Осциллограф: что это, зачем нужен, как пользоваться правильно: инструкция для начинающих

Осциллограф — это прибор, предназначенный для мониторинга амплитудных и временных параметров электрического сигнала. Данные визуализируются на экране или выводятся на фотоленту. В статье будет подробно рассмотрено  устройство и применение осциллографа, а также как им пользоваться при диагностике электроники.

Что такое осциллограф, что измеряет и где применяется

Прибор регистрирует изменения амплитуды и колебаний сигналов электрической цепи. Что измеряет аналоговый и цифровой осциллограф:

• сдвиг фаз;
• параметры электрических сигналов; 
• силу тока (рассчитывают по закону Ома);
• амплитудно-частотную характеристику.

Сходный принцип работы у вольтметра. Но в отличие от него, осциллограф измеряет сигналы, показания которых меняются за тысячные доли секунды.

Интересно! Данные на мониторе выводятся в виде кривых, пилообразных и других линий. Прибор используют во всех областях электроники: в прикладных, лабораторных, научно-исследовательских целях.

Для чего нужен осциллограф, в какой сфере применяется — ниже в таблице.

Сфера	Назначение
Автомобильная диагностика и ремонт	Прибор дает информацию о расположении распределительного и коленчатого валов, наличии импульса на катушке, неисправности свечей и проводов. Также может считывать коды неисправностей
Телевидение	С помощью осциллографического изображения осуществляют регулировку сигнала
Радиоэлектроника	Определяет правильность подбора транзисторов и корректность работы прибора в целом
Приборостроение	Диагностика ШИМ-контроллера, усилителей звука и т. д.

Устройство и основные технические параметры прибора

Различают аналоговые и цифровые осциллографы, у них существенные различия в устройстве. Первый прибор состоит из:

• блока питания;
• электронно-лучевой трубки;
• канала модуляции луча;
• канала вертикального и горизонтального отклонения;
• устройства синхронизации и запуска развертки.

Данные измерений цифрового осциллографа выводятся на экран после оцифровки. В отличие от аналогового прибора, у цифрового имеется:

• преобразователь;
• ОЗУ (оперативное запоминающее устройство);
• контроллер;
• усилитель и делитель напряжения;
• в качестве органов управления — кнопки, USB-разъемы.

Каждый прибор имеет свои характеристики:

• коэффициент погрешности — не более 3%;
• линия развертки — с ее увеличением становится продолжительнее время наблюдения;
• характеристика синхронизации — она включает диапазон частот, максимальные уровни и нестабильность системы;
• переходные параметры — время нарастания и выброс.

Интересно! Для цифровых осциллографов  важной характеристикой является объем внутренней памяти.

Принцип работы цифрового осциллографа

Работа прибора основана на захвате, дискретизации и анализе аналогового сигнала:

1. Захват сигнала: прибор подключается к исследуемому объекту с помощью щупа, который преобразует аналоговый сигнал в электрический.
2. Полученный сигнал дискретизируется. Процесс запускается аналого-цифровым преобразователем, который измеряет амплитуду сигнала в каждый момент времени и записывает ее в виде цифрового кода.
3. Хранение и отображение сигнала. Полученные цифровые данные находятся в памяти осциллографа. Они могут быть отображены на экране в виде графика, где по горизонтальной оси — время, а по вертикальной — амплитуда.
4. Анализ сигнала. Цифровой осциллограф может измерять амплитуды, периоды, частоты и время нарастания сигнала. А также анализ спектра сигнала и их поиск по заданным значениям.

 

В сравнении с аналоговыми, цифровые осциллографы обладают большей точностью, разрешением, широким диапазоном частот и возможностями анализа. Есть модели, которые подключаются к компьютеру.

Классификация и виды

По принципу действия различают осциллографы специализированные и универсальные. В первом случае они разрабатываются под определенный вид техники. Так, существуют приборы для медицины, телевидения, радиоэлектроники.

Универсальные приборы могут быть моноблочными и со сменными блоками. В первом случае осциллографы используются для исследования:

• низкочастотных процессов;
• импульсных сигналов;
• правильности показаний приборов радиоэлектроники.

Устройства со сменными блоками отличаются многофункциональностью. Увеличивается количество опций, расширяется сфера диагностики приборов осциллографом.

Важно! Различают также скоростные устройства. Они используются для наблюдения и регистрации повторяющихся импульсных сигналов.

Как выбрать устройство: критерии

При выборе осциллографа первым критерием является целевое назначение. Нет смысла покупать дорогой прибор и переплачивать за опции, которые не нужны в работе. Так, для домашнего использования подойдут универсальные модели.

Количество каналов

Самая «продвинутая» модель — та, у которой максимальное число каналов. Различают осциллографы:

• одноканальные;
• простые (2–4 канала);
• специализированные (до 16).

При этом не всегда количество каналов влияет на достоверность измерений. Необходимо учитывать, что:

1. Двухканального осциллографа достаточно для измерения и анализа временных характеристик сигналов, которые поступают с аналоговых устройств.
2. Прибор из 8–16 каналов позволяет отлаживать цифровую систему параллельного экспорта данных.
3. Дополнительные каналы с РЧ-выходом предназначены для устройств, которые работают на высокой частоте.
4. Изолированные нужны для работы с гальванической развязкой.

Важно! Необходимо обратить внимание на характеристики каналов: оптимальный частотный диапазон, точность усиления, равномерность амплитудно-частотной характеристики.

Тип питания

Приборы с аккумулятором удобно брать с собой. Они незаменимы, если нет возможности подключиться к сети. В остальных случаях лучше брать осциллограф, который работает от электричества.

Частота дискретизации

Характеристика определяет рабочую способность прибора фиксировать и отображать изменения, которые происходят в электрическом сигнале. Параметр важен для измерения однократных и переходных процессов. С увеличением частоты дискретизации усиливается качество сигнала.

Совет! Для любительских целей достаточно частоты 1–2 Гвыб/с.

Полоса пропускания

Параметр влияет на диапазон сигналов. У цифровых моделей есть возможность настроить полосу, которая работает с высшими гармониками.

Для определения частоты пропускания применяют правило «пятикратного превышения» максимального значения полосы сигнала. Если ее будет недостаточно, составляющие сигнала невозможно определить — исказится амплитуда. Результат — увеличение погрешности измерения.

Совет! При максимальной частоте сигнала в 80 МГц выбирают модель с полосой не менее 100 МГц.

Некоторые производители дают возможность увеличивать полосу пропускания. Для этого потребуется приобрести ключ и ввести его в специальное поле.

Глубина памяти

Узнать значение глубины памяти поможет простой расчет: произведение времени, отображаемого на экране, на дискретизацию.

Как пользоваться осциллографом: инструкция для начинающих

Сначала необходимо определить режим работы. Осциллограф работает с постоянными (напряжение) и периодическими (помехи, шумы) сигналами, которые возникают с разной частотой. Как выбрать режим:

1. Неизвестно, с какой частотой возникают импульсы — устанавливают автоматический режим.
2. Ждущий — при сигналах, которые появляются редко. При наличии изменений загорается монитор, запускается генератор развертки и отображается сигнал. Запуск можно настроить и на определенное событие.
3. Одиночный — прибор настраивают на исследование однократного сигнала. Далее он переходит в неактивное положение.

На осциллографах с аттенюатором выполняют дополнительную настройку делителя. Он задает показания одного деления и определяет, во сколько раз снижается входной сигнал.

Важно! Указанные выше действия необходимы для аналоговых приборов. В цифровых осциллографах на входе имеется аналитический блок, который автоматически понижает или повышает входной сигнал до требуемого уровня.

Подключение осциллографа

В комплекте с прибором идет шнур. Число кабелей зависит от количества каналов. К осциллографу шнур подключают через круглый разъем. Второй конец (со щупом) необходим для измерений. Также у провода есть ответвление с прищепкой — это заземление. Его подсоединяют обязательно в целях безопасности.

Внимание! У некоторых приборов на рукоятке щупа установлен переключатель — работает как усилитель.

Прибор подключают к сети. Затем приводят в рабочее положение тумблер включения.

Проверка осциллографа перед работой

Для проверки обычно используют следующий прием:

1. Щупа касаются пальцем. На экране  прибора появится синусоида частотой в 50 Гц.
2. Затем щупом заземления касаются измерительного, и сигнал исчезает. На мониторе отображается прямая линия.

Важно! При необходимости проводят балансировку и калибровку.

Порядок проведения измерений

Перед началом измерений необходимо установить горизонтальную и вертикальную частоты, чтобы отобразить желаемый диапазон времени и амплитуды сигнала. Переходят в режим синхронизации.

Настройка

Перед работой устанавливают следующие параметры:

1. Масштаб изображения, которое будет выводиться на экран.
2. Регулятор развертки. Действия производят с горизонтальной осью.
3. В блоке синхронизации на корпусе осциллографа указывают настройки. 

Измерение тока, напряжения, частоты и сдвига фаз

Некоторые параметры можно установить сразу по показаниям прибора. Для других — требуется расчет:

1. Для определения частоты используют формулу 1/Т, где Т — период сигнала (время, за которое он проходит полный цикл).
2. Напряжение отображается по вертикали. Цена деления определяется переключателем, обычно 1 В=1 деление. Для расчета количество клеток умножают на цену деления (по регулятору).
3. Для измерения тока используют токоизмерительные пробники. Они визуализируют сигнал и выполняют анализ его формы.
4. Сдвиг фаз измеряют в долях период сигнала (единицах угла). Определяют, какой из сигналов (напряжение или ток) опережает, а какой отстает. Сдвиг фаз равен нулю, если в цепи активная нагрузка — и напряжение, и ток начинаются и заканчиваются одновременно.

Важно! Для анализа показателей используют осциллограммы.

Использование осциллографа при диагностике электроники

Диагностика с использованием осциллографа требует хороших знаний в области электроники и умения интерпретировать полученные данные. Прибор может значительно облегчить процесс диагностики, помочь в поиске и устранении неисправностей в электронных системах:

1. Осциллограф отображает форму и амплитуду электрического сигнала во времени. Это позволяет установить правильность функционирования электронных компонентов и схем в разных режимах работы.
2. С помощью прибора можно измерить амплитуду и частоту сигнала, что определяет наличие дефектов в электронных компонентах или возможные несоответствия блок-схемы системы.
3. Обнаружение и запись аномальных сигналов (помехи). Они могут указывать на нестабильность или неисправность электронной системы.
4. Некоторые осциллографы обладают функцией спектрального анализа, которая позволяет изучать спектр сигналов и идентифицировать возможные помехи.

Как подключить импортный осциллограф

Структурная схема цифрового и аналогового осциллографа аналогична, как и принцип работы. Необходимо подключить провода, заземлить, включить прибор в сеть. 

Как работать с осциллографом — пошаговая инструкция для начинающих:

1. Определяют точку снятия сигнала и нулевую магистраль.
2. С помощью щупа производят коммутацию с аттенюатором. Если уровень сигнала неизвестен, устанавливают максимальную амплитуду.
3. Выполняют необходимые замеры, производят расчеты.

Важно! При необходимости последний пункт повторяют.

Типичные ошибки при выборе и работе с осциллографом

Распространенная ошибка — покупка б/у прибора без проверки, ведь старые модели могут давать некорректные показания. Самый простой способ — взять батарейку 1,5 В. Также проверка может осуществляться встроенным генератором.

Высокая стоимость прибора — не дает гарантии достоверности измерений. Любое устройство перед покупкой надо проверять.

Причиной большинства ошибок при работе с устройством связаны с отсутствием необходимых знаний и навыков работы. Так, некоторые пользователи при работе с гальванически изолированными узлами оборудования используют осциллограф, каналы которого зависимы между собой. Каждый канал должен быть надежно изолирован от сети питания.

Осциллограф — прибор, который в электронике нельзя заменить никаким другим. В частности, если выполнять те же замеры и расчеты мультиметром, на это уйдет больше времени, и погрешность будет выше. Осциллограф способен фиксировать порядка миллиона измерений в секунду, поэтому даже кратковременные изменения будут зафиксированы.