока с помощью токового пробника — При использовании в сочетании с возможностями измерения напряжения осциллографа, токовые пробники позволяют выполнять широкий спектр важных измерений мощности, таких как мгновенная мощность, средняя мощность и фаза.

Чтобы ваши текущие измерения были максимально точными, необходимо выбрать и правильно применить наиболее подходящую технику. У каждого из двух вышеперечисленных методов есть свои преимущества и недостатки, которые мы рассмотрим ниже:

Измерение тока как падения напряжения на шунтирующем резисторе

Если в источник питания встроен резистор считывания тока («шунтирующий» резистор), это наиболее удобный подход.Измерение падения напряжения на измерительном резисторе с помощью активного дифференциального пробника обеспечит хорошие результаты, если синфазный сигнал находится в пределах указанного рабочего диапазона пробника, а падение напряжения достаточно велико.

Однако использование дифференциального пробника для сигналов низкого уровня требует некоторого внимания к снижению шума в системе измерения.

• Используйте наименьшее доступное затухание пробника и ограничьте полосу пропускания пробника или осциллографа
  для уменьшения шума системы измерения.
• Также имейте в виду, что емкость и сопротивление зонда будут подключены параллельно
  с резистором считывания, и, хотя они предназначены для минимизации воздействия
  на тестируемое устройство, вы должны знать, что они существуют.

Установка резистора считывания последовательно с нагрузкой требует тщательного проектирования. Когда значение сопротивления
увеличивается, падение напряжения на ампер увеличивается в соответствии с законом
Ома, тем самым улучшая качество измерения тока.Однако рассеиваемая мощность в резисторе увеличивается пропорционально квадрату тока, и необходимо учитывать дополнительное падение напряжения. Кроме того, резисторы добавляют цепи индуктивное сопротивление. И не забывайте, что входная емкость дифференциального пробника появляется параллельно измерительному резистору, образуя RC-фильтр.

Если вы добавляете в схему резистор считывания, постарайтесь добавить его как можно ближе к земле, чтобы минимизировать синфазные сигналы на резисторе, которые система измерения должна отклонять.И, в отличие от высокопроизводительных токовых пробников, характеристика подавления синфазного сигнала при измерениях дифференциального напряжения имеет тенденцию к падению по частоте, что снижает точность измерений высокочастотного тока с помощью измерительных резисторов.

Измерение тока с помощью токоизмерительного щупа

Ток, протекающий через проводник, вызывает формирование поля электромагнитного потока вокруг проводника
. Токовые пробники предназначены для измерения силы этого поля и преобразования ее в соответствующее напряжение
для измерения с помощью осциллографа.

Это позволяет просматривать и анализировать формы сигналов тока с помощью осциллографа. При использовании в
в сочетании с возможностями измерения напряжения осциллографом, токовые пробники
также позволяют выполнять широкий спектр измерений мощности. В зависимости от математических возможностей осциллографа формы сигнала
эти измерения могут включать в себя мгновенную мощность
, истинную мощность, полную мощность и фазу.

Существует два основных типа токовых пробников для осциллографов:

• Пробники переменного тока
• Пробники постоянного / переменного тока

Оба типа используют принцип действия трансформатора для измерения переменного тока (AC) в проводнике
.Для работы трансформатора по проводнику должен протекать переменный ток.

Этот переменный ток вызывает формирование и сжатие магнитного поля в соответствии с амплитудой и направлением тока. Когда чувствительная катушка помещается в это магнитное поле, изменяющееся магнитное поле индуцирует пропорциональное напряжение на катушке посредством простого действия трансформатора. Этот связанный с током сигнал напряжения затем преобразуется и может отображаться на осциллографе в виде масштабированного по току сигнала.

Простейшие пробники переменного тока представляют собой пассивные устройства, которые представляют собой просто катушку, которая
намотана на магнитный сердечник, такой как ферритовый материал, в соответствии с точными спецификациями. Некоторые из них представляют собой твердотельные тороиды
и требуют, чтобы пользователь проложил проводник через сердечник. В токовых пробниках с разъемным сердечником используется точно разработанная механическая система, которая позволяет открывать сердечник и зажимать его вокруг проводника без разрыва цепи при испытании. Пробники тока с разъемным сердечником обладают высокой чувствительностью и работают без питания, но они механически жесткие и обычно имеют небольшую апертуру, что может ограничивать их универсальность.

Пробники переменного тока

, основанные на технологии катушки Роговского, являются альтернативой токовым пробникам со сплошным и разъемным сердечником
. Катушка Роговского использует воздушный сердечник и является механически гибкой,
позволяет открывать катушку и наматывать ее на провод или вывод компонента. А поскольку сердечник не является магнитным материалом, катушки Роговского не насыщаются магнитным полем при высоких уровнях тока, даже в тысячи ампер. Однако они, как правило, имеют более низкую чувствительность, чем пробники с разъемным сердечником, и для них требуются активные формирователи сигнала для интеграции сигнала с катушки и, следовательно, требуется источник питания.

Для многих применений преобразования энергии пробник переменного / постоянного тока с разъемным сердечником является наиболее универсальным, точным и простым в использовании решением. В датчиках переменного / постоянного тока используется трансформатор для измерения переменного тока и устройство на эффекте Холла для измерения постоянного тока. Поскольку они включают в себя активную электронику для поддержки датчика Холла, для работы пробников переменного / постоянного тока требуется источник питания. Этот источник питания может быть отдельным источником питания или может быть интегрирован в некоторые осциллографы.

Видеообзор того, как измерить ток осциллографом:

Ознакомьтесь с продуктами Tektronix на RS:

.

Как измерить ток с помощью осциллографа

Измерение тока — простая задача: все, что вам нужно сделать, это подключить мультиметр к цепи, которую вы хотите измерить, и измеритель даст вам точное значение для использования. Иногда вы не можете «разомкнуть» цепь, чтобы подключить мультиметр последовательно к тому, что вы хотите измерить. Это тоже решается довольно просто — вам просто нужно измерить напряжение на известном сопротивлении в цепи — тогда ток будет просто напряжением, деленным на сопротивление (из закона Ома).

Все становится немного сложнее, когда вы хотите измерить изменяющиеся сигналы . Это зависит от частоты обновления (количества выборок в секунду) мультиметра, и средний человек может уловить лишь определенное количество изменений на дисплее в секунду. Измерение переменного тока становится немного проще, если ваш мультиметр имеет измерение среднеквадратичного напряжения (среднеквадратичное напряжение — это напряжение сигнала переменного тока, которое будет передавать такое же количество энергии, что и источник постоянного тока с таким напряжением).Это строго ограничено периодическими сигналами (прямоугольные волны и т.п. строго исключены, если среднеквадратичное значение не является «истинным», даже в этом случае нет никаких гарантий точности измерения). Большинство мультиметров также имеют фильтр нижних частот, что предотвращает измерение переменного тока выше нескольких сотен герц.

Как использовать осциллограф для измерения тока

Осциллограф заполняет промежуток между человеческим восприятием и устойчивыми значениями мультиметра — он отображает своего рода «график» напряжение-время сигнала, который позволяет лучше визуализировать изменяющиеся сигналы по сравнению с набором изменяющихся чисел на мультиметр.

Также возможно измерение сигналов с частотами до нескольких гигагерц при наличии подходящего оборудования. Однако осциллограф — это устройство для измерения напряжения с высоким импедансом — он не может измерять токи как таковые. Использование осциллографа для измерения токов требует преобразования тока в напряжение , и это можно сделать несколькими способами.

1. Использование шунтирующего резистора

Это, пожалуй, самый простой способ измерения тока, и он будет подробно рассмотрен здесь.

Преобразователь тока в напряжение здесь — скромный резистор.

Базовые знания говорят нам, что напряжение на резисторе пропорционально току, протекающему через него. Это можно суммировать с помощью закона Ома :

.

  В = ИК  

Где V — напряжение на резисторе, I — ток через резистор, а R — сопротивление резистора, все в соответствующих единицах.

Уловка здесь состоит в том, чтобы использовать сопротивление резистора, которое не влияет на всю измеряемую цепь, поскольку падение напряжения на шунтирующем резисторе приводит к падению меньшего напряжения в цепи, в которую он помещен.Общее практическое правило состоит в том, чтобы использовать резистор, который намного меньше, чем сопротивление / импеданс измеряемой цепи (в десять раз меньше в хорошей отправной точке), чтобы предотвратить влияние шунта на ток в измеряемой цепи. .

Например, трансформатор и полевой МОП-транзистор в преобразователе постоянного тока в постоянный ток могут иметь полное (постоянное) сопротивление в десятки миллиом, размещение большого (скажем) резистора 1 Ом приведет к падению большей части напряжения на шунте (помните, что для резисторов, включенных последовательно, отношение напряжения, падающего на резисторах, является отношением их сопротивлений) и, следовательно, большая потеря мощности.Резистор просто преобразует ток в напряжение для измерения, поэтому мощность не выполняет никакой полезной работы. В то же время на небольшом резисторе (1 мОм) будет падать только небольшое (но измеримое) напряжение на нем, а остальная часть напряжения будет выполнять полезную работу.

Теперь, выбрав номинал резистора, вы можете подключить заземление щупа к заземлению цепи, а наконечник пробника к шунтирующему сопротивлению, как показано на рисунке ниже.

Здесь вы можете использовать несколько хитрых приемов.

Предположим, что ваш шунт имеет сопротивление 100 мОм, тогда ток 1 А приведет к падению напряжения на 100 мВ, что дает нам «чувствительность» 100 мВ на ампер. Это не должно вызвать проблем, если вы будете осторожны, но часто 100 мВ принимают буквально — другими словами, путают со 100 мА.

Эту проблему можно преодолеть, установив настройку входа на 100X — пробник уже имеет 10-кратное ослабление, поэтому добавление еще 10X к сигналу возвращает его обратно к 1 В на ампер, т. Е. Вход «умножается» на 10.Большинство осциллографов имеют возможность выбора входного затухания. Однако могут быть прицелы, поддерживающие только 1X и 10X.

Еще одна полезная небольшая функция — это возможность установить вертикальные единицы, отображаемые на экране — среди прочего, V можно изменить на A, W и U.

Все усложняется, когда нельзя разместить низкую сторону шунта. Заземление осциллографа напрямую связано с землей, поэтому, если ваш источник питания также заземлен, подключение зажима заземления пробника к любой случайной точке в цепи приведет к замыканию этой точки на землю.

Этого можно избежать, выполнив так называемое дифференциальное измерение .

Большинство осциллографов имеют математическую функцию, которая может использоваться для выполнения математических операций с отображаемыми формами сигналов. Обратите внимание, что это никоим образом не меняет фактический сигнал!

Здесь мы будем использовать функцию вычитания, которая отображает разность двух выбранных сигналов.

Поскольку напряжение — это просто разность потенциалов между двумя точками, мы можем подключить по одному щупу к каждой точке и подключить зажимы заземления к заземлению цепи, как показано на рисунке.

Отображая разницу между двумя сигналами, мы можем определить ток.

Тот же трюк с «затуханием», который использовался выше, применим и здесь, просто не забудьте изменить оба канала.

Недостатки использования шунтирующего резистора:

У использования шунтирующего резистора есть несколько недостатков. Первый — это , допуск , который может составлять 5%. Это то, что приходится учитывать с некоторыми трудностями.

Второй — это температурный коэффициент . Сопротивление резисторов увеличивается с температурой, что приводит к большему падению напряжения для данного тока. Это особенно плохо для сильноточных шунтирующих резисторов.

2. Использование токового пробника

Готовые токовые пробники (называемые «токовые клещи»; они зажимают провода, не прерывая цепи) доступны на рынке, но вы не увидите, чтобы многие любители использовали их из-за их непомерно высокой стоимости.

Эти датчики используют один из двух методов .

Первый метод — это использование катушки, намотанной на полукруглый ферритовый сердечник. Ток в проводе, вокруг которого был зажат зонд, создает магнитное поле в феррите. Это, в свою очередь, вызывает напряжение в катушке. Напряжение пропорционально скорости изменения тока. Интегратор «интегрирует» форму волны и выдает выходной сигнал, пропорциональный току. Шкала выходного сигнала обычно составляет от 1 мВ до 1 В на ампер.

Второй метод использует датчик Холла, расположенный между двумя ферритовыми полукругами. Датчик Холла выдает напряжение, пропорциональное току.

3. Быстрый и грязный метод

Этот метод не требует дополнительных компонентов, кроме прицела и зонда.

Этот метод очень похож на токовый пробник. Оберните провод заземления зонда вокруг провода, по которому измеряется ток, а затем подсоедините зажим заземления к наконечнику зонда.

Произведенное напряжение снова пропорционально скорости изменения тока, и вам необходимо выполнить некоторую математику с формой сигнала (а именно интегрирование; у большинства осциллографов это есть в меню «math»), чтобы интерпретировать его как ток.

С точки зрения электричества, закороченный пробник в основном образует проволочную петлю, которая действует как трансформатор тока, как показано на рисунке.

Заключение

Существует несколько методов измерения изменяющихся форм сигналов тока с помощью осциллографа.Самый простой — использовать токовый шунт и измерить на нем напряжение.

.

Измерение тока с помощью пробника напряжения осциллографа

Осциллограф представляет собой вольтметр с автоматическим выбором диапазона. Но при проверке электрического оборудования часто бывает полезно измерить ток. Текущее измерение может дать более реалистичную картину происходящего. Избыточный ток приводит к сильному повышению температуры, которое может быстро повредить электрооборудование и создать опасность.

Действующий закон Кирхгофа дает ценную информацию.Первый закон Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма токов, протекающих в проводящей сети, заканчивающейся в любой заданной точке, равна нулю. Это понимание незаменимо при отслеживании сложных цепей. Основной вывод состоит в том, что ток не уходит. Он может приводить в движение такое оборудование, как роторный двигатель, приводить в движение исполнительный механизм или питать лампочку или динамик. Его можно хранить в химической батарее, конденсаторе или магнитном поле. Но он не исчезает, и, соответственно, его можно отследить и дать значимое понимание.Инженеры выражают потерю электроэнергии как I ² R тепловыделение. Он выходит за пределы вольера, но не перестает существовать.

Для измерения тока с помощью осциллографа обычно используется токовый пробник. Он работает так же, как электротехнический амперметр, в котором мощные клещи зажимают проводник, в котором должен измеряться ток.

Пара токоизмерительных клещей.

Токоизмерительные клещи могут иметь цифровое или аналоговое считывание.Вкратце, клещи-амперметры основаны на том факте, что магнитное поле образуется, когда ток течет по проводнику. Это магнитное поле индуцирует магнитный поток в губках с низким сопротивлением, создавая напряжение, появляющееся на считывающем устройстве, которое является чрезвычайно стабильным. Не имеет значения, находится ли проводник точно по центру в зажимах или проходит под углом.

Токовый пробник осциллографа работает таким же образом. Он меньше, его размер подходит для зажима вокруг небольших проводников, прикрепленных к печатной плате или к дискретным устройствам, которые являются частью исследуемого электронного оборудования.

Однако, поскольку токовый пробник осциллографа продается примерно за 1000 долларов, экономные инженеры могут исследовать идею проведения измерений тока осциллографом с использованием существующего пробника напряжения. Это реальная альтернатива, но она может быть проблематичной.

Если опорный вывод заземления настольного осциллографа касается провода или клеммы, имеющей отношение к потенциалу земли и плавающей над ним, произойдет короткое замыкание с низким сопротивлением с искрами и дымом. Это не проблема, когда наконечник зонда касается металла, находящегося под таким напряжением.Под угрозой находится обратный отвод. При выполнении любого из описанных ниже измерений напряжения, целью которого является определение протекания тока, может возникнуть опасная неисправность цепи, поэтому вы должны знать о неправильной конфигурации.

Всю проблему можно легко обойти, используя портативный осциллограф с батарейным питанием. Этот инструмент обычно имеет два или четыре аналоговых входа, которые изолированы от земли, даже когда аккумулятор заряжается от розетки переменного тока. Выводы заземления пробников, подключенных к этим каналам, обычно также изолированы друг от друга, поэтому нет опасности коротких замыканий с низким импедансом.Многие пользователи предпочитают портативный прибор по этой причине, а также потому, что его легко перемещать, он дешевле, чем настольный осциллограф премиум-класса, и не требует розетки переменного тока на месте.

Измерения напряжения можно использовать для расчета тока, протекающего через устройство или любую часть цепи. Из закона Ома:
E = I x R
Где E = электродвижущая сила в вольтах
I = ток в амперах
R = сопротивление в омах
Решение для I :
I = E / R

Основная идея измерения тока заключается в использовании шунтирующего резистора, включенного последовательно с нагрузкой в ​​качестве измерительного элемента.Дифференциальный пробник — лучший инструмент для этой работы. Когда этот тип зонда недоступен, можно использовать обычный зонд осциллографа, если осциллограф питается от батареи или иным образом изолирован от потенциальных контуров заземления.

Итак, сначала необходимо знать R . Его можно определить с помощью высокоомного омметра, встроенного в обычный мультиметр. Он не будет загружать обычные цепи или устройства из-за высокого импеданса. Тем не менее, это может не дать истинного представления об интересующем параметре схемы.Большинство мультиметров выдают на щупах около 3 В постоянного тока. Хотя это не повредит обычным цепям или устройствам, оно может не дать реалистичного значения сопротивления в реальных условиях цепи, поскольку сопротивление может изменяться при изменении приложенного напряжения.

Во-вторых, полное сопротивление — в отличие от сопротивления постоянному току — является определяющим параметром при измерении тока. Импеданс состоит из сопротивления в омах, векторно добавленного к емкостному и индуктивному реактивным сопротивлениям, которые алгебраически складываются друг с другом.Эти значения зависят от частоты и не будут учитываться в ходе омических измерений с питанием от постоянного тока.

Измерение напряжения может проводиться на той части цепи, которую вы хотите отобрать, или на сопротивлении, включенном последовательно с ним, при условии, что цепь не разветвляется между этими нагрузками. Однако необходимо понимать, что включение сопротивления последовательно с элементом схемы приведет к разделению напряжения и уменьшению тока.Если часть, которая должна быть исследована осциллографом, имеет ненулевую емкостную или индуктивную составляющую, и если источник питания переменного тока, будет фазовый сдвиг между напряжением и током. Но это не мешает просматривать осциллограмму.

При доступе к форме волны через ранее существовавшее или вставленное последовательное сопротивление, следует проявлять особую осторожность, чтобы обратный провод не был подключен в точке, где есть напряжение, относящееся к заземлению параллельной цепи помещения или плавающее над ним, для причины объяснены ранее.

Все проблемы с отображением тока с помощью датчика напряжения исчезают при использовании датчика тока. В качестве альтернативы опасность замыкания на землю можно избежать при использовании портативного осциллографа с батарейным питанием, входы которого изолированы друг от друга и от земли. Некоторые пользователи предпочитают настольный осциллограф, потому что он имеет более легко интерпретируемый и подробный дисплей, расширенные функции и возможность большей пропускной способности, более глубокого объема памяти и потенциально более высокой частоты дискретизации.

Можно подключить выводы пробников осциллографа настольного типа к плавающему месту с привязкой к земле, если используется специальный аксессуар, известный как пара дифференциальных пробников. Два наконечника щупа касаются проводов или клемм с разными потенциалами безотносительно к заземлению. Разница измеряется и отображается на экране осциллографа.

Дифференциальный датчик; отлично, если вы можете себе это позволить.

Целью упражнения, помимо предотвращения опасности замыкания на землю, является максимальное увеличение коэффициента подавления синфазного сигнала.С этой целью два сигнальных тракта должны быть электрически идентичными, насколько это возможно, поэтому провода лучше делать достаточно короткими. Благодаря достижениям в области миниатюризации стало возможным разместить дифференциальный усилитель в головке пробника, чтобы оставшаяся часть пути прохождения сигнала могла быть подключена обычным кабелем.

Токовый пробник зажимается вокруг проводника и подключается к входу аналогового канала.

Дифференциальные пробники широко использовались бы, если бы не цена. Некоторые модели стоят около 30 000 долларов.Для обслуживания частотно-регулируемого привода (ЧРП) или разработки продукта идеально подходит набор дифференциальных пробников. Но многие пользователи довольны использованием портативных осциллографов с батарейным питанием. Вместе с токоизмерительными клещами для электриков это даст ответ на большинство вопросов, касающихся работы частотно-регулируемого привода в полевых условиях и в лаборатории во время разработки продукта.

.