Что такое осциллограф и как им пользоваться

Начинающим подробно о осциллографе, о том что это за измерительный прибор, как он работает и как используется в радиоэлектронике.

Как работает осциллограф

Осциллограф, в прямом смысле слова, является глазами радиолюбителя. Он позволяет не только оценить какие-то основные физические характеристики сигнала (напряжение, частота, сила тока), но и буквально увидеть график функции исследуемого сигнала, увидеть какие-то отклонения сигнала от нормы, искажения его формы, наличие помех и паразитных импульсов или сигналов.

Экран осциллографа представляет собой координатную плоскость с осями X и Y, а поступающие на его вход сигналы отображаются на этой плоскости как алгебраические функции.

В настоящее время существует множество типов осциллографов, как обычных аналоговых, отображающих сигналы на экране электронно-лучевой трубки, так и цифровые и компьютерные.

Как бы не был устроен осциллограф, и каким бы способом, электронным аналоговым или цифровым, программным не происходило построение функции, всегда одно и тоже, - на экране отображается зависимость сигнала Y от сигнала X, или от сигнала Y от шкалы времени, выложенной на ось X.

Схематическое изображение электронно-лучевой трубки

Рис. 1. Схематическое изображение электронно-лучевой трубки.

В основе обычного осциллографа лежит электронно-лучевая трубка, - вакуумный прибор, состоящий из экрана, покрытого слоем люминофора и электронной пушки, создающей электронный луч, направленный на этот экран. В месте попадания луча на экран люминофор светится, и мы видим светящуюся точку. Еще есть пластины горизонтального и вертикального отклонения. Ма рисунке 1 изображена схематически электронно-лучевая трубка, направленная экраном на вас, уважаемый читатель.

Как отклоняется луч, если подать напряжение на пластины Y

Рис. 2. Как отклоняется луч, если подать напряжение на пластины Y.

Круг -это корпус трубки, прямоугольник - экран, покрытый люминофором, а четыре черточки, обозначенные Х1, Х2, Y1, Y2 - это пластины горизонтального (X) и вертикального отклонения (Y). Точка в центре - «отпечаток» электронного луча на люминофоре.

Как уже было сказано, пушка электроннолучевой трубки создает поток электронов (электронный луч), который направлен в сторону экрана. Когда на этот луч не воздействуют никакие электрические или магнитные поля он летит себе в центр экрана.

Отколоняющие платины расположены с четырех сторон от луча, и если на них подать какое-то напряжение луч отклонится в сторону пластины под положительным потенциалом. Величина этого отклонения будет пропорциональна величине этого потенциала.

Как отклоняется луч, если подать напряжение на пластины Х

Рис. 3. Как отклоняется луч, если подать напряжение на пластины Х.

На рисунке 2 показано как отклоняется луч, если подать напряжение на пластины Y, причем, на Y2 - отрицательный полюс, а на Y1 - положительный. Если сменить полярность, - отклонение будет в другую сторону от среднего положения. Аналогичным образом отклоняется луч и при подаче напряжения на пластины X (рис. 3). А вот на рис. 4 показано что будет, если под напряжением будут и горизонтальные (X) и вертикальные (Y) пластины.

Так, изменяя напряжение на пластинах вертикального и горизонтального отклонения можно «гонять» луч как угодно по экрану, и вырисовывать им любые фигуры. При быстром перемещении луча, благодаря известному свойству человеческого зрения, и послесвечению люминофора электроннолучевой трубки, точка превратится в линию, и на экране появится геометрическая фигура.

Что будет если под напряжением горизонтальные (X) и вертикальные (Y) пластины

Рис. 4. Что будет если под напряжением горизонтальные (X) и вертикальные (Y) пластины.

Теперь понятно, что изменяя напряжение между пластинами X можно перемещать луч по горизонтали, а изменяя напряжение между пластинами Y -по вертикали.

Для подачи сигналов на каналы вертикального и горизонтального отклонения у осциллографа есть входы «У» и «X». Но, обычно, необходимо видеть не зависимость одного сигнала от другого, а зависимость сигнала, поданного на вход «У» от шкалы времени, выложенного на ось X.

Чтобы это было возможно в осциллографе есть генератор горизонтальной развертки, который вырабатывает напряжение, изменяющееся по «пилообразному» закону (рис. 5). Это напряжение подается на пластины горизонтального отклонения (X).

Напряжение, изменяющееся по пилообразному закону

Рис. 5. Напряжение, изменяющееся по пилообразному закону.

Пилообразное напряжение плавно и равномерно возрастает, перемещая луч по горизонтали от одного края экрана до другого, а затем резко возвращает луч обратно. При обратном перемещении специальная схема гасит луч. В результате, на экране луч постоянно перемещается слева - направо, а быстрота перемещения луча зависит от степени «наклона» пилообразного напряжения (то есть, от его частоты).

При частоте развертки более 20 Гц мы уже видим на экране не перемещающийся луч, а горизонтальную линию (рис. 6). Причем положение этой линии по вертикали зависит от напряжения, поданного на вход У (на вертикальные пластины).

Например, если масштаб оси У установить 1V на деление (на экране осциллографа обычно нанесена масштабная сетка), то при подаче на вход У постоянного напряжения величиной, например, +2V, линия переместится вверх на два деления (рис. 7).

Горизонтальная линия на экране осциллографа

Рис. 6. Горизонтальная линия на экране осциллографа.

Горизонтальная линия на экране осциллографа смещенная вверх

Рис. 7. Горизонтальная линия на экране осциллографа смещенная вверх.

График функции напряжения от времени на экране осциллографа - синусоида

Рис. 8. График функции напряжения от времени на экране осциллографа - синусоида.

График функции напряжения от времени на экране осциллографа - прямоугольные импульсы

Рис. 9. График функции напряжения от времени на экране осциллографа - прямоугольные импульсы.

Если на вход У подать переменное напряжение или импульсы, горизонтальная линия изогнется, нарисовав на экране график функции этого напряжения от времени (рис.8 и рис.9.). По масштабной сетке по вертикали можно определить амплитуду сигнала, а по горизонтальной - его период.

Промышленный осциллограф

А сейчас перейдем к изучению конкретного прибора, - осциллографа С1-65. Это довольно старый и громоздкий прибор, в недавнем прошлом модель С1-65 (и С1-65А), можно сказать, была «хитом» радиоэлектронной промышленности. Ими оснащались практически все советские предприятия, производящие электронную технику военного и гражданского назначения.

Затем, после модернизации или закрытия, перепрофилирования, переоборудования предприятий, а так же, по истечении установленного срока эксплуатации, осциллографы С1-65 списывались и попадали к радиолюбителям или на радиорынки самым разными путями. Как бы там ни было, но С1-65 стал одним из самых распространенных осциллографов, доступных радиолюбителям. Следующим, в «списке популярности», был сервисный осциллограф С1-94, а далее «игрушки» -ОМ Л-2 и Н-313.

Обладателем какого бы осциллографа вы не являлись, все сказанное далее в отношении С1-65 будет в значительной степени справедливо и для вашего прибора.

На рисунке в тексте приводится схематическое изображение фронтальной панели С1-65. Панель осциллографа - светло-серого цвета зонирована по функциям синими тонкими линиями (на рисунке эти линии черные).

Для регулировки параметров луча есть ручки регулировки яркости и фокуса. Регулятором яркости регулируется не яркость всего экрана (как в телевизоре), а яркость только луча, или линии которую он выресовывает. Луч зеленого цвета. Регулятором фокуса добиваются чтобы линия (или точка) была наиболее тонкой.

Регулятор подсветки управляет яркостью лампочки, которая подсвечивает координатную сетку, расположенную перед экраном. Питание включается тумблером в нижнем правом углу.

Включив осциллограф первый раз вы можете не обнаружить на экране луча. Это может быть из-за того, что луч находится в зоне за пределами экрана или включен ждущий режим.

Чтобы выключить ждущий режим переключатель ждущего режима должен быть в крайне верхнем положении. «Поймать» луч и установить в центр экрана можно регулятором баланса (в других осциллографах он может быть обозначен как регулятор сдвига по вертикали) и регуляторами сдвига по горизонтали. Для регулировки луча по горизонтали есть две ручки - «грубо» (верхняя) и «точно» (нижняя). Этими ручками можно сдвигать влево или вправо путь, по которому движется луч.

Скорость, с которой движется луч по экрану зависит от положения ручки регулировки развертки («время/деление»). Ручка сделана в виде пирамидки из двух ручек, - большой, изменяющей период развертки скачкообразно, и маленькой для плавной регулировки.

Если вы обе эти ручки повернете налево в крайние положения период развертки будет минимальным и на экране будет видна перемещающаяся слева направо точка (но это при условии, что переключатель развертки, распложенный над эими ручками переключен в крайне левое положение). Поворачивая эти ручки направо уменьшаем период развертки и скорость движения луча увеличивается. На отметке «5mS» (5 миллисекунд) точка превращается в линию.

Регулируя развертку нужно учесть, что значения, подписанные на шкале вокруг ручки скачкообразной регулировки развертки верны только тогда, когда ручка плавной регулировки находится в крайне правом положении.

Уменьшить период развертки в десять раз можно переключив переключатель, расположенный над ручками регулировки развертки, в среднее положение. А если его переключить в правое положение, перемещением луча по горизонтали будет управлять не блок развертки осциллографа, а внешний сигнал, поданный на вход X.

Обычно требуется видеть функцию зависимости напряжения от времени. В этом случае развертка должна быть включена, а входной сигнал подают на вход Y, который может иметь три состояния, переключаемых переключателем входа Y.

В его крайне левом положении переключателя входа Y, вход непосредственно соединен с разъемом «вход Y». Так осциллограф будет показывать как постоянную, так и переменную составляющую исследуемого сигнала. В среднем положении вход Y выключен, а в крайне правом - он подключен через конденсатор, поэтому постоянную составляющую прибор, в этом положении переключателя, не показывает.

Схематическое изображение фронтальной панели осциллографа С1-65

Рис. 1. Схематическое изображение фронтальной панели осциллографа С1-65.

Усиление усилителя вертикального отклонения регулируют двумя ручками, -переключателем V/деление и регулятором чувствительности Y, которые расположены одна на другой «пирамидкой». Например, если мы установим переключатель в положение «1V/дел.», а ручку регулировки повернем в крайне правое положение, то при подаче на вход Y напряжения 1V луч переместится вверх на одно деление.

Теперь, когда все работает, давайте попробуем посмотреть наводки в вашем теле. Установите переключатель «время/деление» на «5 mS», переключатель «V/деление» - на «2V». Подключите к входу Y щуп (или просто всуньте в разъем кусок проволоки) и прикоснитесь к нему пальцами.

На экране появится синусоида, возможно искаженная (её форма зависит от того, какие наводки есть в вашем теле). Если синусоида будет смещаться по горизонтали или будет иметь вид нескольких хаотически движущихся синусоид, нужно повернуть ручку «уровень» так, чтобы изображение стабилизировалось.

По клеткам на экране, зная сколько вольт на деление приходится по вертикали, и сколько миллисекунд на деление приходится по горизонтали, можно примерно вычислить амплитуду и период сигнала, частоту.

В правой части фронтальной панели, вверху, расположены органы управления синхронизацией. Синхронизация может быть внутренней (то есть, от входного сигнала, поданного на вход Y), от электросети или от внешнего источника, поступающего на вход X. Выбор - переключателем вида синхронизации.

В нашем случае, переключатель в верхнем положении (внутренняя). Ниже расположен калибратор, он представляет собой источник импульсов частотой 1 кГц или постоянного напряжения строго заданного уровня. Хотите увидеть как выглядят прямоугольные импульсы, - включите щуп, подключенный к входу Y в гнездо калибратора (переключатель калибратора должен быть в положении «1кГц»).

Переключите «время/деления» развертки так, чтобы были видны отдельные импульсы (например, в положение 0,2mS). Затем, поворотом ручки «уровень» добейтесь неподвижности изображения. Если нужно, измените масштаб по вертикали (V/деление).

Амплитуду импульсов калибратора можно регулировать от 20тV до 50V переключателем калибратора.

Продолжение - Практические упражнения по работе с осциллографом.

Литература: 1. РК-07-2003, РК-08-2007.

Практические упражнения по работе с осциллографом

3 218 Для начинающих
осциллограф начинающим
кэшбек