ביצוע מדידת אוסצילוסקופ

אוסצילוסקופ דיגיטלי הוא כמובן מושלם בהרבה מאלו אלקטרונית קונבנציונאלית, הוא מאפשר לזכור צורות גל, יכול להתחבר למחשב אישי, יש לו עיבוד מתמטי של תוצאות, סמני מסך ועוד ועוד. אבל עם כל היתרונות, למכשירים מהדור החדש יש חיסרון אחד משמעותי - זהו מחיר גבוה.

היא זו שהופכת את האוסילוסקופ הדיגיטלי לבלתי נגיש למטרות חובבניות, אם כי ישנם אוסצילוסקופים "כיסים" ששווים רק כמה אלפי רובלים, הנמכרים ב- Aliexpress, אך לא נוח במיוחד להשתמש בהם. ובכן, פשוט צעצוע מעניין. לכן, בעוד שנדבר על מדידות באמצעות אוסצילוסקופ אלקטרוני.

בנושא בחירת אוסצילוסקופ לשימוש במעבדה ביתית באינטרנט, תוכלו למצוא מספר פורומים מספיק. מבלי להכחיש את היתרונות של אוסצילוסקופים דיגיטליים, מומלץ בפורומים רבים לבחור באוסצילוסקופים ביתיים פשוטים בגודל קטן, אמינים C1-73 ו- C1-101 וכדומה, שפגשנו בעבר בהם מאמר זה.

במחיר שווה לכל נפש, מכשירים אלה יאפשרו לכם לבצע את רוב משימות הרדיו החובבניות. בינתיים התוודע לעקרונות הכלליים של המדידה באמצעות אוסצילוסקופ.

איור 1. אוסצילוסקופ S1-73

מה מודד אוסצילוסקופ

האות המדוד מועבר לכניסה של ערוץ הסטיה האנכי Y, שיש לו התנגדות קלט גדולה, בדרך כלל 1MΩ, וקיבול קלט קטן, לא יותר מ- 40pF, המאפשר להכניס עיוות מינימלי לאות הנמדד. פרמטרים אלה מציינים לעיתים קרובות לצד כניסת ערוץ ההטיה האנכי.

איור 2. אוסצילוסקופ C1-101

עכבת כניסה גבוהה אופיינית למתחי מתח, ולכן ניתן לומר כי האוסילוסקופ מודד מתח. השימוש בחוצצי קלט חיצוניים מאפשר לך להפחית את קיבול הקלט ולהגדיל את עכבת הקלט. זה גם מקטין את השפעת האוסילוסקופ על האות הנחקר.

יש לזכור כי ישנם אוסצילוסקופים מיוחדים בתדר גבוה, אשר עכבת הקלט שלהם היא 50 אוהם בלבד. בתרגול הרדיו החובבני, מכשירים כאלה אינם מוצאים יישום. לכן, עוד נתמקד אוסצילוסקופים אוניברסליים קונבנציונליים.

רוחב הפס של ערוץ Y

האוסילוסקופ מודד מתחים בטווח רחב מאוד: ממתחי DC למתחים בתדר גבוה מספיק. נדנדת המתח יכולה להיות מגוונת למדי, מעשרות מיליוולט לעשרות וולט, וכאשר משתמשים בחוצצים חיצוניים עד כמה מאות וולט.

יש לזכור כי רוחב הפס של ערוץ הסטייה האנכית Y DB לא פחות מ- 5 פעמים מהתדר של האות שיימדד. כלומר, המגבר של הסטייה האנכית חייב לעבור לפחות את ההרמוניה החמישית של האות הנחקר. הדבר נדרש במיוחד כאשר בוחנים פולסים מלבניים המכילים הרמוניות רבות, כפי שמוצג באיור 3. רק במקרה זה מתקבלת תמונה עם עיוות מינימלי על המסך.

איור 3. איור 3. סינתזה של אות מלבני מרכיבים הרמוניים

בנוסף לתדר הבסיסי, איור 3 מציג את ההרמוניות השלישית והשביעית. ככל שהמספר ההרמוני גדל, תדירותו עולה: התדירות של ההרמוני השלישי גבוהה פי שלוש מהיסוד, ההרמוני החמישי הוא חמש פעמים, השביעי הוא שבע וכו '. בהתאם, משרעת ההרמוניות הגבוהה יותר יורדת: ככל שהמספר ההרמוני גבוה יותר, כך משרעתו נמוכה יותר. רק אם המגבר של התעלה האנכית ללא ניכוי רב יכול להחמיץ את ההרמוניות הגבוהות יותר, תמונת הדופק תהיה מלבנית.

איור 4 מראה את צורת הגל של מתפתל עם רוחב הפס Y של הערוץ לא מספיק.

איור 4

המתפתל עם תדר של 500 קילו הרץ נראה משהו כזה על המסך של אוסצילוסקופ OMSh-3M עם רוחב פס של 0 ... 25 קילוהרץ. כאילו פולסים מלבניים הועברו דרך מעגל RC משולב. אוסצילוסקופ כזה הופק על ידי התעשייה הסובייטית לעבודות מעבדה בשיעורי פיסיקה בבתי ספר. אפילו מתח האספקה ​​של מכשיר זה מטעמי בטיחות לא היה 220 אלא 42V בלבד. ברור לחלוטין כי אוסצילוסקופ עם רוחב פס שכזה יאפשר לראות אות עם תדרים של לא יותר מ- 5 קילוהרץ כמעט ללא עיוות.

עבור אוסצילוסקופ אוניברסלי קונבנציונאלי, רוחב הפס הוא לרוב 5 מגה הרץ. אפילו עם פס כזה אתה יכול לראות איתות של עד 10 מגה הרץ ומעלה, אך התמונה שהתקבלה על המסך מאפשרת לשפוט רק את הנוכחות או היעדר האות הזה. יהיה קשה לומר דבר על צורתה, אך במצבים מסוימים הצורה אינה כה חשובה: למשל, יש גנרטור גלי סינוס, וזה מספיק רק כדי לוודא שישנו גל סינוס זה או לא. רק מצב כזה מוצג באיור 4.

מערכות מחשוב מודרניות וקווי תקשורת פועלים בתדרים גבוהים מאוד, בסדר גודל של מאות מגה-הרץ. כדי לראות אותות כאלה בתדר גבוה, רוחב הפס של האוסילוסקופ חייב להיות לפחות 500 מגהרץ. להקה כה רחבה באמת "מרחיבה" את מחיר האוסילוסקופ.

דוגמה לכך היא האוסילוסקופ הדיגיטלי U1610A המוצג שלא באיור 5. רוחב הפס שלו הוא 100 מגהרץ, והמחיר הוא כמעט 200,000 רובל. מסכים, לא כולם יכולים להרשות לעצמם לקנות מכשיר כה יקר.

איור 5

אל הקורא לא להתייחס לתמונה זו כפרסומת, מכיוון שכל הקואורדינטות של המוכר אינן מצוירות מעל: כל צילום מסך דומה יכול להופיע במקום תמונה זו.

סוגי האותות הנחקרים והפרמטרים שלהם

סוג התנודה הנפוץ ביותר בטבע ובטכנולוגיה הוא סינוסואיד. זוהי אותה פונקציה של סבל ארוך Y = sinX, שהתקיימה בבית הספר בשיעורי הטריגונומטריה. לא מעט תהליכים חשמליים ומכניים הם בעלי צורה סינוסואידית, אם כי לעתים קרובות משתמשים בצורות אחרות של אותות בטכנולוגיה אלקטרונית. חלקם מוצגים באיור 6.

איור 6. צורות של רטט חשמלי

אותות תקופתיים. מאפייני איתות

אוסצילוסקופ אלקטרוני אוניברסלי מאפשר לך ללמוד במדויק אותות תקופתיים. אם בכניסה Y אתה שולח אות צליל אמיתי, למשל פונטוגרמה מוזיקלית, אז פרצים מהבהבים באופן אקראי יופיעו על המסך. באופן טבעי אי אפשר לחקור אות כזה בפירוט. במקרה זה, השימוש באוסילוסקופ אחסון דיגיטלי יעזור, המאפשר לשמור את צורת הגל.

התנודות המוצגות באיור 6 הן תקופתיות, שחוזרות על עצמן לאחר פרק זמן מסוים T. ניתן לראות זאת ביתר פירוט בתרשים 7.

איור 7. תנודות תקופתיות

התנודות מתוארות במערכת קואורדינטות דו ממדיות: מתח נמדד לאורך ציר הסדר, והזמן נמדד לאורך ציר האבסיסה. מתח נמדד בוולט, זמן בשניות. עבור תנודות חשמליות, נמדד לעתים קרובות זמן באלפיות השנייה או במיקרו-שניות.

בנוסף לרכיבים X ו- Y, צורת הגל מכילה גם רכיב Z - עוצמה, או פשוט בהירות (איור 8). היא זו שמדליקה את הקורה לזמן הקורה הקדמית ומכבה בזמן שבץ החזרה. לחלק מהאוסילוסקופים יש כניסה לשליטה על בהירות, המכונה קלט Z. אם אתה מפעיל מתח דופק ממחולל הפניה לכניסה זו, אתה יכול לראות תוויות תדר על המסך. זה מאפשר לך למדוד בצורה מדויקת יותר את משך האות לאורך ציר ה- X.

איור 8. איור 8. שלושה מרכיבים של האות שנחקר

אוסצילוסקופים מודרניים כוללים, ככלל, טאטאות מכויל-זמן המאפשרות תזמון מדויק. לפיכך, שימוש בגנרטור חיצוני ליצירת תגים למעשה אינו הכרחי.

בחלקו העליון של איור 7 נמצא גל סינוס. קל לראות שזה מתחיל בתחילת מערכת הקואורדינטות. בזמן T (נקודה) מתבצעת תנודה מלאה אחת. ואז הכל חוזר, התקופה הבאה. אותות כאלה נקראים תקופתיים.

אותות מלבניים מוצגים מתחת לגל הסינוס: דופק מתפתל ומלבני. הם גם תקופתיים עם תקופה T. משך הדופק מסומן כ- t (tau). במקרה של מתפתל, משך הדופק τ שווה למשך ההפסקה בין פעימות, רק מחצית התקופה T. לכן, המתפתל הוא מקרה מיוחד של אות מלבני.

חובה ושיעור חובה

כדי לאפיין פולסים מלבניים, נעשה שימוש בפרמטר הנקרא מחזור חובה. זהו היחס בין תקופת החזרת הדופק T למשך הדופק τ. עבור המתפתל, מחזור החובה שווה לשניים, - הערך חסר ממדים: S = T / τ.

במינוח האנגלית בדיוק ההפך הוא הנכון. שם, הפולסים מאופיינים על ידי מחזור התפקיד, היחס בין משך הדופק לתקופה של מחזור החובה: D = τ / T. גורם המילוי בא לידי ביטוי ב- %%. לפיכך, עבור המתפתל, D = 50%. מסתבר ש- D = 1 / S, מחזור חובה ומחזור חובה הפוכים זה בזה, אם כי הם מאפיינים את אותו פרמטר דופק. צורת הגל של המתפתל מוצגת באיור 9.

איור 9. צורת גל של מתפתל D = 50%

כאן, הכניסה של האוסילוסקופ מחוברת לפלט של הגנרטור הפונקציונאלי, שמוצג מייד בפינה התחתונה של הדמות. וכאן קורא קשוב עשוי לשאול שאלה: "משרעת האות הפלט מגנרטור ה -1 וולט, הרגישות של כניסת האוסילוסקופ היא 1 וולט / דיווחה. המסך מציג פולסים מלבניים בעוצמה של 2 וולט. למה?

העובדה היא שהגנרטור הפונקציונאלי מייצר פולסים מלבניים דו קוטביים ביחס לרמת ה- 0V, זהה בערך לסינוסואיד, עם משרעות חיוביות ושליליות. לכן, פולסים עם טווח של ± 1V נצפים על מסך האוסילוסקופ. באיור הבא אנו משנים את מחזור החובה, למשל, ל 10%.

איור 10. מומנטום מלבני D = 10%

קל לראות שתקופת החזרת הדופק היא 10 תאים, ואילו משך הדופק הוא תא אחד בלבד. לכן D = 1/10 = 0.1 או 10%, כפי שניתן לראות מהגדרות הגנרטור. אם אתה משתמש בנוסחה לחישוב מחזור החובה, תקבל S = T / τ = 10/1 = 1 - הערך הוא חסר ממדים. כאן ניתן להסיק שמעגל החובה מאפיין את הדחף בצורה הרבה יותר ברורה ממעגל החובה.

למעשה, האות עצמו נותר זהה לתרשים 9: דופק מלבני עם אמפליטודה של 1 וולט ותדר של 100 הרץ. רק גורם המילוי או מחזור החובה משתנים, זה כאילו מישהו מוכר ונוח יותר. אך לנוחות התצפית באיור 10, משך הסריקה מחצית לעומת איור 9 והוא 1ms / div. לפיכך, תקופת האות אורכת 10 תאים על המסך, מה שמקל יחסית לוודא כי מחזור התפקיד הוא 10%. בעת שימוש באוסילוסקופ אמיתי, משך הטאטא נבחר בערך זהה.

מדידת מתח דופק מלבני

כאמור בתחילת המאמר, האוסילוסקופ מודד מתח, כלומר הפרש פוטנציאלי בין שתי נקודות. בדרך כלל, מדידות נעשות ביחס לחוט משותף, קרקע (אפס וולט), אם כי זה לא הכרחי. באופן עקרוני, ניתן למדוד מערכי אות מינימליים למקסימום (ערך שיא, שיא עד שיא). בכל מקרה, שלבי המדידה הם די פשוטים.

פולסים מלבניים הם לרוב חד קוטביים, וזה אופייני לטכנולוגיה דיגיטלית. כיצד למדוד את המתח של דופק מלבני מוצג באיור 11.

איור 11. מדידה של משרעת הדופק המלבני

אם הרגישות של תעלת הסטייה האנכית היא 1V / div, אז מתברר שהנתון מראה דופק עם מתח של 5.5V. עם רגישות של 0.1 וולט / דיפר. המתח יהיה 0.5 וולט בלבד, אם כי על המסך שני הפולסים נראים זהים לחלוטין.

מה עוד ניתן לראות בדחף מלבני

הפולסים המלבניים המוצגים באיורים 9, 10 פשוט אידיאליים מכיוון שהם מסונתזים על ידי אלקטרוניקה WorkBench. ותדירות הדופק היא 100 הרץ בלבד, לפיכך, בעיות ב"הכרתיות "של התמונה לא יכולות להתעורר. במכשיר אמיתי, בקצב חזרות גבוה, הפולסים מעוותים במקצת, ראשית כל, נחשפים נחשולים ופרצים שונים עקב השראות ההתקנה, כפי שמוצג באיור 12.

איור 12. אימפולס מלבני אמיתי

אם אתה לא שם לב ל"זוטות "כאלה, הדחף המלבני נראה כמו זה שמוצג באיור 13.

איור 13. פרמטרים של דופק מלבני

התרשים מראה כי הקצוות המובילים והנגררים של הדופק אינם מופיעים מייד, אלא יש להם זמני עלייה וירידה, והם נוטים מעט ביחס לקו האנכי. שיפוע זה נובע מתכונות התדר של מעגלי מיקרו וטרנזיסטורים: ככל שטרנזיסטור התדר גבוה יותר, כך פחות "חזיתות" של הקטניות. לפיכך, משך הדופק נקבע על ידי הרמה של 50% מהטווח המלא.

מאותה סיבה, משרעת הדופק נקבעת על ידי הרמה של 10 ... 90%. משך הדופק, כמו גם המתח, נקבעים על ידי הכפלת מספר החלוקות של הסולם האופקי בערך החלוקה, כפי שמוצג באיור 14.

איור 14.

התרשים מציג תקופה אחת של דופק מלבני, שונה במקצת מהמתלה: משך הדופק החיובי הוא 3.5 חלוקות בסולם האופקי, ומשך ההשהיה הוא 3.8 חלוקות. תקופת החזרת הדופק היא 7.3 חלוקות. תמונה כזו עשויה להיות שייכת למספר פולסים שונים עם תדרים שונים. הכל יהיה תלוי במשך ההטאטה.

נניח משך סריקה של 1ms / div. ואז תקופת החזרת הדופק היא 7.3 * 1 = 7.3ms, שמתאימה לתדר F = 1 / T = 1 / 7.3 = 0.1428KHz או 143 הרץ. אם משך הסריקה הוא 1 μs / div, התדר יתגלה פי אלף, כלומר 143KHZ.

השימוש בנתונים באיור 14, לא קשה לחשב את מחזור תפקוד הדופק: S = T / τ = 7.3 / 3.5 = 2.0857, הוא מתגלה כמעט כמו מתפתל. מחזור חובה של מחזור החובה D = τ / T = 3.5 / 7.3 = 0.479 או 47.9%. יש לציין כי פרמטרים אלה אינם תלויים בשום תדירות: מחזור החובה ומחזור החובה חושבו פשוט על ידי חלוקות על צורת הגל.

עם דחפים מלבניים, הכל נראה ברור ופשוט. אבל לגמרי שכחנו מגל הסינוס. למעשה, אותו הדבר הוא שם: ניתן למדוד מתחים ופרמטרי זמן. תקופת גל סינוס אחת מוצגת באיור 15.

איור 15. פרמטרים של גל סינוס

ברור שעבור הסינוסואיד שמוצג באיור, הרגישות של ערוץ הסטיה האנכית היא 0.5 וולט / דיוו. ניתן לקבוע בקלות את שאר הפרמטרים על ידי הכפלת מספר החלוקות ב 0.5V / div.

גל הסינוס עשוי להיות אחר, שיצטרך להימדד ברגישות, למשל 5V / div. ואז במקום 1 וולט תקבל 10 וולט. עם זאת, על המסך, דמותם של שני הסינוסואידים נראית זהה לחלוטין.

העיתוי של הסינוסואיד המוצג אינו ידוע. אם נניח שמשך הסריקה הוא 5ms / div, התקופה תהיה 20ms, שתואמת לתדר של 50Hz. המספרים בתארים בציר הזמן מצביעים על שלב הסינוסואיד, אם כי זה לא חשוב במיוחד לסינוסואיד יחיד. לעתים קרובות יותר יש צורך לקבוע את מעבר השלב (ישירות באלפיות השנייה או מיקרו-שניות) לפחות בין שני אותות. הדבר נעשה בצורה הטובה ביותר בעזרת אוסצילוסקופ דו קרני. כיצד הדבר נעשה יופיע להלן.

כיצד למדוד זרם באמצעות אוסצילוסקופ

במקרים מסוימים נדרשת מדידה של גודל הזרם וצורתו. לדוגמה, זרם חילופין הזורם דרך קבל הוא לפני המתח בפרקי זמן של ¼. ואז, נגן עם התנגדות קטנה (עשיריות אוהם) כלול במעגל הפתוח. התנגדות כזו אינה משפיעה על פעולת המעגל. ירידת המתח על פני הנגד הזה תציג את צורתו וגודל הזרם הזורם דרך הקבל.

מד זרם דומה מסודר באותו אופן בערך, שייכלל בשבירת המעגל החשמלי. במקרה זה, נגדי המדידה ממוקמים בתוך מד זרם עצמו.

המעגל למדידת הזרם דרך הקבל מוצג באיור 16.

איור 16. מדידה נוכחית דרך קבל

מתח סינוסואידי של 50 הרץ עם אמפליטודה של 220 וולט מגנרטור XFG1 (קרן אדומה במסך האוסילוסקופ) מועבר למעגל הסידורי מהקבל C1 ונגד המדידה R1. ירידת המתח על פני הנגד הזה תציג את צורתו, שלבו ועוצמת הזרם דרך הקבל (קרן כחולה). איך זה ייראה על מסך האוסילוסקופ מוצג באיור 17.

איור 17. הזרם דרך הקבל מקדים את המתח בתקופה של ¼

בתדירות גל סינוס של 50 הרץ וזמן סריקה של 5 ms / Div, תקופת גל סינוס אחת אורכת 4 חלוקות לאורך ציר ה- X, וזה מאוד נוח לתצפית. קל לראות שהקרן הכחולה מקדימה את האדום בחלוקה אחת בדיוק לאורך ציר ה- X, שתואמת ל- ¼ מהתקופה. במילים אחרות, הזרם דרך הקבל לפני מתח שלב, התואם לחלוטין את התיאוריה.

כדי לחשב את הזרם דרך הקבל די להשתמש בחוק של אוהם: I = U / R. כאשר ההתנגדות של נגדי המדידה היא 0.1 אוהם, ירידת המתח לרוחבו היא 7 מגה וולט. זהו ערך המשרעת. אז הזרם המרבי דרך הקבל יהיה 7 / 0.1 = 70mA.

מדידת צורת הזרם דרך הקבל אינה משימה דחופה במיוחד, הכל ברור וללא מדידות. במקום קבל, יכול להיות עומס כלשהו: משרן, סלילה מוטורית, שלב מגבר טרנזיסטור ועוד ועוד. חשוב להשתמש בשיטה זו כדי ללמוד את הזרם, אשר במקרים מסוימים שונה בצורה בצורה משמעותית ממתח.

בוריס אלאדישקין

Comments

[#1]

אוסצילוסקופ דיגיטלי מתאים לאלה שעבורם יש חשיבות רבה לדיוק המרבי, אני לא חושב שזה תמיד הכרחי בתנאים ביתיים או תעשייתיים. עם זאת, העתיד טמון בדברים כאלה.