Измерение с помощью осциллографа частоты сигнала, напряжения и разности фаз

2.12.  Измерение с помощью осциллографа частоты сигнала, напряжения

 и сдвига фаз между двумя напряжениями

Перед началом измерений необходимо проверить исправность коаксиального кабеля и определить его сигнальный провод. Проверить исправность коаксиального кабеля проще всего с помощью омметра. Сначала измеряют сопротивление между двумя концами центрального проводника и между двумя концами проводящей оболочки. Эти сопротивления должны быть малыми (сотые доли ома). Затем проверяют отсутствие замыкания между центральным проводником и оплеткой кабеля. Иногда при ремонте коаксиального кабеля проводящая оболочка соединяется с проводником не черного цвета. В этом случае возникает задача определения сигнального проводника кабеля. Она может быть решена двумя способами. В первом случае один провод омметра подключают к центральному проводнику коаксиального разъема, а второй провод омметра поочередно подключают к каждому из двух проводников кабеля.

Проводник, для которого сопротивление оказывается близким к нулю, и будет сигнальным. При другом способе определения сигнального провода необходимо, чтобы измерительный прибор (электронный осциллограф, электронный вольтметр) уже был включен в сеть и к нему подключен коаксиальный кабель. Затем касаются поочередно рукой каждого из двух проводников кабеля. Сигнальным будет проводник, при касании которого прибор регистрирует напряжение частотой 50 Гц (наблюдается отклонение луча осциллографа или стрелки вольтметра). Человек выступает в этом случае в роли антенны, принимающей электромагнитные волны, излучаемые питающей сетью.

Осциллограф ОМЛ-ЗМ комплектуется коаксиальным кабелем с литым разъемом, который отремонтировать достаточно сложно. В этом случае в осциллографе устанавливается дополнительное гнездо «земля», а коаксиальный кабель с обоих концов имеет по два внешне одинаковых проводника. Обычно проводники-выводы оплетки делают черного цвета, а сигнального провода – любого другого цвета. Если по внешнему виду измерительного кабеля нельзя опередить сигнальный провод, то можно воспользоваться следующим приемом. Выбрав предположительно сигнальный провод, подключают его ко входу «У» осциллографа, а второй проводник – к корпусу. Устанавливают достаточно высокую чувствительность осциллографа. Затем касаются рукой изоляции провода в средней его части (не касаясь при этом самих проводов!). Если на экране наблюдается сигнал наводки, то сигнальный провод выбран неверно. Если на экране нет изменений сигнала, то провод выбран верно.

Для демонстрации необходимости использования коаксиального кабеля для электронного вольтметра и осциллографа необходимо подать на эти приборы сигнал по обычным проводам и коснуться рукой их изоляции. При этом прибор фиксирует наводки.

Для измерения параметров электрических сигналов ручками смещения сигнала совместите сигнал с делениями шкалы так, чтобы было удобно проводить измерения. Выбирают положения переключателей “В/дел” такими, чтобы размер исследуемого сигнала по вертикали получался от 2 до 6 делений.

Рассмотрим определение частоты исследуемого сигнала.  Пусть период исследуемого сигнала занимает два деления, а длительность развертки установлена 10 мс/дел. Тогда период исследуемого сигнала будет равен:  2 дел × 10 мс/дел = 20 мс. Затем из формулы связи периода и частоты исследуемого сигнала ( f = 1/ T ) определим его частоту: f = 1/ 20 мс = 50 Гц

Рассмотрим теперь, как определяется амплитуда напряжения исследуемого сигнала. Пусть исследуемый сигнал имеет синусоидальную форму. Амплитуда синусоидального сигнала равна половине размаха изображения по вертикали. Для ее нахождения определим сначала, сколько делений занимает изображение сигнала по вертикали. Умножив число делений, соответствующее амплитуде, на коэффициент отклонения в вольтах на деление, получим амплитуду сигнала в вольтах. Например, изображение синусоидального сигнала по вертикали занимает 4 деления. Следовательно, амплитуда  исследуемого сигнала на  экране осциллографа будет составлять два деления.

Если коэффициент отклонения равен 5 В/дел, то амплитуда сигнала будет равна 10 В.

Для измерения разности фаз между двумя напряжениями существует несколько способов. Остановимся кратко на двух из них: метод эллипса и с помощью двухлучевого осциллографа. При измерении методом эллипса одно напряжение подается на вход Y осциллографа, а другое – на вход X. Синус угла сдвига фаз равен отношению отрезка

а к отрезку b (рис. 2.20 а) при условии, что в отсутствии сигнала электронный луч попадет в центр экрана осциллографа. Очень просто измеряется сдвиг фаз между двумя напряжениями с помощью двухлучевого осциллографа (рис. 2.20 б). Для этого отрезок АB делят на отрезок АС и умножают на 2p.

3.5. Измерение амплитуды и временных параметров сигнала

В универсальных осциллографах измерение амплитуды производится с помощью масштабной сетки, помещенной на экране: размах (амплитуда) импульса умножается на цену деления сетки по вертикали, установленную на масштабном делителе.

Канал должен быть откалиброван, сбалансирован, а ручка плавной регулировки усиления канала зафиксирована.

Погрешность измерения амплитуды при этом методе измерения составляет 5 … 7 %. Для цифровых осциллографах погрешность измерения не превышает 1 … 2 %. Связано это с тем, что в цифровых осциллографах измерения выполняются автоматически (по сигналу), а экран используется только для индикации. В универсальных же осциллографах измерение выполняется по экрану.

Аналогично с помощью масштабной сетки измеряются временные интервалы (по горизонтальной оси), при этом канал развертки должен быть откалиброван (выполняется метрологической службой в лаборатории), ручка плавной регулировки развертки зафиксирована.

С помощью осциллографа, в отличие от частотомеров и измерителей временных интервалов, можно измерять параметры сигналов сложной структуры, например ступенчатых сигналов, а также параметры случайных и переходных процессов. Для этого, в ряде случаев, используется метод калиброванных меток.

Калибровочные метки наносятся на осциллограмму сигнала путем модуляции луча по яркости сигналом от кварцевого генератора. Если в универсальном осциллографе нет этого режима (калиброванных меток), то его можно смоделировать, подавая калиброванный сигнал на канал яркости.

Осциллограф часто используют как индикатор совпадений. Примером тому служит измерение частоты неизвестного гармонического сигнала (или разности фаз между сигналом и его задержанной копией) с помощью образцового генератора и осциллографа. Отображаемые на экране осциллографа интерференционные фигуры называются фигурами Лиссажу.

Для реализации метода в двухканальном осциллографе включается режим Х/У, а в одноканальном – задействуется канал Х и канал развертки. Колебания известной образцовой частоты, например, с генератора сигналов, подается на один вход осциллографа (

У или канал развертки), а колебания измеряемой величины – на канал Х, при этом собственная развертка осциллографа отключается. Частоту образцового генератора подстраивают под частоту измеряемого сигнала таким образом, чтобы наблюдались фигуры Лиссажу (рис.3.6). Форма фигур Лиссажу зависит от соотношения частот измеряемого и образцового сигналов и разности их фаз.

Отношение частот может быть и большим, если это не мешает измерениям.

Соотношение частот можно определить как число точек пересечения фигуры Лиссажу с горизонтальной линией к числу точек пересечения фигуры с вертикальной линией (если соблюдается правильность подачи сигналов на каналы).

Метод обеспечивает высокую точность измерения частоты (разности фаз), однако получение и наблюдение таких фигур достаточно сложная задача.

Следует заметить, что в двухканальном осциллографе такой режим предусмотрен.

При наблюдении импульсных сигналов важно выбирать такой осциллограф, который меньше всего искажает наблюдаемый импульс.

Для наблюдения кратковременных сигналов считается допустимым, если время нарастания

сигнала в канале осциллографа не превышает 0,3 от длительности наблюдаемого импульса (время нарастания определяется по переходной характеристике осциллографа или указывается в технической документации).

Рекомендуется выбирать частотомер, верхняя граничная частота которого превышает значение 2 / τ_И.

От нижней граничной частоты осциллографа зависит правильность отображения вершины импульса. Чем нижняя граничная частота меньше, тем точнее воспроизводится вершина импульса.

Проведение измерений с помощью осциллографа

Техник, выполняющий измерения с помощью осциллографа во время ремонта. Кроме того, автомобильный инженер использует осциллограф для сопоставления аналоговых данных от датчиков с последовательными данными от блока управления двигателем. Инженеры-компьютерщики используют осциллографы для измерения потребления микросхем.

Что такое осциллограф?

Цифровой запоминающий осциллограф — это электронное устройство, используемое для просмотра электрических сигналов. Он состоит из экрана дисплея, входов и нескольких элементов управления, которые в основном используются для проведения измерений.

Базовая операция

Для проведения измерений с помощью осциллографа вы сначала подключаете электрический сигнал, который хотите просмотреть, к одному из входов осциллографа, которых обычно два, помеченных A и B.

Примечено: при первом включите осциллограф, сигнал не будет виден, пока вы не отрегулируете две настройки: вольт/деление и время/деление (или временную развертку).

1. Для измерения масштаба по вертикали вольт/деление определяет количество вольт для каждого деления по вертикали.

2. Время/деление управляет горизонтальной шкалой. Количество времени, которое показывает каждое горизонтальное деление, соразмерно изменяется при настройке времени/деления.

Отрегулируйте эти два параметра, пока сигнал не будет четко отображаться на экране осциллографа. Более подробно о том, как работать с осциллографом, вы можете прочитать в этой статье Университета Небраски.

SDS1202X-E Цифровой суперлюминесцентный осциллограф

Амплитуда переменного тока

Для измерения с помощью осциллографа амплитуды переменного тока (переменного тока) необходимо сначала подключить сигнал переменного тока к одному из входов осциллографа перед оптимизацией сигнала. Сигнал переменного тока будет колебаться и напоминать синусоиду. Вы измерите амплитуду сигнала, подсчитав количество делений по вертикали между самой высокой и самой низкой точками сигнала (т. е. его пиком и впадиной). Вы можете получить амплитуду в вольтах, умножив количество делений по вертикали на настройку вольт/деление.

Частота переменного тока

Если вы хотите измерить частоту переменного тока, вы должны подключить сигнал переменного тока к одному из входов вашего цифрового осциллографа и оптимизировать сигнал. Подсчитайте количество горизонтальных делений от одной высокой точки до следующей (т. е. от пика к пику) вашего осциллирующего сигнала. Затем вы умножите количество делений по горизонтали на время/деление, чтобы найти период сигнала. Вы можете рассчитать частоту сигнала с помощью этого уравнения: частота = 1/период.

Напряжение сигнала постоянного тока

Чтобы выполнить измерения с помощью осциллографа напряжения сигнала постоянного тока, сначала включите осциллограф, не подключая входной сигнал. (Обратите внимание, что сигнал постоянного тока на дисплее вашего осциллографа будет плоским.) Поместите линию осциллографа над уровнем нулевого напряжения с настройкой вертикального положения. Затем подключите путь сигнала постоянного тока к одному из входов вашего осциллографа. После подключения сигнала вы заметите смещение линии осциллографа по вертикальной оси. Вы подсчитаете количество делений по вертикали, на которое смещается линия вашего осциллографа, и умножите деления по вертикали на вольт/дел, чтобы найти напряжение сигнала постоянного тока.

Узнайте больше и купите цифровые запоминающие осциллографы у специалистов по схемам здесь.

Определение амплитудно-частотного осциллографа

26 сентября 2011 г. By Test and Measurement Editor 4 комментария

Инженеры-электрики считают осциллограф одним из самых важных приборов в своей лаборатории. Работать без него все равно что работать вслепую, поскольку осциллограф дает инженерам четкое представление о скрытом мире электронных сигналов.

Помимо визуального отображения уровня напряжения цепи в определенной точке, осциллограф также обеспечивает визуальное отображение выходного сигнала датчика. Поскольку большинство сигналов носят циклический характер или повторяются в определенный период времени, знание частоты повторения сигналов имеет первостепенное значение.

Для измерения амплитудной частоты осциллографа пользователь должен сначала подать сигнал на входной порт осциллографа. Сигналы можно использовать через специальный зонд или через менее сложный кабель.

Затем пользователь должен установить источник запуска, чтобы осциллограф начал сканирование. Это время, когда осциллограф начинает отображать кривую. Исходя из порогового уровня, триггер может изменять наклон самого сигнала. Он также может исходить из другого источника.

Шкала напряжения должна быть установлена ​​таким образом, чтобы весь вертикальный диапазон сигнала отображался как можно больше, но при этом помещался на экране осциллографа. Временная развертка также должна быть установлена ​​так, чтобы можно было легко распределить отображение полного цикла сигнала по экрану — слева направо.

Затем пользователь должен выбрать начальную и конечную точки для полного цикла. Точкой может быть максимальное напряжение до следующего максимума, или точка, в которой напряжение проходит через нуль на пути к отрицательному от положительного, или любая другая легко идентифицируемая особенность сигнала.

Следует отметить, что сигналы бывают различной формы. Таким образом, пользователи должны «отмечать» или определять начальную и конечную точки.