Измерения осциллографом

Измерения осциллографом, как пользоваться осциллографом

Осциллограф — это эффективный современный прибор, предназначенный для измерения частотных параметров электрического тока во времени и позволяющий отображать их в графическом виде на мониторе, либо фиксировать их с помощью самопишущих устройств. Он позволяет измерять такие характеристики электрического тока внутри цепи, как его сила, напряжение, частота и угол фазового сдвига.

Зачем нужен

осциллограф?

Нет лаборатории, которая смогла бы функционировать долго без

измерительных приборов или источников сигналов, токов и напряжения. Если же в планах заняться проектированием или созданием высокочастотных устройств (особенно серьёзной вычислительной техники, скажем, инверторных блоков питания), тогда осциллограф — это отнюдь не роскошь, а необходимость.

Особенно же хорош он тем, что помогает визуально определить форму у сигнала. Чаще всего именно такая форма хорошо показывает, что именно происходит в измеряемой цепи.

Центром всяких осциллографов выступает электронно-лучевая трубка. Можно сказать, что она вроде радиолампы, внутри, соответственно, вакуум.

Катод осуществляет выброс электронов. Установленная фокусирующая система создаёт тоненький луч из излучаемых заряженных частиц. Специальный слой люминофора покрывает весь экран внутри. Под воздействием заряженного пучка электронов возникает свечение. Наблюдая снаружи, можно заметить по центру светящуюся точку. Лучевая трубка укомплектована двумя парами пластин, которые управляют созданным таким образом лучом. Работа электронного луча осуществляется в направлениях, находящихся перпендикулярно. В итоге получаются две управляющие системы, которые создают на экране синусоиду, в которой вертикаль обозначает величину напряжения, а горизонталь — период времени. Таким образом, можно наблюдать параметры поданного на прибор напряжения в определённых временных промежутках.

В зависимости от типа подаваемого на осциллограф сигнала с его помощью возможно измерение не только параметров напряжения, но и других величин того или иного тестируемого агрегата.

Какими они бывают

В настоящее время распространены осциллографы двух типов — аналоговый и

цифровой (последний отличается большим удобством, расширенными функциями и зачастую более точен). Оба они работают по одинаковому принципу, и указанные ниже способы измерения физических величин могут применяться на любых моделях этого прибора.

Правильное подключение

При проведении измерений важно правильное подключение прибора к измеряемому участку цепи. Осциллограф имеет два выхода с подключаемыми к ним клеммами или щупами. Одна клемма — фазовая, она соединена с усилителем вертикального отклонения луча. Другая — земля, соединенная с корпусом прибора. На большинстве современных приборов фазовый провод заканчивается щупом либо миниатюрным зажимом, а земля — небольшим зажимом типа «крокодил» (см. фото)

На осциллографах советского производства и некоторых российских моделях оба щупа одинаковы, различить их можно либо по значку «земля» на соответствующем проводе, либо по длине — фазовый провод короче. Подключаются они к входам осциллографа, как правило, стандартным штекером (см. рисунок)

Если маркировка отсутствует, а по внешним признакам выяснить, где какой щуп, не удалось, то проводят простой тест. Одной рукой дотрагиваются до одного щупа, при этом другую руку держат в воздухе, не прикасаясь ни к чему. Если этот щуп идет на фазовый вход, то на мониторе появятся заметные помехи (см. рисунок). Они представляют собой значительно искаженную синусоиду с частотой 50 Герц. Если щуп идет к «земле», то монитор останется без изменений.

При подключении осциллографа на измеряемый участок цепи, не имеющий общего провода, щуп «земля» может быть подключен к каждой из измеряемых точек. Если общий провод имеется (это точка, соединенная с корпусом прибора либо заземленная и условно имеющая «нулевой» потенциал), то «землю» предпочтительнее подключать к ней. Если этого не сделать, то точность измерений сильно упадет (в некоторых случаях такие измерения окажутся очень далеки от истинных значений и доверять им будет нельзя).

Измерение напряжения осциллографом

За основу измерения напряжения берется известное значение вертикального масштаба. Перед началом измерений надлежит закоротить оба щупа прибора либо переключить регулятор входа в положение. Нагляднее см. следующую картинку.

После чего рукояткой вертикальной регулировки надлежит выставить линию развертки на горизонтальную ось экрана, чтобы можно было корректно определять высоту.
После этого прибор подключается на измеряемый участок цепи и на мониторе появляется график. Теперь остается только посчитать высоту графика от горизонтальной линии и умножить на масштаб. Например, если на ниже приведенном графике одну клетку считать за 1 вольт (соответственно, она разбита на штриховые деления в 0,2, 0,4, 0,6, и 0,8 вольт), то получаем общее напряжение в 1,4 вольта. Если бы цена деления была 2 вольта, то напряжение бы равнялось 2,8 вольт и так далее…

Выставление нужного масштаба осуществляется вращением специальных ручек настройки.

Определение силы тока

Для узнавания силы тока в цепи с помощью осциллографа в нее последовательно включают резистор, имеющий значительно меньшее сопротивление, чем сама цепь (такое, чтобы он практически не влиял на ее исправную работу).

После этого производят измерение напряжения по принципу, указанному выше. Зная номинальное сопротивление резистора и общее напряжение в цепи несложно, пользуясь законом Ома, рассчитать силу тока.

Измерение частоты с помощью осциллографа

Прибор позволяет успешно измерять частоту сигнала, исходя из его периода. Частота находится в прямо пропорциональной зависимости от периода и рассчитывается по формуле f=1/T, там f — частота, Т — период.

Перед измерением линию развертки совмещают с центральной горизонтальной осью прибора. При проведении измерений осциллограф подключают в исследуемую сеть и наблюдают на экране график.

Для большего удобства, используя ручки горизонтальной настройки, совмещают точку начала периода с одной из вертикальных линий на экране осциллографа. Успешно посчитав количество делений, которое составляет период, следует умножить его на величину скорости развертки.

Рассмотрим на конкретном примере подробнее. Например, период составляет 2,6 делений, развертка — 100 микросекунд/деление. Умножая их, получаем величину периода равную 260 микросекунд (260*10-6 секунд).

Зная период, рассчитываем частоту по формуле f=1/T, в нашем случае частота примерно равна 3,8 кГц.

Измерение сдвига фаз

Сдвиг фаз — это величина, указывающая взаимное положение двух колебательных процессов  в течение времени.

Измерение его производят не в секундах, а в долях периода (Т) сигнала. Достичь максимальной точности измерений этого показателя возможно в том случае, если период растянут масштабированием на весь экран.
В современном цифровом осциллографе абсолютно каждый из сигналов имеет свой цвет, что очень удобно при измерениях. В старых же аналоговых вариантах их яркость и цвет, к сожалению, одинаковы, поэтому для большего удобства следует сделать их амплитуду различной. Подготовка измерения сдвига фаз требует точных подготовительных операций.
Первое, что нужно сделать — не подключая прибор к измеряемой цепи, установить ручками вертикальной настройки линии развертки обоих каналов на центральную ось экрана. Затем ручками настройки усиления каналов вертикального отклонения (плавно и ступенчато) 1-й сигнал устанавливается с большей амплитудой, а второй — с меньшей. Ручками регулирования скорости развертки ее величина устанавливается такой, чтобы оба сигнала на экране имели примерно одинаковый период. После этого, регулируя уровень синхронизации, совмещают начало графика напряжения с осью времени. Ручкой горизонтальной настройки устанавливают начало графика напряжения в крайней налево вертикальной линии. Затем ручками регулировки скорости развертки добиваются того, чтобы конец период графика напряжения совпадал с крайней направо вертикальной линией сетки монитора.
Все эти подготовительные операции производят по порядку до тех пор, пока график периода напряжения не растянется на экран полностью. При этом он должен начинаться и заканчиваться в линиях развертки (см. рисунок).

После завершения подготовительного этапа следует выяснить, какой из параметров опережает другой — сила тока или напряжение. Величина, начальная точка периода которой начинается раньше во времени, является опережающей, и наоборот. Если опережающим является напряжение, то параметр угла сдвига фаз будет положительным, если сила тока — отрицательным. Углом сдвига фаз (по модулю) является дистанция между началами и концами периодов сигналов в величине сетки делений монитора. Он рассчитывается по такой формуле:

В ней величина N — это количество клеток сетки, которые занимает один период, а α — количество делений между началами периодов.
Если графики периодов силы тока и напряжения имеют общие начальную и конечную точки, то угол сдвига фаз равняется нолю.
При ремонте радиоаппаратуры поиск неисправностей ведут, измеряя осциллографом обозначенные выше параметры на отдельных участках электронной цепи или у конкретных электронных компонентов (например, микросхем). Затем их сравнивают с указанными в технологических каталогах величинах, стандартных для этих компонентов, после чего и делают выводы о безошибочной работе или неисправности того или иного элемента цепи.

Если статья была вам полезна, поделитесь ею, пожалуйста, в соц.сетях, воспользовавшись кнопками внизу страницы!

Заходите на мой

канал в YouTube и в группы «Телемастерская» в Одноклассниках и «Самоделкин» ВКонтакте!

Всем успехов!

 

Задание 4 Измерение напряжения с помощью осциллографа

Зная чувствительность трубки, можно измерять напряжение, подаваемое на пластины, т.е. пользоваться осциллографом как вольтметром:.

Следует, однако, помнить, что чувствительность определена с помощью вольтметра, проградуированного в эффективных значениях, и напряжение, рассчитанное по формуле, тоже является эффективным (или действующим). Для измерения амплитудного значения напряжения следует пользоваться источником постоянного тока, или источником переменного тока, отключив при этом развертку.

1. Подайте на пластины «Y» напряжение с регулируемого выхода генератора сигналов звуковой частоты частотой  50 Гц .

2. Определите эффективное значение напряжения. Сравните полученное значение с показаниями вольтметра, подсоединив его к генератору сигналов звуковой частоты, отсоединив предварительно осциллограф, не изменяя при этом положения ручки «уровень сигнала». Измерьте эффективное значение напряжения при другом положении ручки «уровень сигнала» генератора сигналов звуковой частоты.

3. Измерение амплитуды исследуемого сигнала производится следующим образом:

4. ручками «↕» и «↔» выведите изображение сигнала на середину экрана;

5. установите ручку ПЛАВНО в положение КАЛИБР;

6. выберите положение переключателя ВОЛЬТ/ДЕЛ таким, чтобы размер исследуемого сигнала был наибольшим в пределах рабочей части экрана; ручками «↔» и «↕» совместить верхний или нижний уровень сигнала с одной из линий шкалы экрана так, чтобы было удобно проводить измерения;

7. Для уменьшения погрешности за счет ширины линии луча измерения проводите по верхнему или по нижнему краю линии изображения.

8. Амплитуду исследуемого сигнала определите, как произведение выбранного значения коэффициента отклонения (положение переключателя ВОЛЬТ/ДЕЛ) на измеренную величину сигнала в делениях.

9. При работе с делителем «1:10» полученный результат нужно умножить на 10. При исследовании сигналов частотой более 2 МГц устанавливайте размер изображения по вертикали не более 5 делений.

10. При измерении величины напряжения постоянного тока переключатель (16) установите в положение «≃». Величину поданного на вход напряжения определите как произведение установленного значения коэффициента отклонения на величину отклонения линии луча (в делениях шкалы ЭЛТ). При этом смещение луча вверх относительно первоначального положения свидетельствует о подаче на вход прибора положительного напряжения, а вниз — отрицательного.

При измерении прибором амплитуд исследуемых сигналов пользуйтесь следующими рекомендациями:

— совместите ручками » ↕ » и « ↔ » сигнал с делениями шкалы так, чтобы было удобно проводить измерения;

— выбирайте положения переключателей «В/ДЕЛ.» таким, чтобы размер исследуемого сигнала получался в пределах от 2 до 6 делений.

Величина исследуемого сигнала в вольтах равна произведению измеренной величины изображения (в делениях), умноженной на цену деления переключателя «В/ДЕЛ.».

U=V·m (9)

— где U – величина исследуемого сигнала в вольтах, m — величина изображения (в делениях(одно деление – дна клетка)), V — цена деления переключателя «В/ДЕЛ.»

11. Определите эффективное напряжение выходного сигнала генератора по показаниям вольтметра, расположенного на лицевой панели генератора, и вычислите амплитуду этого сигнала по формуле

.

Сравните полученный результат с результатом измерения амплитуды сигнала на экране осциллографа.

Как пользоваться осциллографом и для чего он вообще нужен. Часть II

Это вторая часть ликбеза по осциллографам, а первая часть здесь.

 

1. Вступление
2. Амплитуда, частота, период
3. Как измерить частоту
4. Как измерить, оценить сдвиг фаз

Эта заметка будет постепенно пополняться простыми, но полезными приёмами работы с осциллографом.  

Вступление

Главный вопрос, на который следует ответить:

«что можно измерить с помощью осциллографа?» Как ты уже знаешь, этот прибор нужен для изучения сигналов в электрических цепях. Их формы, амплитуды, частоты. По полученным данным можно сделать вывод и о других параметрах изучаемой цепи. Значит с помощью осциллографа в основном можно (я не говорю про супер функции супер-современных приборов):

• Определить форму сигнала
• Определить частоту и период сигнала
• Измерить амплитуду сигнала
• Не напрямую, но измерить ток тоже можно (закон Ома в руки)
• Определить угол сдвига фазы сигнала
• Сравнивать сигналы между собой (если прибор позволяет)
• Определять АЧХ
• Забыл что-то упомянуть? Напомните в комментариях!

Все дальнейшие примеры следует делались с рассчетом на аналоговый осциллограф. Для цифрового всё тоже самое, но больше умеет, чем аналоговый и в определённых вопросах снимает необходимость думать там, где можно просто показать цифру. Хороший инструмент таким и должен быть.

Итак, перед работой следует подготовить прибор: поставить на стол, подключить к сети =) Да ладно, шучу. Но если есть возможность, то следует его заземлить. Если есть встроенный калибратор, то по инструкции к прибору надо его откалибровать. _{(подсказка: инструкции есть в сети).} 

Подключать свой осциллограф к исследуемой цепи ты будешь с помощью щупа. Это такой коаксильный провод, на одном конце которого разъем для подключения к осциллографу, а на втором щуп и заземление для подключения к исследуемой цепи. Какой попало провод в качестве щупа использовать нельзя. Только специальные щупы. Иначе вместо реальной картины дел увидишь чушь.

Я не буду рассматривать каждый регулятор осциллографа подробно. В сети есть море таких обзоров. Давай лучше учиться как проводить любительские измерения: будем определять амплитуду, частоту и период сигнала, форму, полосу пропускания усилителя, частоту среза фильтра, уровень пульсаций источника питания и т.д. Остальные хитрости и приёмы придут с практикой. Тебе понадобится осциллограф и генератор сигнала.

Виды сигналов

Буду говорить без барских штучек, по-мужицки. На экране осциллографа ты будешь видеть либо синусоидальный сигнал, либо пилу, либо прямоугольнички, либо треугольный сигнал, либо просто какой-нибудь безымянный график. 

Все виды сигналов не перечесть. Да и сами сигналы не знают, что относятся к какому-то там виду. Так что твоя задача не названия запоминать, а смотреть на экран и быстро соображать, что означает увиденное на нём, какой процесс идёт в цепи.

Амплитуда, частота, период

Осциллограф умеет измерять как постоянное, так и переменное напряжение. У всех приборов для этого есть два режима: измерение только переменного сигнала, измерение постоянного и переменного одновременно. 

Это значит, что если ты выберешь измерение переменного сигнала и подключишь щуп к батарейке, то на экране прибора ничего не изменится. А если выберешь второй режим и проделаешь тоже самое, то линия на экране прибора сместится приблизительно на 1.6В вверх (величина ЭДС пальчиковой батарейки). Зачем это нужно? Для разделения постоянной и переменной составляющей сигнала!

Пример. Решил ты измерить пульсации в только что собранном источнике постоянного напряжения на 30В. Подключаешь к осциллографу, а луч убежал далеко вверх. Для того, чтобы удобно наблюдать сигнал придется выбрать максимальное значение В/дел на клетку. Но тогда ты пульсаций точно не увидишь. Они слишком малы. Что делать? Переключаешь режим входа на измерение переменного напряжения и крутишь ручку В/Дел на масштаб в разы поменьше. Постоянная составляющая сигнала не пройдет и на экране будут показываться только только пульсации источника питания. 

Амплитуду переменного напряжения легко определить зная цену деления В/дел и просто посчитать число клеток по оси ординат, которые занимает этот сигнал от нулевого значения (среднего), до максимального.

Если посмотреть на экран осциллографа на картинке выше и предположить, что В/дел = 1В, тогда амплитуда синусоиды будет 1.3В. 

А если предположить, что Время/дел (развертка) установлено в 1 миллисекунду, тогда период этой синусоиды будет занимать 4 клетки, а зачит период T = 4 мс. Легко? Давай теперь вычислим частоту этой синусоиды. Частота и период связаны формулой: F = 1/T (Т в секундах). Следовательно F = 1/ (4*10

-3) и равняется 250 Гц.

Конечно, это очень грубая прикидка, которая годится только для вот таких чистеньких и красивых сигналов. А если подать вместо чистой синусоиды какую-нибудь музыкальную композицию, то в ней будет множество разных частот и на глазок уже не прикинешь. Чтобы определить какие частоты входят в эту композицию потребуется анализатор спектра. А это уже другой прибор. 

Измерение частоты 

Как я уже писал выше, с помощью осциллографа можно измерять и частоту. А ещё можно не просто измерить частоту какого-нибудь синусоидального сигнала, а даже сравнить частоты двух сигналов, к примеру, с помощью фигур Лиссажу. 

Это очень удобно, когда хочется, например, откалибровать собранный своими руками генератор сигналов, а частотомера под руками нет. Тогда и приходят на помощь фигуры Лиссажу. Жаль не все аналоговые осциллографы могут их показывать. 

Сдвиг фаз

Частенько бывает так, что фаза тока и фаза напряжения расходятся. Например, после прохождения через конденсатор, индуктивность или целую цепь. И если у тебя есть двухканальный осциллограф, то легко можно посмотреть как сильно отличаются фазы тока и напряжения _{(А если есть современный цифровой, то там есть даже специальная функция для измерения сдвига фаз. Круто!)}. Для этого следует подключить осциллограф вот таким образом:

 

Что еще почитать про осциллографы?

1. Как пользоваться осциллографом и для чего он вообще нужен. Часть I
2. Б. Иванов. Осциллограф — ваш помощник.
3. В. Новопольский. Работа с осциллографом
4. Афонский, Дьяконов. Измерительные приборы и массовые электронные измерения
5. Осциллографы Основные принципы измерений (Пособие от Tektronix)
6. Оценка разности фаз с помощью фигур Лиссажу

7 рекомендаций инженерам по измерению сигналов встроенных источников питания с помощью осциллографа

Достижение максимального динамического диапазона измерений

1. Используйте усреднение для повышения разрешающей способности измерений
2. Используйте режим захвата с высоким разрешением для обеспечения более высокой разрешающей способности
3. Используйте связь по переменному току для исключения постоянной составляющей
4. Ограничьте полосу пропускания осциллографа и пробников

Пробники для обеспечения оптимальной целостности сигнала

5. Используйте дифференциальные пробники для безопасного и точного измерения плавающего напряжения без заземления
6. Не используйте пробники и принадлежности, которые взаимодействуют с излучаемой мощностью
7. Выбирайте пробники, которые позволяют не использовать настройки осциллографа с максимальной чувствительностью

1 совет. Использование режима усреднения для повышения разрешающей способности измерений

Для некоторых задач измерения сигналов встроенных источников питания нужен широкий динамический диапазон, в то же время для измерения малых изменений исследуемых параметров требуется высокое разрешение. Для уменьшения случайного шума и расширения динамического диапазона измерений вместо дигитайзера с высоким разрешением можно использовать альтернативные методы сбора данных: режим захвата с усреднением и режим захвата с высоким разрешением.

Для использования режима захвата с усреднением исследуемый сигнал должен быть периодическим. Суть метода заключается в получении среднего значения напряжения в каждый момент времени по нескольким захватам. Метод позволяет уменьшить случайный шум и, тем самым, повысить вертикальное разрешение.

Сколько усреднений требуется для получения дополнительного бита вертикального разрешения? Каждые четыре усреднения выборок добавляют один дополнительный бит. Количество дополнительных битов рассчитывается по формуле:

N_b = 0,5 log₂ N,

где N_b — количество дополнительных битов; N — количество усреднений выборок.

Так, например, усреднение по 16 осциллограммам даст 2 дополнительных бита:

N_b = 0,5 log₂ 16 = 2.

Таким образом, эффективное вертикальное разрешение осциллографа будет равно: 8 + 2 = 10 бит.

Этот алгоритм позволяет повысить вертикальное разрешение примерно до 12 бит, потому что потом начинают доминировать другие факторы, такие как погрешность усиления по вертикали или погрешность смещения. Достоинством режима усреднения является то, что он не ограничивает полосу пропускания осциллографа. Недостаток метода заключается в том, что для его использования требуется периодический сигнал, а также в том, что он снижает скорость обновления сигналов.

Рис. 1. Сигнал напряжения Vds импульсного источника питания, захваченный в нормальном режиме.

Рис. 2. Сигнал напряжения Vds импульсного источника питания, захваченный в режиме усреднения.

2 совет. Использование режима захвата с высоким разрешением для повышения разрешающей способности измерений

Другой метод уменьшения уровня шумов, который может использоваться и с непериодическими сигналами, называется режимом захвата с высоким разрешением. Большинство современных цифровых осциллографов, включая осциллографы Keysight серии InfiniiVision 3000X, в нормальном режиме захвата обеспечивают вертикальное разрешение 8 бит. Вместе с тем, режим высокого разрешения, также как и режим усреднения, позволяет повысить вертикальное разрешение осциллографа до 12 бит.

В режиме высокого разрешения усреднение осуществляется по нескольким последовательным точкам в пределах одного захвата, в отличие от режима усреднения, в котором производится усреднение значений напряжения по нескольким захватам. В режиме высокого разрешения нельзя непосредственно контролировать количество усреднений. Число дополнительных битов вертикального разрешения зависит от установленного значения горизонтальной развертки осциллографа.

При работе на медленных развертках осциллограф последовательно фильтрует точки данных и отображает результаты на дисплее. Увеличение объема памяти для отображаемых данных позволяет увеличить количество усредняемых точек. Режим высокого разрешения менее эффективен на высоких скоростях развертки, на которых количество захваченных и отображаемых точек меньше. На низких скоростях развертки эффективность этого метода значительно выше.

Рис. 3. Сигнал напряжения Vds импульсного источника питания, захваченный в режиме высокого разрешения.

3 совет. Использование связи по переменному току (закрытый вход) для исключения постоянной составляющей

При исследовании пульсаций сигнала постоянная составляющая интереса не представляет. Обычно уровень шумов и пульсаций существенно ниже по сравнению с напряжением источника питания. Если динамический диапазон осциллографа используется для определения величины смещения, то вряд ли удастся тщательно изучить мелкие подробности сигнала. Использование осциллографа с закрытым входом (режим «AC») позволяет устранить влияние постоянной составляющей на измерения, повышая линейность и расширяя динамический диапазон измерений.

4 совет. Ограничение полосы пропускания осциллографа и пробников

Ограничение полосы пропускания — это простой, но зачастую недооцениваемый способ уменьшения уровня шумов и расширения динамического диапазона. Частота сигнала мощности намного меньше (от килогерц до десятков мегагерц), чем номинальная полоса пропускания осциллографа. Излишне широкая полоса пропускания не способствует получению дополнительной информации о сигнале, но вносит искажения в результаты измерений.

Именно для этой цели — ограничение полосы пропускания — большинство осциллографов имеют специальные аппаратные фильтры нижних частот с полосой 20-25 МГц. Преимущество аппаратных фильтров по сравнению с программными состоит в том, что они не оказывают влияния на скорость обновления сигналов.

Другой подход заключается в использовании пробников для ограничения полосы пропускания. Как известно, полоса пропускания измерительной системы равна полосе пропускания «самого слабого звена». Осциллограф с полосой 500 МГц при использовании совместно с пробником, имеющим полосу 10 МГц, будет иметь полосу пропускания 10 МГц. Компания Keysight предлагает широкий набор пассивных, активных несимметричных, активных дифференциальных и токовых пробников, полосы пропускания которых позволяют проводить любые специфические виды измерений.

5 совет. Использование дифференциальных пробников для безопасного и точного измерения плавающего напряжения без заземления

Заземляющий проводник пробника осциллографа подключается к шасси через корпус соединителя BNC. В целях безопасности корпус осциллографа подключается к системе заземления через провод заземления кабеля питания. Заземление осциллографа может не соответствовать способу заземления источника питания. Потенциал многих исследуемых сигналов измеряется не относительно «земли», а относительно другой точки (является «плавающим»). Для преодоления этого ограничения разработчики источников питания используют несколько методов.

Самым распространенным способом является изолирование осциллографа либо путем отключения провода защитного заземления кабеля питания, либо путем использования развязывающего трансформатора в линии питания. Однако следует иметь в виду, что этот прием может быть опасным из-за возможного наличия высокого напряжения на корпусе осциллографа. Кроме того, результаты измерений при изолированном корпусе могут быть неточными.

Другой метод измерения «плавающих» сигналов источника питания заключается в вычитании значения сигнала по каналу A из сигнала по каналу B с использованием двух несимметричных пробников напряжения. Для измерения интересующего сигнала применяются два входных канала и два пробника. Затем с помощью функции математических операций осциллографа осуществляется вычитание сигналов двух каналов с отображением результирующей осциллограммы.

Этот способ является относительно безопасным, так как осциллограф остается заземленным. Однако из-за рассогласования коэффициентов усиления применяемых пробников использование этого метода ограничено в случаях, когда синфазный сигнал сравнительно мал, а коэффициент ослабления синфазного сигнала имеет величину менее 20 дБ (10:1).

Лучшим решением для измерения «плавающего» напряжения является использование дифференциального пробника или дифференциального усилителя. Дифференциальные пробники обеспечивают высокое значение коэффициента ослабления синфазного сигнала (обычно не менее 80 дБ или 10 000:1), что позволяет проводить измерение малых величин разностных сигналов с высокой чувствительностью и точностью. Для выполнения безопасных и точных измерений «плавающего» напряжения рекомендуется использовать дифференциальные пробники с подходящим для данного приложения динамическим диапазоном и соответствующей полосой пропускания.

6 совет. Не рекомендуется использовать пробники и принадлежности, которые взаимодействуют с излучаемой мощностью

Следует быть очень внимательным при выборе осциллографических пробников и принадлежностей. Дело в том, что 15-сантиметровый провод заземления и наконечник в виде крючка, входящие в стандартный комплект поставки пассивных пробников общего назначения, способны воспринимать наводки помех, излучаемых в эфир источником питания или другими устройствами. Кроме того, индуктивная нагрузка, обусловленная длинным проводом заземления, добавляет «звон» (затухающие колебания) в измеряемый сигнал.

С другой стороны, более тонкий наконечник пробника и более короткий провод заземления — такие, какие используются в BNC адаптере или заземляющей насадке байонетного типа — позволяют существенно снизить уровень шумов. Это достигается путем минимизации контура подключения и уменьшения индуктивной нагрузки.

7 совет. Выбор пробников, которые позволяют не использовать настройки осциллографа с максимальной чувствительностью

При измерении амплитуды шумов и пульсаций источника питания может возникнуть необходимость использования осциллографа с настройками, обеспечивающими максимальную чувствительность по вертикали (В/дел.). В этом случае усилитель будет работать на пределе своих возможностей. Даже если параметры функционирования прибора находятся в рамках спецификации, то все равно не всегда удается добиться его оптимальных характеристик.

Вместо стандартных пассивных пробников с коэффициентом деления 10:1, поставляемых в комплекте с осциллографами, рекомендуется применять пробники с коэффициентом деления 1:1. При использовании пробника 10:1 не только в 10 раз увеличивается базовый уровень собственных шумов осциллографа, но и минимальные значения настроек коэффициента вертикального отклонения (В/дел.) также в 10 раз больше, чем с пробником 1:1.

Уменьшение величины отношения сигнал/шум приводит к сужению динамического диапазона измерений. Использование пробника с меньшим коэффициентом ослабления, при условии, что при этом не превышается максимальный уровень входного напряжения, позволяет достичь исключительно высокой целостности сигнала.

Для получения более подробной информации свяжитесь с техническими специалистами компании «Диполь».

Проведение осциллографических измерений с высокой точностью и воспроизводимостью — Компоненты и технологии

Рис. 1. Осциллограф Agilent серии 7000

Измерения с гальванической развязкой

«Земляной» вывод пробника через корпус байонетного коаксиального разъема (BNC) соединяется с корпусом осциллографа. В свою очередь корпус, по правилам безопасности, присоединяется через заземляющий контакт сетевой вилки к проводнику защитного заземления питающей сети. Такое заземление осциллографа обычно создает проблемы, связанные со способом заземления исследуемого источника питания. Часто бывает так, что сигнал нужно измерять относительно определенной точки схемы, а не относительно «земли» (измерения с гальванической развязкой). У разработчиков источников питания имеется несколько приемов для решения таких проблем.

Чаще всего используется метод, при котором осуществляется развязка осциллографа: либо откусывается провод защитного заземления в сетевом шнуре, либо питание на осциллограф подается через разделительный трансформатор. Этот прием очень опасен, поскольку на корпусе осциллографа возможно присутствие высокого напряжения. Кроме того, результаты измерений, проведенных таким способом, могут оказаться ошибочными.

Второй прием, используемый для измерения источника питания с гальванической развязкой, — это вычитание результатов измерений, сделанных по каналам А и В с помощью несимметричных пробников напряжения. Сигналы от двух пробников подаются на входы двух каналов. Далее используются возможности осциллографа по математической обработке осциллограмм: выходные сигналы этих двух каналов электрически вычитаются, в результате получается осциллограмма разностного сигнала. Этот прием относительно безопасен, так как осциллограф остается заземленным.

Однако применимость этого метода ограничена измерениями в условиях, когда сигналы сравнительно невелики, поскольку коэффициент подавления синфазного сигнала при этом мал — не более 20 дБ (10:1). Это ограничение вызвано тем, что сигналы поступают через разные пробники на разные входы осциллографа, а коэффициенты передачи этих двух трактов не могут быть абсолютно одинаковыми.

Наилучшим решением выполнения измерений с гальванической развязкой является применение дифференциального пробника (или дифференциального усилителя) (рис. 2). Этот способ позволяет выполнять точные и безопасные измерения. Дифференциальные пробники обеспечивают высокий коэффициент подавления синфазного сигнала, обычно не менее 80 дБ, или 10 000:1, что позволяет измерять слабый разностный сигнал на фоне больших синфазных сигналов, обеспечивая приемлемую точность и высокую чувствительность. Таким образом, для проведения безопасных и точных измерений с гальванической развязкой наилучшим решением является использование дифференциального пробника, у которого динамический диапазон и полоса пропускания достаточны для работы с исследуемой схемой.

Рис. 2. Дифференциальный пробник

Измерение пульсаций и шумов

При выполнении измерения шумов с помощью осциллографа следует учитывать следующие моменты.

Во-первых, нужно минимизировать лишний шум, добавляемый пробником. На «земляной» провод длиной 15 см и наконечник-захват обычного пассивного пробника может быть наведен значительный уровень шумов, генерируемых исследуемым источником питания или какими-нибудь другими приборами (рис. 3). Кроме того, индуктивная нагрузка, создаваемая длинным «земляным» проводом, часто добавляет свой «звон» к измеряемому сигналу.

Рис. 3. а) Измерение шумов на выходе источника питания с использованием длинного «земляного» провода;
б) осциллограмма с дополнительными шумами, наведенными на «земляной» провод

Напротив, использование наконечника меньших размеров и более короткого «земляного» провода (например, подключение к специальному разъему на исследуемой плате через соответствующий адаптер с разъемом BNC) существенно снижает эти паразитные шумы за счет уменьшения размеров образуемой этими проводами петли, а кроме того, уменьшается индуктивность нагрузки (рис. 4).

Рис. 4. а) Использование наконечника меньших размеров и более короткого «земляного» провода;
б) осциллограмма, демонстрирующая существенное снижение шумов

Когда измеряется амплитуда пульсаций или шумы на выходе источника питания, может потребоваться установка максимальной (или близкой к ней) чувствительности по входу осциллографа. Для этого, во-первых, нужно попытаться использовать пробник 1:1 вместо стандартного пассивного пробника 10:1, поставляемого в комплекте с осциллографом. С пробником 10:1 не только отображаемый средний уровень шумов станет больше в десять раз, но и установленное на максимум значение чувствительности тоже станет в десять раз хуже, чем с пробником 1:1.

Кроме того, можно установить режим входа на связь по переменному току, чтобы убрать постоянную составляющую подаваемого на вход сигнала. Пульсации и шумы нормально работающего источника питания малы по сравнению с выходным напряжением. Но если выходное напряжение источника питания сопоставимо с уровнем шумов и лежит в диапазоне мВ, можно использовать вход со связью по постоянному току и настроить осциллограф так, чтобы видеть постоянную составляющую. Некоторые активные пробники, например Agilent InfiniiMax или 1156A, обеспечивают широкие пределы смещений для расширения динамического диапазона.

И последнее. Не надо забывать про встроенную функцию ограничения полосы пропускания. Почти все осциллографы снабжены схемой для ограничения полосы пропускания тракта вертикального отклонения. Эта функция позволяет избавиться от нежелательных высокочастотных шумов в наблюдаемых сигналах.

Как повысить разрешение осциллографа по вертикали?

Для некоторых задач необходимы измерения сигналов с большим динамическим диапазоном и в то же время требуется такое высокое разрешение, которое позволит оценить небольшие изменения какого-либо параметра. Например, нужно измерить высокое напряжение между стоком и истоком закрытого транзистора, работающего в ключевом режиме в импульсном источнике питания, и низкое напряжение в те моменты, когда транзистор открыт. Для таких измерений может потребоваться разрешение большее, чем 8 бит у обычных цифровых осциллографов (рис. 5). Вместо того чтобы прибегнуть к применению АЦП с более высоким разрешением, можно воспользоваться одним из встроенных режимов: «измерения с высоким разрешением» или «измерения с усреднением», которые позволяют проводить измерения с разрешением более 8 бит и пониженным уровнем шума.

Рис. 5. Осциллограмма напряжения сток–исток ключевого транзистора в импульсном источнике питания, полученная при работе осциллографа в обычном режиме

Обычный режим измерения с усреднением

Для получения разрешения по вертикали, превышающего 8 бит, в современных цифровых осциллографах используются два метода, опирающиеся на схожие математические теории. Первый метод — использование обычного режима измерения с усреднением (рис. 6). Для измерения с усреднением требуется, чтобы сигнал был периодическим. Алгоритм измерения с усреднением состоит в замене нескольких измеренных (в нескольких повторяющихся периодах) точек сигнала одной (средней) точкой, соответствующей определенному моменту времени. Полученные математическим процессом усреднения точки дают нам осциллограмму с более высоким, чем у исходного сигнала, вертикальным разрешением. Сколько точек нужно для усреднения, чтобы получить один дополнительный бит вертикального разрешения? Один дополнительный бит получается усреднением по каждой четверке выборок сигнала. Таким образом, имеем:

Количество добавочных битов = 0,5 log₂N,

где N — количество выборок, по которым проводится усреднение.

Например, усреднение по N = 16 выборкам дает улучшение на 2 бита: количество добавочных битов = 0,5 log₂16 = 2. Следовательно, эффективное вертикальное разрешение составит 8+2 = 10 бит.

Максимум разрешения по вертикали для этого алгоритма составляет не более 12 бит, поскольку далее начинают влиять другие факторы, в частности, погрешность вертикального усиления или смещения. Преимущество режима усреднения в том, что он не ограничивает полосу пропускания реального времени осциллографа. К недостаткам относится то, что сигнал должен быть периодическим, и то, что снижается скорость обновления сигналов на экране из-за дополнительной нагрузки на центральный процессор осциллографа.

Рис. 6. Осциллограмма напряжения сток–исток, полученная при работе осциллографа в обычном режиме измерения с усреднением

Режим измерения с высоким разрешением

Для второго метода усреднения, применяемого в цифровом осциллографе, не требуется периодического сигнала. Этот метод называется режимом измерения с высоким разрешением (рис. 7). Современные осциллографы, например Agilent InfiniiVision серий 5000, 6000 и 7000, обеспечивают 8-битовое вертикальное разрешение в обычном режиме (как и большинство других цифровых осциллографов). Режим измерения с высоким разрешением повышает вертикальное разрешение осциллографа до 12 бит в реальном масштабе времени и снижает уровень шумов.

Рис. 7. Осциллограмма напряжения сток–исток, полученная при работе осциллографа в режиме с высоким разрешением

Как сказано выше, метод измерения с усреднением состоит в замене нескольких измеренных (в нескольких периодах) точек сигнала одной (средней) точкой, соответствующей определенному моменту времени. В отличие от этого в режиме измерения с высоким разрешением усредняются значения сигнала нескольких последовательных выборок. В режиме измерения с высоким разрешением нельзя прямо задать количество точек, по которым ведется усреднение, как в режиме измерения с усреднением. Вместо этого количество дополнительных битов вертикального разрешения зависит от установленного значения скорости развертки.

При работе с малыми скоростями развертки в осциллографе осуществляется фильтрация последовательных выборок сигнала, результаты которой отображаются на экране. Увеличение глубины памяти для отображаемых данных увеличивает и количество точек, по которым ведется усреднение. Режим измерения с высоким разрешением неэффективен при высокой скорости развертки, когда на одну отображаемую точку приходится мало выборок. Этот метод дает значительный эффект при медленных развертках, когда одна точка осциллограммы формируется из многих выборок.

Компенсация сдвига фаз пробников напряжения и тока

Для точных измерений мощности требуется устранение погрешностей, обусловленных, во-первых, длиной кабелей пробников, во-вторых — электрической длиной участка цепи между точками, в которых измеряются ток и напряжение (если пробники тока и напряжения нельзя поместить в одну точку). Разница электрических длин трактов прохождения сигналов приводит к разным задержкам сигналов, приходящих от двух разных точек электрической цепи.

Чем длиннее кабель пробника, тем больше задержка между сигналом, измеряемым пробником, и сигналом на входе осциллографа. Для пробников, кабели которых имеют разную длину, и задержки получаются разные, а это требует проведения предварительной калибровки, чтобы получить правильный результат измерения. После компенсации сдвига фаз между сигналами двух пробников, учитывающей разницу временных задержек, сигналы от этих пробников приходят на осциллограф одновременно.

Другой фактор, который необходимо принимать во внимание, — это электрическая длина участка цепи между точками подключения пробников тока и напряжения. Например, задержка для печатного проводника на стеклотекстолите FR-4 составляет 381 пс/см, а для медного провода — 216 пс/см.

Погрешности из-за сдвига фаз имеют значительное влияние на измерения в источниках питания, особенно если исследуемые сигналы имеют крутые фронты. Сдвиг фаз может привести к тому, что измеренное значение получится очень низким, давая ложное ощущение достоверности, или очень высоким, предполагая проблему там, где ее нет. Компенсация сдвига фаз пробников перед измерениями в источниках питания является залогом наибольшей точности измерений (рис. 8).

Рис. 8. Примеры компенсации сдвига фаз пробников перед измерениями в источниках питания:

а) сдвиг фаз — измеренное значение слишком низкое;

б) сдвиг фаз — измеренное значение слишком высокое;

в) сдвиг фаз устранен — точный результат

Для наилучшей компенсации сдвига фаз нужно выбирать такие контрольные точки, чтобы пробники напряжения и тока можно было разместить как можно ближе друг к другу. В этом случае развертка напряжения и тока на осциллографе будет точно соответствовать фазе напряжения и тока в исследуемой схеме. В ассортименте компании Agilent имеется приспособление для компенсации сдвига фаз U1880A, которое генерирует специальный тестовый сигнал (рис. 9). По этому сигналу определяются значения компенсации для контрольных точек исследуемой схемы.

Рис. 9. Приспособление для компенсации сдвига фаз U1880A, которое генерирует специальный тестовый сигнал

В дополнение к вышесказанному важно знать, сигнал какого пробника опережающий, а какого — задержанный. Опережающий сигнал должен быть использован в качестве опорного сигнала, а также в качестве сигнала запуска для осциллографа. Задержка между опережающим и задержанным сигналами от пробников должна вычитаться из задержанного сигнала. Значение сдвига можно затем вручную выставить на осциллографе. А можно воспользоваться какими-либо приложениями, предназначенными для измерений параметров источников питания с использованием осциллографа. Например, приложения Agilent U1881A и U1882A, предназначенные для осциллографов Agilent InfiniiVision или Infiniium, автоматизируют процесс компенсации сдвига фаз, и это позволяет устранять погрешность отсчета и дает уверенность в наибольшей точности измерений.

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.

Измерения высоких импульсных напряжений при помощи делителей напряжения и осциллографов

Страница 7 из 13

ГЛАВА ВТОРАЯ
ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКИХ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
ПРИ ПОМОЩИ ДЕЛИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ И ОСЦИЛЛОГРАФОВ
Испытания изоляции электротехнического оборудования производятся грозовыми и коммутационными импульсами напряжения, максимальное значение которых и временные характеристики должны быть измерены с высокой степенью точности. Непривычная для импульсной техники высокая точность объясняется как требованиями в отношении надежности электротехнического оборудования, так и значительной стоимостью испытуемых объектов. С одной стороны, измерительные устройства не должны показывать заниженное напряжение, чтобы не повредить изоляцию, с другой — нельзя проводить испытания с завышенными показателями измерительных приборов, так как при этом не выполняются задачи испытания. В процессе испытаний могут появляться новые источники помех, которые затрудняют пли даже делают невозможным обеспечение точности измерений, предписываемой требованиями Рекомендаций международной электротехнической комиссии (МЭК) и национальными стандартами [695, 698].

Для определения максимального значения нормированного импульса высокого напряжения существуют измерительные устройства, обеспечивающие погрешность измерения полных и срезанных импульсов не выше 1%. Измерения осуществляются либо описанным в пп. 3.4.2 амплитудным вольтметром со стрелочным прибором, либо осциллографом. Последний способ позволяет помимо измерения максимального значения наблюдать изменение испытательного напряжения во времени, что позволяет в некоторых случаях определить, поврежден или не поврежден объект при испытаниях (см. также [73—78, 573, 574]). При измерениях максимального значения срезанных на фронте импульсов (так называемых косоугольных импульсов высокого напряжения) при обоих способах могут возникать значительные погрешности (см. пп. 2.1.5).
Задача измерения высоких импульсных напряжений стоит не только при испытаниях электротехнического оборудования, но и при многих физических исследованиях, при этом важно знать не только максимальное значение, но и точную форму импульса, которая не должна искажаться в измерительной цепи. К делителю напряжения предъявляются жесткие требования, чтобы исключить его влияние на источник напряжения. Особенно это необходимо при измерениях косоугольных импульсов, при наносекундных длительностях фронта, например, в ускорителях [49—51], искровых камерах и многих других электрофизических исследовательских установках. Эти требования удалось удовлетворить только лишь в разработанных в последнее время конструкциях.
Делитель импульсного напряжения должен обладать хорошими передаточными характеристиками. Однако и при этом пет гарантии, что наблюдаемая па экране осциллографа картина в известном масштабе отображает измеряемое высокое напряжение. Наряду с делителем напряжения могут вызывать дополнительные погрешности подводящие провода и кабели, идущие о г делителя к осциллографу.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ И ИХ ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Делитель высокого напряжения может быть присоединен к источнику напряжения только с помощью проводов. Это вызвано необходимостью соблюдать требуемые изоляционные расстояния. При высоких частотах нельзя пренебрегать индуктивностью соединительных проводов. Часто для устранения ВЧ колебаний делитель подсоединяется к источнику напряжения через демпфирующие резисторы, на сопротивлении которых возникает падение напряжения. Поэтому напряжение на объекте или напряжение, поступающее от генератора, иг (t) может не совпадать с фактически приложенным к делителю напряжением и[ (t) (рис. 29, а).
При очень высоких скоростях изменения напряжения соединение делителя с источником напряжения необходимо рассматривать как линию с распределенными параметрами (рис. 29, б). Подробное рассмотрение этой проблемы, частично с численными примерами, можно найти в работах [68, 135, 151, 585, 588, 589, 643, 644, 691, 6921. Математическая основа для расчетов индуктивности прямоугольной петли применительно к импульсным генераторам содержится в [149]. Учет влияния подводящих проводов приводит к лучшему пониманию наблюдаемых переходных характеристик протяженных цепей импульсных высоких напряжений, однако не решает все вопросы. Большое число нерешенных проблем связано с ограничениями применимости теории переходных процессов в цепях, поскольку условия для использования теории — поперечные размеры и длина системы проводников должны быть меньше четверти длины волны — часто не выполняются. В то же время для решения проблем с помощью теории поля не могут быть точно заданы напряженности электрического и магнитного полей, так как их возмущения распространяются в форме сферических волн, а длины проводников слишком малы (по сравнению с поперечными размерами системы), для того чтобы образовался фронт волны, по крайней мере в пространстве между проводниками.

Рис. 29. Схемы делителя напряжения с подводящим проводом:
а — провод представлен своей индуктивностью L и сопротивлением Я о’, б — провод представлен линией с распределенными параметрами с волновым сопротивлением Zc и временем пробега волны т; г/цО — регистрируемое напряжение, u’\{t) — напряжение на входе делителя; Un(t) — напряжение па выходе делителя
Поэтому в многочисленных недавно опубликованных работах делаются попытки определить напряжения и токи непосредственно из электромагнитного поля, изменяющегося в пространстве и времени и вызванного ступенчатым возбуждением [705—710]. Так как рассмотрение переходных электромагнитных полей в настоящее время находится в начальной стадии, эти работы не будем анализировать подробнее.
На стороне низкого напряжения подводящие провода пытаются сделать предельно короткими или обойтись без них. Этого можно достигнуть специальным пространственным расположением всего устройства, причем должна быть гарантия того, что передаточные характеристики делителя не зависят от окружающих предметов.
Для соединения генератора с делителем и объектом испытания на стороне заземления используют широкие полосы из меди или латуни [53, 55]. При измерениях в электрофизической аппаратуре в наносекундной области часто неизбежным становится коаксиальное присоединение.
При дальнейшем рассмотрении делитель напряжения вместе с его соединительными проводниками будем считать четырехполюсником [691—693], входное напряжение которого иг (t) приложено между соединительным проводом и землей, а выходное и2 (t) снимается с выводов делителя [52, 53, 56, 61]. Не будем учитывать обратное действие делителя на источник напряжения, хотя он часто совместно с генератором используется при формировании импульса. Напряжение, приложенное к объекту, будем считать заданным (см. также §2.7).
Передаточные свойства системы для измерений импульсных напряжений могут быть определены экспериментально либо расчетным путем с привлечением методов системного анализа. Экспериментальное определение проводится при высоких частотах и сравнительно низком напряжении. При обобщении полученных результатов предполагается, что при дальнейшей работе устройства при высоком напряжении сохраняется строгая линейность характеристик элементов измерительной системы. Однако это во многих случаях не является очевидным. Например, могут возникнуть коронный разряд, частичные раз ряды, зависящие от значения приложенного напряжения, термические эффекты, в той или иной мере вызывающие нелинейности характеристик элементов устройства. Выбор материалов с малыми температурными коэффициентами и соответствующая конструкция на высоком напряжении, гарантирующая отсутствие искрения при номинальном напряжении, делают эту проблему второстепенной.
Рассмотрение передаточных характеристик предполагает, что искажение наблюдаемой на экране осциллограммы относительно идеального импульса обусловлено делителем и его соединительными проводами, а не токами в оболочках кабеля или другими помехами (см. п. 1.5).

Емкостный делитель напряжения с сосредоточенными емкостями на стороне высокого напряжения
Если емкостный делитель с неодинаковыми собственными частотами должен обладать приемлемой реакцией на прямоугольный импульс, путем выбора Rx и R2 необходимо позаботиться о том, чтобы в области собственных частот деление напряжения осуществлялось не по индуктивностям, а по сопротивлениям (RT + R2)/R2. Это практически выполняется, если
Чем меньше различаются собственные частоты, тем меньшими сопротивлениями должен обладать делитель. При равенстве собственных частот коэффициент деления не зависит от частоты при отсутствии сопротивлений. Однако поскольку равенство частот на практике не выполняется и всегда имеется в измерительной цепи некоторое затухание (см. рис. 72 и 73), значение Rx всегда конечно и влияние сопротивления Rx необходимо компенсировать сопротивлением R2.
При очень высоких напряжениях емкость Сх делителя можно выполнить в виде воздушного конденсатора, один электрод которого связан с контуром высокого измеряемого напряжения, а второй — с измерительной кабиной [107, 125—129]. На рис. 76 показано такое решение, причем конденсатор низкого напряжения кратчайшим путем связан с осциллографом, находящимся в измерительной кабине.
Так как из-за малого значения емкости Сх мало и значение С2, то делитель чувствителен к нагрузке измерительным прибором и коэффициент деления должен быть скорректирован с учетом этого влияния. Емкость плеча низкого напряжения складывается из собственно емкости делителя, емкости соединительного кабеля и входной емкости осциллографа. Преимущество показанного на рис. 76 измерительного устройства состоит в незначительном влиянии измерительной схемы на источник напряжения: делитель напряжения в этом случае представляет собой некоторую часть емкости элементов контура высокого напряжения относительно земли. Затраты на создание конденсатора емкости Сг незначительны. Малое значение емкости Сх приводит к чувствительности измерительного устройства к окружающей обстановке: при любых изменениях положения предметов вблизи такого делителя необходимо проверять его градуировку.
В коаксиальных системах, применяемых при исследованиях термоядерных установок, и в элегазовых распределительных устройствах делители напряжения представляют собой составную часть конструкции. В зависимости от выполнения плеча низкого напряжения таких делителей при напряжениях около нескольких мегавольт достижимы времена реакций до 50 икс [130, 555, 683, 692, 700, 765].

Еще одним примером выполнения емкостного делителя с сосредоточенной емкостью Сг является делитель, показанный на рис. 77. Емкости делителя образованы тремя коаксиальными цилиндрическими металлическими трубами (рис. 78). Диэлектрик — глубокий вакуум и стекло с малыми диэлектрическими потерями. Показанный делитель рассчитан на напряжение 60 кВ. Напряжение можно увеличить до 120 кВ путем подключения дополнительного конденсатора. Обратное действие делителя на источник напряжения незначительно, так как входная емкость делителя составляет всего 4 пф, а в случае подключения дополнительного конденсатора — 2 пФ. Вследствие малой емкости и малой индуктивности коаксиальной конструкции резонансная частота этого делителя превышает 200 МГц.

Рис. 76. Специальный емкостный делитель на сверхвысокие напряжения

Рис. 77. Емкостный делитель на 60/120 кВ с входной емкостью 4 пФ и резонансной частотой выше 200 МГц (фирма Jenings)
В [133, 134] описан прецизионный делитель, предназначенный для проведения градуировок с коэффициентом деления 1000. Коаксиальная конструкция с защитными экранами и соблюдение обычных для нормальных конденсаторов конструктивных приемов гарантируют, что измеренный и рассчитанный коэффициенты деления различаются с погрешностью, не превышающей десятых долей процента. Делитель пригоден для измерения импульсных напряжений до 350 кВ. Его верхняя граница превышает 8 МГц.

Рис. 78. Разрез емкостного делителя коаксиального типа:
1 — электрод высокого напряжения; 2 — общий электрод; 3 — заземляемый электрод; 4 — дополнительный конденсатор для получения требуемого коэффициента деления
Прецизионные делители напряжения со временем нарастания около нескольких наносекунд можно получить с использованием измерительных конденсаторов высокого напряжения с газом под давлением (рис. 79 и 80). Плечо низкого напряжения располагается либо в заземленном фланце, либо под основанием конденсатора. В последнем случае пространственно разделенные плечи высокого и низкого напряжений должны быть соединены вертикальным проводом, причем Для ослабления переходных процессов в соединительном проводнике Необходимо предусмотреть включение сосредоточенных или распределенных демпфирующих резисторов, выдерживающих импульсы высокого напряжения [676]. Проблема колебаний возникает также и в Конденсаторах с газом под давлением, построенных по принципу, предложенному в [715, 716]. Преимущество делителя с конденсатором с газом под давлением лежит в его линейности, постоянстве коэффициента Деления независимо от окружающей обстановки и в незначительном обратном влиянии на источник напряжения .
Измерение напряжений около десятков киловольт в лабораториях может быть выполнено с помощью легко изготовляемой конструкции, показанной на рис. 81. В качестве плеча высокого напряжения делителя Сг используется короткий отрезок кабеля с полиэтиленовой изоляцией и массивной внутренней жилой. Конец изоляции у вывода высокого напряжения имеет ребра для увеличения расстояния по поверхности изоляции.

Рис. 79. Емкостный эталонный делитель с конденсатором, заполненным газом под давлением [701]

Рис. 81. Емкостный делитель для расширения пределов измерения пробников:
1 — электрод высокого напряжения; 2 — общий электрод; 3 — электрод низко го напряжения; 4 — изоляция; 5 — пробник

Рис. 80. Емкостные эталонные делители на 75 и 150 кВ фирмы Hilo— Test со временем нарастания Та~ = 3,5 не
Регулировкой положения жилы в полиэтиленовой изоляции, параллельным включением необходимого количества дисковых конденсаторов на стороне низкого напряжения с учетом входной емкости осциллографа и емкости внешнего цилиндра относительно земли можно подобрать требуемый коэффициент деления. Для защиты плеча высокого напряжения конструкции от скользящих разрядов внутренняя жила не доходит до конца полиэтиленовой изоляции на стороне, обращенной к плечу низкого напряжения, а пространство в полиэтиленовой изоляции заполнено силиконовым или трансформаторным маслом.
Следует также упомянуть о возможности использования в качестве делителя напряжения вводов с регулированием распределения потенциала (конденсаторных вводов), если допускается соединение ближайшей к заземленному выводу обкладки с измерительным устройством. Эта возможность позволяет измерять не только коммутационные импульсы [702, 703], но и действующее или максимальное значение переменного напряжения промышленной частоты [181,714].
местом разветвления кабелей. Измерительный прибор, обычно электронный осциллограф, присоединяется к одному из я кабелей. При некоторых исследованиях, когда желательна регистрация с разными временными разрешениями, можно использовать несколько осциллографов с различными скоростями развертки, подключаемых к разным кабелям.

Как использовать осциллограф: Полное руководство по установке

Методы измерения осциллографом

Два основных параметра осциллографа, которые вы можете выполнить:

• Измерения напряжения
• Измерения времени

Практически любое другое измерение основано на одном из этих двух фундаментальных методов.

В этом разделе обсуждаются методы использования осциллографа для визуального выполнения измерений с помощью экрана осциллографа.Это распространенный метод с аналоговыми приборами, который также может быть полезен для «быстрой» интерпретации изображений цифровых осциллографов.

Обратите внимание, что большинство цифровых осциллографов включают в себя автоматизированные измерительные инструменты, которые упрощают и ускоряют общие задачи анализа, тем самым повышая надежность и достоверность ваших измерений. Однако знание того, как производить измерения вручную, как описано здесь, поможет вам понять и проверить автоматические измерения.

Измерения напряжения

Напряжение — это величина электрического потенциала, выраженная в вольтах, между двумя точками в цепи.Обычно одна из этих точек заземляется (ноль вольт), но не всегда. Напряжения также можно измерять от пика до пика. То есть от точки максимума сигнала до точки минимума. Будьте внимательны, чтобы указать, какое напряжение вы имеете в виду. Осциллограф — прибор для измерения напряжения. После того, как вы измерили напряжение, другие величины можно будет просто вычислить. Например, закон Ома гласит, что напряжение между двумя точками в цепи равно току, умноженному на сопротивление. Из любых двух из этих величин вы можете вычислить третье, используя формулу, показанную ниже.

Напряжение = ток x сопротивление

Еще одна удобная формула — это степенной закон, который гласит, что мощность сигнала постоянного тока равна напряжению, умноженному на ток. Вычисления для сигналов переменного тока более сложны, но суть в том, что измерение напряжения — это первый шаг к вычислению других величин. На рисунке 66 показано напряжение одного пика (V _p ) и размах напряжения (V _{p – p} ).

Рисунок 66 : Пиковое напряжение (В _p ) и размах напряжения (В _p-p ).

Самый простой метод измерения напряжения — это подсчет количества делений, которые охватывает осциллограмма на вертикальной шкале осциллографа. Регулировка сигнала для покрытия большей части экрана по вертикали обеспечивает наилучшие измерения напряжения, как показано на рисунке 67. Чем больше площадь экрана вы используете, тем точнее вы можете считывать результаты измерения.

Рисунок 67 : Измерьте напряжение на центральной вертикальной линии координатной сетки.

Многие осциллографы оснащены курсорами, которые позволяют автоматически выполнять измерения формы сигнала без необходимости считать отметки на сетке.Курсор — это просто линия, которую можно перемещать по дисплею. Две горизонтальные линии курсора можно перемещать вверх и вниз, чтобы ограничить амплитуду сигнала для измерения напряжения, а две вертикальные линии перемещаются вправо и влево для измерения времени. Показания показывают напряжение или время в их положениях.

Измерения времени и частоты

Вы можете измерять время, используя горизонтальную шкалу осциллографа. Измерения времени включают измерение периода и ширины импульсов.Частота обратно пропорциональна периоду, поэтому, если вы знаете период, частота делится на единицу, деленную на период. Как и измерения напряжения, измерения времени становятся более точными, если вы настраиваете часть измеряемого сигнала, чтобы покрыть большую область дисплея, как показано на рисунке 68.

Рисунок 68 : Измерьте время по центральной горизонтальной линии координатной сетки.

Измерение ширины импульса и времени нарастания

Во многих приложениях важны детали формы импульса.Импульсы могут искажаться и вызывать сбои в работе цифровой схемы, а синхронизация импульсов в последовательности импульсов часто бывает значительной.

Стандартными измерениями импульсов являются время нарастания и ширина импульса. Время нарастания — это время, необходимое импульсу для перехода от низкого напряжения к высокому. Обычно время нарастания измеряется от 10% до 90% полного напряжения импульса. Это устраняет любые неровности на переходных углах импульса.

Ширина импульса — это время, которое требуется импульсу для перехода от низкого уровня к высокому и снова к низкому уровню.Обычно ширина импульса измеряется при 50% от полного напряжения. Рисунок 69 иллюстрирует эти точки измерения.

Рисунок 69 : Точки измерения времени нарастания и ширины импульса.

Импульсные измерения часто требуют точной настройки запуска. Чтобы стать экспертом в захвате импульсов, вы должны научиться использовать задержку запуска и как настроить цифровой осциллограф на сбор данных до запуска, как описано в главе 4 — Системы осциллографа и элементы управления. Горизонтальное увеличение — еще одна полезная функция для измерения импульсов, поскольку она позволяет видеть мелкие детали быстрого импульса.

Узнайте больше об использовании осциллографа в Центре обучения осциллографов и загрузите наш плакат «Основы осциллографа» с пошаговыми инструкциями по настройке осциллографа, чтобы повесить его в своей лаборатории. Если вы не покупали осциллограф или хотите обновить его для выполнения более сложных тестов, приобретите осциллографы Tektronix сегодня.

Как измерить напряжение с помощью осциллографа

Осциллографы

помогают визуализировать электрический сигнал. По сути, осциллографы отображают график зависимости напряжения отвремя для одного или нескольких сигналов. Этот график зависимости напряжения от времени часто называют «формой волны». Эта форма сигнала 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 пробник к каналу 1. Не особо беспокойтесь о типе пробника на данном этапе, но если у вас есть пробник 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 пробника к сигналу, который вы хотите измерить.
Шаг 5: Осциллограф теперь производит замер напряжения 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 сигнала.
Шаг 6: Используйте вертикальные и горизонтальные ручки для дальнейшей настройки 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 помечены в вольтах по оси Y, поэтому вы можете легко рассчитать напряжение вашего сигнала с помощью этих меток.

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
Ознакомьтесь с недорогим осциллографом Keysight
Получите полезные советы по осциллографам от 2-Minute Guru

Измерение постоянного напряжения с помощью осциллографа

Измерение постоянного напряжения С осциллографом

Измерение постоянного тока Напряжения с осциллографом
НМСУ-Грантс Электроника / Электротехника.

Почему Измерение постоянного напряжения с помощью осциллографа вместо измерителя?

Вольтметры может быть довольно вялым (если только вы используете старомодный аналоговый измеритель). В некоторых случаях это медлительность затрудняет контроль некоторых напряжений. Осциллограф (scope) имеет преимущество мгновенного ответа. Кроме того, большинство прицелов имеют два или более каналов. Таким образом, у вас может быть два (или более) напряжения на на экране осциллографа и посмотрите, что происходит с ними обоими.

Параметр Осциллограф для одновременного измерения двух напряжений

Поверните осциллограф на. В разделе ТРИГГЕР на передней панели найдите переключатель с надписью AUTO, NORM и т. д. Установите это переключитесь на АВТО. В ГОРИЗОНТАЛИ на передней панели найдите ручку MAIN TIME / DIV. Установите эту ручку до 0,1 мСм. Если ручка установлена в более длительное время зеленая линия на экране будет мигать. В ВЕРТИКАЛЬНОЙ в разделе передней панели найдите переключатель с пометкой Ch2, Ch3, DUAL, ДОБАВЛЯТЬ. Установите этот переключатель в положение DUAL. Это позволяет увидеть обе трассы (каналы). В Ch2 (канал 1) В области передней панели найдите переключатель с маркировкой AC, GND, DC. Установите это переключиться на постоянный ток. Поверните Ch2 VOLT / DIV регулятор на 1 В. Отрегулируйте канал 2 ПОЛОЖЕНИЕ РУЧКИ так, чтобы след (зеленая линия на экране) совпадает с нижней линией сетки.Мы теперь говорим что нулевая точка для Ch2 — это нижняя линия сетки. Повторите вышеуказанные шаги. для секции Ch3 передней панели, делая нижнюю линию сетка это нулевая точка. Найдите переключатели на щупы прицела и установите их на x1.

Изготовление Измерения напряжения

Каждый зонд имеет Зажим-крокодил для подключения прицела к земле.Подключите один из этих зажимы к заземлению вашей схемы. Не обязательно для подсоединения зажима к другому датчику. Подключите датчик к точка в вашей цепи, которая имеет напряжение, которое вы хотите измерить. Если есть еще напряжение, которое вы хотите измерить, подключите другой датчик к этому второму точка. Каждый квадрат на сетка экрана — один сантиметр.Выше, вы устанавливаете регуляторы VOLT / DIV на 1 В. Это означает, что каждый сантиметр представляет 1 вольт, а каждое меньшее деление представляет 0,2 вольт. Если напряжение у вас измерение больше 8 вольт, след исчезнет с экрана. В этом случае установите параметр VOLT / DIV. ручку на большее напряжение. Альтернатива имея нулевые точки для обеих трасс на нижняя линия сетки должна иметь одну нулевую точку в центре сетка, а другой — в нижней строке.Если напряжения вы работая как с отрицательными, так и с положительными эмоциями, вы, вероятно, захотите иметь одну нулевую точку на линии 2 см вниз от верха и другой по линии на 2 сантиметра снизу вверх.

Как измерить ток с помощью осциллографа

Проблема с осциллографами

Осциллограф позволяет вам посмотреть, как напряжение между двумя точками изменяется во времени.Построив график зависимости этого напряжения от времени, вы получите графическое представление вашего сигнала. Если вы хотите узнать больше о том, как осциллографы выполняют эту функцию, мы рекомендуем сначала ознакомиться с этой статьей.

Первым измерительным инструментом инженера-электрика часто является мультиметр, который может измерять несколько параметров, например напряжение, ток и сопротивление. Мультиметр обычно показывает среднее значение с течением времени и, как следствие, не может отображать быстро меняющиеся импульсы или повторяющиеся сигналы.Вот тут-то и пригодится осциллограф.

С другой стороны, многие мультиметры способны измерять ток, чего не может сделать осциллограф. Итак, как нам измерить ток в системе, которая быстро меняется? Прежде всего, зачем нам это делать?

Допустим, вы собираете следующий смартфон и хотите выяснить, на сколько хватит заряда аккумулятора. Смартфоны могут включать и выключать функции только при необходимости, например, передачу на вышку сотовой связи через определенные промежутки времени.Если бы вы измерили ток, протекающий от батареи к остальной части телефона, вы бы увидели, что ток все время быстро меняется. Вы не сможете получить последовательное чтение!

Рисунок 1. Измерение потребления тока смартфоном

Здесь может помочь осциллограф. Если бы вы могли измерить потребление тока по мере его изменения со временем, вы могли бы получить график, как на рисунке 1. В результате вы могли бы начать вычислять, на сколько хватит заряда вашей батареи.

Измерение потребляемого тока в реальном времени (в отличие от среднего) может помочь вам определить характеристики энергопотребления вашего устройства или отладить потенциальные проблемы. Например, ваш процессор может потреблять большой ток при запуске, и вам понадобится осциллограф, чтобы увидеть этот скачок.

Самый простой и распространенный метод измерения полного тока, протекающего в нагрузке, — это использование шунтирующего резистора. Это достигается путем размещения резистора низкого номинала на линии питания (или обратной линии).

Рисунок 2: Схема шунтирующего резистора

В этом случае вашей нагрузкой будет ваша тестируемая цепь (например, ваш смартфон). Блок питания может быть чем-то вроде батареи или сетевого адаптера.

Если вы измеряете напряжение на резисторе, вы можете использовать закон Ома для расчета тока, протекающего в вашу нагрузку:

Мы просто изменим формулу для определения тока:

I = VRI = \ frac {V} {R } I = RV

Если мы знаем сопротивление и измеряем падение напряжения на резисторе, мы можем вычислить ток, протекающий через резистор, который совпадает с током, протекающим в остальной цепи в этот момент.

Например, предположим, что у нас есть шунтирующий резистор 0,1 Ом, и мы измеряем падение 0,03 В на нем с помощью нашего мультиметра:

I = 0,03 В 0,1 Ом = 0,3 AI = \ frac {0,03 В} {0,1 \ Omega} = 0,3 AI = 0,1 Ом 0,03 В = 0,3 А

Мы бы определили, что в этот конкретный момент 0,3 А протекало от нашего источника питания к нашей нагрузке.

Шунтирующие резисторы (Rsh) часто имеют низкое сопротивление, чтобы не вызывать падение напряжения в цепи. Помните, что по мере увеличения тока, потребляемого вашей нагрузкой, также увеличивается падение напряжения на шунтирующем резисторе.Это может привести к падению напряжения, достаточному для отключения всей вашей системы!

Общие значения Rsh находятся в диапазоне от 0,01 до 0,1 Ом. Использование более высоких значений Rsh обеспечивает большую точность ваших измерений, но за счет увеличения падения напряжения на шине питания вашей нагрузки.

Мощность постоянного тока рассчитывается как:

Это можно использовать в качестве наихудшего расчета ожидаемой мощности рассеяния Rsh. Из нашего предыдущего примера мы видим, что:

P = 0,03 В × 0,3 А = 0,009 Вт = 0,03 В \ умножить на 0,3 А = 0,009 WP = 0,03 В × 0,3 А = 0,009 Вт

Даже крошечный 1/10 Вт или 1 В этом случае резистор мощностью / 8 Вт может действовать как шунтирующий резистор. Однако предположим, что наша схема внезапно включает двигатель постоянного тока, и падение напряжения на Rsh увеличивается до 0,5 В. Мы бы рассчитали ток как:

I = 0.5V0.1Ω = 5AI = \ frac {0.5 V} {0.1 \ Omega} = 5 AI = 0.1Ω0.5V = 5A

Теперь у нас есть ток 5 A в нашей цепи! Это довольно большой рост по сравнению с предыдущим. Теперь мы рассчитываем ожидаемое рассеивание мощности через наш резистор:

P = 0,5 В × 5 А = 2,5 Вт = 0,5 В \ умножить на 5 А = 2,5 Вт = 0,5 В × 5 А = 2,5 Вт

Теперь мы ожидаем, что шунтирующий резистор рассеивает 2,5 Вт мощности. Это было бы слишком много для большинства простых резисторов на 1/4 Вт. На этом этапе вам следует подумать об использовании резистора мощности 3+ Вт или переключении на более низкое значение для Rsh.

Урок заключается в следующем: выберите номинал шунтирующего резистора на основе ожидаемого тока, потребляемого вашей схемой. Выполнение нескольких быстрых вычислений не требует больших затрат, чтобы впоследствии избежать головной боли от повреждений вашей схемы!

Теперь, когда мы увидели, как выбрать значение Rsh и измерить ток, протекающий через него, давайте посмотрим, как мы можем настроить наш осциллограф для измерения тока. На первый взгляд, наша исходная схема (рис. 2) может показаться, что она подойдет.Использование резистора на положительной шине известно как шунтирующий резистор на стороне высокого напряжения . Однако есть небольшая проблема: зажим заземления на большинстве настольных осциллографов напрямую подключен к заземлению!

В этом видео представлен отличный обзор того, как зажим заземления осциллографа может привести к короткому замыканию источника питания в вашей цепи:

Если мы работаем с заземленной цепью и настольным осциллографом (который также правильно заземлен), то подключение зажим заземления по обе стороны от Rsh приведет к короткому замыканию.Не хорошо.

Один из вариантов — переместить резистор в обратный путь (известный как шунтирующий резистор низкого уровня ) и подключить зажим заземления осциллографа к заземлению цепи.

Рисунок 3: Измерение напряжения на шунтирующем резисторе с помощью осциллографа

При такой настройке вам не придется беспокоиться о коротком замыкании источника питания. Однако возникает новая проблема: контур заземления. Ток может циркулировать по контуру заземления (от земли через нашу тестируемую цепь, через зажим заземления осциллографа, обратно на землю через осциллограф).

Рис. 4: Потенциальный контур заземления от измерительной цепи с осциллографом

Контуры заземления могут вызывать нежелательные помехи или шум в ваших измерениях или в вашей цепи. Эта статья отлично объясняет контуры заземления. Обратите внимание, что это реальная проблема только в том случае, если и осциллограф, и тестируемая цепь подключены к заземлению, как показано на рисунке 4.

Если ваш осциллограф или тестируемое устройство питается от батареи или изолирован от заземления, вы это делаете. не нужно беспокоиться об этой проблеме.Однако для большей безопасности лучший способ измерить падение напряжения на шунтирующем резисторе — это использовать установку с двумя пробниками, сконфигурированную как дифференциальную пару.

Для выполнения этого измерения вам потребуется 2 канала осциллографа. У большинства осциллографов зажимы заземления соединены вместе (вы можете подтвердить это с помощью мультиметра, если не уверены). В результате нам не нужно ни к чему подключать заземляющие зажимы.

Подключите наконечники пробников к любой стороне шунтирующего резистора.В этом примере мы предполагаем, что канал 1 имеет более высокий потенциал, чем канал 2. Хотя на рисунке 5 показан шунтирующий резистор на нижней стороне, обратите внимание, что вы также можете сделать это с помощью резистора высокой стороны.

Рисунок 5: Настройка дифференциального пробника

На вашем осциллографе выберите функцию Math (при условии, что ваш осциллограф имеет такую ​​функцию). Оттуда вы сможете построить график вывода Ch 1 — Ch 2 . Вычитая напряжение канала 2 из напряжения канала 1, мы можем вычислить падение напряжения на резисторе, не беспокоясь о коротком замыкании источника питания или создании контура заземления!

Помните, что для каждой точки этого сигнала вам нужно будет разделить напряжение на значение шунтирующего резистора, чтобы получить ток, протекающий в вашу систему.Некоторые осциллографы позволяют разделить измеренное значение на константу, чтобы избавить вас от необходимости выполнять этот шаг. Проверьте функции Math в вашем осциллографе!

Другие варианты измерения тока

Если ваш осциллограф питается от батареи или тестируемое устройство изолировано от заземления (например, оно также питается от батареи или вы используете двухконтактный настенный адаптер), то вы этого не сделаете. нужно беспокоиться о замыкании источника питания на землю. Не стесняйтесь прикреплять этот заземляющий зажим к любой стороне вашего шунтирующего резистора!

Вы также можете приобрести для своего осциллографа специализированный дифференциальный пробник , который выполняет ту же настройку дифференциала, которую мы обсуждали выше.Однако для дифференциального пробника требуется только 1 канал вместо 2. Кроме того, дифференциальные пробники могут быть довольно дорогими.

Другой вариант — токовый пробник осциллографа. Большинство токовых пробников зажимают оголенный провод и измеряют магнитное поле, создаваемое током, протекающим через провод. Для этого требуется оголенный провод в вашей цепи, а датчики зажимного типа обычно имеют точность только до уровня миллиампер. Для измерения микроампер и наноампер обычно требуется шунтирующий резистор.

Четвертый вариант — использовать специализированную схему или деталь для измерения напряжения на шунтирующем резисторе, например INA169.INA169, по сути, создает дифференциальный пробник вокруг шунтирующего резистора и выдает выходное напряжение, которое можно измерить с помощью осциллографа. Однако обратите внимание, что INA169 может измерять только положительные напряжения (шунтирующий резистор на стороне высокого напряжения). Убедитесь, что вы полностью прочитали техническое описание, чтобы понять ограничения детали!

Существует множество вариантов измерения тока, протекающего по вашей цепи. Мы рекомендуем потратить некоторое время на то, чтобы понять, как можно проводить такие измерения, и понять ограничения каждого подхода.

Измерения напряжения осциллографом — пиковое и размах напряжения

Измерение напряжения осциллографом

Напряжение — это величина электрического потенциала, выраженная в вольтах, между двумя точками в цепи. Обычно одна из этих точек заземляется (ноль вольт), но не всегда. Напряжения также можно измерять от пика до пика — от точки максимума сигнала до точки его минимума. Будьте внимательны, чтобы указать, какое напряжение вы имеете в виду.

Осциллограф — это прежде всего прибор для измерения напряжения.После того, как вы измерили напряжение, другие величины можно будет просто вычислить. Например, закон Ома гласит, что напряжение между двумя точками в цепи равно току, умноженному на сопротивление. Из любых двух из этих величин можно вычислить третью. Еще одна удобная формула — это степенной закон: мощность сигнала постоянного тока равна напряжению, умноженному на ток. Вычисления для сигналов переменного тока более сложны, но дело в том, что измерение напряжения — это первый шаг к вычислению других величин.

На следующем рисунке показано напряжение одного пика — V [p] — и размах напряжения — V [p-p] -, которое обычно в два раза превышает V [p]. Используйте RMS (среднеквадратичное) напряжение — V [RMS] — для расчета мощности сигнала переменного тока.

Пиковое и размах напряжения

Вы измеряете напряжение, подсчитывая количество делений осциллограммы на вертикальной шкале осциллографа. Регулировка сигнала для покрытия большей части экрана по вертикали с последующим измерением по центральной вертикальной линии координатной сетки с меньшими делениями обеспечивает наилучшие измерения напряжения.Чем большую площадь экрана вы используете, тем точнее вы можете читать с экрана.

Измерение напряжения на центральной вертикальной линии координатной сетки

Многие осциллографы имеют экранные курсоры, которые позволяют автоматически выполнять измерения формы сигнала на экране без необходимости подсчитывать отметки на сетке. По сути, курсоры — это две горизонтальные линии для измерения напряжения и две вертикальные линии для измерения времени, которые вы можете перемещать по экрану. Показания показывают напряжение или время в их положениях.

Как читать осциллограф? — Компакет

Измерительный прибор, который измеряет электрические величины и выражает величины , которые они измеряют численно или аналогично, называется осциллографом.

Большинство цифровых осциллографов имеют автоматические измерительные инструменты, которые упрощают и ускоряют стандартные процедуры измерения. Таким образом, надежность и точность результатов измерений стали еще лучше. Процесс ручного измерения, описанный в этой статье, сделает более понятным управление автоматическими измерениями.

Когда напряжение 12 В переменного тока, измеренное с помощью вольтметра, измеряется с помощью осциллографа, считывается значение приблизительно 16,97 В, причина различных значений измерительных приборов — Измерение действующего значения переменного тока, Осциллограф Измерение максимального значения Ac.

Хотя цифровые осциллографы дороже других измерительных приборов, легче обнаружить неисправности в системе с помощью цифровых осциллографов. Потому что выходы телевизионных или более сложных систем в определенных точках и этажах являются фиксированными, и эти выходы указываются по пунктам в каталогах системы. При измерениях, выполненных с помощью осциллографа, на полу обнаружена неисправность, которая дает другой результат из каталога.

Вам также может понравиться: https://compocket.com/blogs/news/how-to-use-an-oscilloscope

Как начать читать осциллограф?

Текущее состояние электрического сигнала можно увидеть по показаниям осциллографа.Кроме того, вы также можете получить дополнительную информацию, такую ​​как изменение шума сигнала с течением времени или силу постоянного тока (постоянного тока) или переменного тока (переменного тока). Вы также можете определить форму волны по показаниям осциллографа.

Это может показаться очень запутанным, но на самом деле чтение с осциллографа намного проще, чем кажется. Если вы разбираетесь во всех элементах управления и кнопках устройства, чтение с осциллографа — это всего лишь базовая математика.

Сначала вам нужно узнать, что представляют собой значения на осциллографе.Каждое значение, которое вы видите на осциллографе, информирует вас о важных переменных, таких как напряжение, сила тока и т. Д.

С помощью осциллографа можно наблюдать почти бесконечное количество и разнообразие сигналов. Тем не менее, в каждом осциллографе используются разные технологии и варианты отображения, поэтому никакие два ваших осциллографа не будут одинаковыми. Другими словами, различные типы осциллографов предлагают вам пространство для творчества и динамизма. Однако это не означает, что разные типы и конструкции осциллографов отличаются друг от друга.Хотя они могут различаться по уровню технологии, стилю и дизайну, разные осциллографы показывают одинаковые значения для одного и того же измерения. Вот почему есть несколько важных шагов, которые необходимо выполнять каждый раз, когда вы читаете осциллограф, независимо от типа используемого осциллографа.

Благодаря повышенной надежности с годами цифровые осциллографы предлагают значительную простоту использования: они помогают обойти этап вычисления и просто отображать результаты на экране.Однако, если вы студент или у вас нет доступа к цифровому осциллографу, вам необходимо предпринять дополнительные шаги для извлечения необходимой информации из осциллографа.

На ЖК-экране осциллографа мы видим ось x и ось y в волне лучей. Эти два помогают нам определить разность потенциалов напряжения во времени. Длина этих волн не отражает расстояние, вместо этого они представляют время.

Ось x соответствует оси y на экране вывода осциллографа.Ось x показывает время , ось y показывает напряжение . Цифровые осциллографы позволяют нам определять взаимосвязь между определенными переменными в электрических цепях.

Как читать осциллограф?

Осциллограф

— спасательное устройство для электроники и людей, работающих с электронными токами, цепями. Как и во всех устройствах, у осциллографов есть некоторые основы для понимания этого. Мы знаем по осциллографам, что существует много типов. Однако их типы не меняют их основных функций.Когда мы спрашиваем , как читать осциллограф , анализ зависит от вида графического экрана, и этот график имеет оси x и y. Из определения осциллографа мы знаем, что у осциллографа есть временная шкала для измерения электрического напряжения в токе. Ось X горизонтальна и показывает время, ось Y вертикальна и показывает данные напряжения. Мы видим это с экрана. Мы смотрим на них, чтобы обнаружить проблему между этими двумя осями. Когда вы запускаете осциллограф или пытаетесь измерить то, что вы можете измерить с помощью осциллографа, например форму сигнала, измерять частоту или амплитуду или наблюдать за шумом в сигнале, вы видите волны на экране, чтобы исследовать их.Есть несколько распространенных форм сигналов и их устройства-источники.

• Источником этого могут быть розетки для синусоидальной электроники.
• Затухающая синусоида
• Квадратная волна
• Прямоугольная волна
• Пилообразная волна
Источником этого может быть
• Triangle Wave-Automobile.
• Шаг Wav
• Pulse Wave- Компьютер может быть его источником.
• Comlex Wave- Телевидение может быть его источником.

Изучая эти волны, мы можем получить информацию о частоте, напряжении, амплитуде и фазе.

Сигнальные входы

предоставляют пользователям сигнальное соединение. Управляет другой частью осциллографа и основными элементами управления осциллографом: по вертикали (вольт / деление) и по горизонтали (развертка). Управление напряжением / делением обеспечивает максимальное напряжение и минимальный входной сигнал, необходимые для его правильного выбора. Эта функция также действительна для временной развертки. Знание уровня запуска и источника запуска для вашего осциллографа — еще один ответ на вопрос о том, как читать данные с осциллографа. Эти базовые знания помогут вам читать данные на вашем осциллографе.Если вы внимательно относитесь к измерениям и сигналам для обнаружения проблем, вы можете помочь своим работам.

Измерения напряжения

Величина электрического потенциала между двумя точками в цепи называется напряжением, и его единица измерения выражается в вольтах. Переменный ток, постоянный ток и высокочастотные сигналы могут быть измерены с помощью осциллографа до максимум 400 Вольт .

Амплитуда знака на экране измеряется по оси Y (вертикальной).Амплитуда сначала определяется в квадратах на экране. Затем фактическое значение напряжения определяется путем умножения значения, указанного знаком на коммутаторе входного аттенюатора Volt / Div, на количество кадров. В это время ручку непрерывной регулировки амплитуды, если таковая имеется, необходимо повернуть до конца в положение калибровки или против часовой стрелки. Если зонд ослабляет амплитуду; Коэффициент затухания следует умножить и учесть.

U = Количество кадров x (В / дел) * Коэффициент датчика

Измерение периода или частоты

Каждый цифровой осциллограф имеет предел измерения частоты.Обратите внимание на этот предел при измерении высоких частот. После выбора цифрового осциллографа, подходящего для измеряемого значения частоты, осциллограф подключается к измеряемой точке. Однако теперь в осциллографах измеряется период, а не частота. Измерения периода производятся по оси X (горизонтальной). Длина одного периода формы сигнала в направлении оси X определяется путем подсчета квадратов. Мы получаем значение кнопки время / дел, умножая количество кадров.Однако, если зонд ослабевает, коэффициент затухания умножается и учитывается.

T = Количество кадров x (Время / дел.) * Коэффициент датчика

Что измеряют осциллографы?

• Значения переменного и постоянного напряжения
• Осциллограммы изменяющихся электрических величин
• Ток, протекающий по цепи
• Разность фаз
• Частота
• Характеристики полупроводниковых элементов, таких как диоды, транзисторы
• Кривые заряда и разряда конденсатора

ИСПЫТАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПОМОЩЬЮ ОСЦИЛЛОСКОПОВ И ЦИФРОВЫХ МУЛЬТИМЕТРОВ

Напряжение постоянного тока

можно измерить с помощью осциллографа или цифрового мультиметра.У каждого испытательного оборудования есть свои преимущества и недостатки. Давайте сначала рассмотрим использование осциллографа.

Осциллограф

Вы можете измерять постоянное напряжение с помощью осциллографа, который имеет прямой усилитель отклонения или клеммы для прямого подключения к отклоняющим пластинам электронно-лучевой трубки, но измерение постоянного напряжения с помощью осциллографа удобно только в некоторых ситуациях — например, когда вы: Используйте осциллограф для других измерений на том же оборудовании или когда вам нужно устройство для измерения высокого импеданса, а вольтметр с вакуумной трубкой недоступен.

Осциллографы

обычно не нагружают тестируемую цепь из-за их высокого входного импеданса, но осциллографы предназначены в первую очередь для наблюдения за формой сигналов и, как правило, менее точны, чем другие типы испытательного оборудования, обычно используемые для измерения напряжения постоянного тока. Одним из преимуществ использования осциллографа является его способность контролировать величину пульсаций переменного напряжения, связанных с постоянным напряжением; это преимущество делает осциллограф идеальным для поиска и устранения неисправностей источников питания постоянного тока с чрезмерной пульсацией, вызванной отказом компонентов.

Цифровой мультиметр

Большинство современных аналоговых вольтметров имеют точность примерно плюс-минус два процента от полной шкалы. (Как

) большинство цифровых мультиметров имеют высокий входной импеданс, поэтому они вряд ли повредят проверяемую цепь и обычно обеспечивают точность не менее плюс-минус один процент.

Цифровые мультиметры

отображают числовые показания, и эти дисплеи прямого считывания — в дополнение к их способности изменять диапазон и полярность — устраняют проблемы параллакса, уменьшают погрешность и значительно увеличивают скорость, с которой вы можете проводить измерения.Цифровые данные мультиметров также могут обрабатываться компьютерами, принтерами, магнитными лентами и т. Д.

Современные цифровые мультиметры компактны и легки и часто поставляются с перезаряжаемыми батареями, что делает их идеальными для работы в полевых условиях. Недостатки использования цифровых мультиметров в том, что они обычно не прочны и не выдерживают злоупотреблений, а некоторые модели не выдают достаточного напряжения смещения для проверки транзистора или диодного перехода.