Принцип работы осциллографа

Осциллограф — это прибор для измерения характеристик электрических сигналов во времени. Его используют радиолюбители, мастера сервисов по ремонту электроники и т. д. Принцип работы осциллографа заключается в ступенчатом анализе поступающего сигнала. Ниже мы более подробно рассмотрим особенности функционирования прибора.

Принцип работы осциллографа

Прежде чем изучить принцип действия осциллографа, следует ознакомиться с конструкцией устройства. Мы рассмотрим общие конструктивные особенности цифровых агрегатов, т. к. они в настоящий момент более распространены. 

Независимо от типа, важными частями конструкции осциллографа являются:

• усилитель и делитель напряжения;
• аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);
• контроллер;
• запоминающее устройство;
• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
• экран;
• органы управления (кнопки, USB-разъёмы и т. д.).

Принцип работы осциллографа основан на преобразовании электрического сигнала в аналоговый или цифровой. В последнем случае алгоритм будет следующим:

1. Входное напряжение проходит через усилитель с делителем, преобразуется с помощью АЦП в дискретную последовательность кодов.
2. Мгновенные значения напряжения отображаются в кодах, а затем записываются в ОЗУ. Во время записи все предыдущие отсчёты сдвигаются на одну ячейку. Процедура продолжается до тех пор, пока не будет выполнено заданное пользователем условие.
3. После того, как условие выполнено, содержимое ячеек ОЗУ переписывается в запоминающее устройство.
4. На экране начинает появляться рисунок сигнала. Появление изображения связано с тем, что каждой ячейке запоминающего устройства соответствует точка на экране, отличающаяся по цвету от фона.

Представленное описание принципов действия осциллографа является упрощенным.

Основные параметры

При рассмотрении принципа действия осциллографа обязательно нужно упомянуть о его характеристиках. Параметры оборудования крайне важны для изучения сигналов. Основные характеристики измерительного прибора:

• Полоса пропускания. Это рабочий диапазон частот, в котором спад АЧХ не превышает 3 дБ относительно опорной частоты. На опорной частоте спад АЧХ отсутствует.
• Неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).
• Нелинейность амплитудной характеристики усилителей.
• Параметры выходов. Обязательно указывается сопротивление с входной ёмкостью.
• Форма сигнала, т. е. синусоида, пилообразные импульсы, прямоугольные импульсы, единичные выбросы и т. д.
• Длительность импульса или ширина. Обозначается в мс или мкс.

Характеристики неисправного обследуемого оборудования всегда отличаются от тех, что указаны в заводском паспорте. Именно эта особенность электрических сигналов позволяет быстро диагностировать неполадку, используя осциллограф.

Области применения и методика измерения

Осциллографы используются во многих областях промышленности. Их применяют для диагностики блоков питания, преобразователей, при ремонте мобильных телефонов, на телевидении для настройки поступающего сигнала, при разработке электроаппаратуры и т. д. Рассматривая принципы работы осциллографа, важно изучить методики измерения. Всего их 4:

1. Измерение напряжения. Процедура осуществляется в режиме линейной развертки. Генератор подключается к измеряемому устройству. Обычно одна из точек подключения выступает в качестве «земли», но это правило не является обязательным. Значения напряжения измеряются от пика до пика. Как только напряжение получено, другие параметры можно определить с помощью простейших расчетов.
2. Измерение времени и частоты. Для этой процедуры применяется горизонтальная шкала устройства. Прибор замеряет длительность и период импульсов, а частота — обратная периоду величина.
3. Измерение продолжительности импульса и длительности нарастания фронта. Искаженные импульсы — одна из распространенных причин неправильной работы электрических схем. Для запуска этого алгоритма измерения необходимо точно настроить прибор. Особенно важно правильно использовать режимы удержания запуска и функцией растяжки по горизонтали (для просмотра мелких деталей коротких импульсов).
4. Измерение сдвига по фазе. Прибор анализирует разницу синхронизации между двумя одинаковыми сигналами. Один сигнал подается на систему вертикального отклонения устройства, а второй — на систему горизонтального отклонения устройства.

Не стоит забывать и о прочих измерительных технологиях, применяемых в современных типах оборудования. С их помощью можно настроить прибор для захвата быстротекущих процессов на производстве, тестирования электронных компонентов и т. д.

Типы осциллографов

После того, как мы выяснили для чего нужен осциллограф, настало время разобраться в его классификациях. Измерительное оборудование подразделяют непосредственно по алгоритмам работы. Основных типов осциллографов 7:

1. Аналоговые. Именно с этих устройств и началось анализа сигналов. Аналоговый осциллограф — это прибор для быстрого измерения электрических сигналов средней частоты. Главным плюсом оборудования этого типа является низкая стоимость, поэтому у многих начинающих радиолюбителей есть аналоговая измерительная техника. В университетах и в современных лабораториях их практически не используют. Основные узлы устройства:
     a. делитель входного сигнала;
     b. схема синхронизации и отклонения горизонтальной плоскости;
     c. лучевая трубка;
     d. блок питания.
2. Цифровые запоминающие. Это оборудование выделяется не только возможностью сохранения данных. Цифровые устройства способны производить глубокий анализ поступающей информации, поэтому их стоимость во много раз больше, чем аналоговой техники. После настройки, они смогут записывать поступающие информацию в цифровом формате. Сигнальные данные более устойчиво отображаются на мониторе. К итоговому результату пользователь может применить масштабирование или другие функции. Примеры запоминающих осциллографов: TBS1202B-EDU Tektronix, R&S RTC1002+RTC-B221, TBS2074 Tektronix. Основные компоненты прибора:
     a. делитель входного сигнала;
     b. усилитель нормализации;
     c. аналого-частотный преобразователь;
     d. устройства вывода и ввода информации;
     e. запоминающее устройство.
3. Цифровые люминофорные. Эта техника отличается высокой стоимостью. За точность измерений в этом приборе отвечает цифровой люминофор. Данные, поступающие в прибор, обрабатываются параллельно, поэтому сигнал отображается в особом виде. При записи устройство создает очень много снимков. Благодаря этой особенности, операторы смогут быстро обнаружить редкие сигнальные явления. Примеры люминофорных осциллографов: R&S RTM3004+RTM-B243, Tektronix DPO75002SX, Tektronix DPO73304DX.
4. Цифровые стробоскопические. Работа техники этого типа строится на эффекте последовательного сигнального стробирования. Устройство последовательно выбирает множество точек за несколько заданных временных периодов, а после воссоздает исходную форму волны. Стробоскопические приборы применяются в лабораториях для изучения высокочастотных повторяющихся сигналов с частотой дискретизации превышающей частоту дискретизации измерительного оборудования. Такая техника очень дорогая. Ее рабочая частота выше 50 Гц. Примером стробоскопического осциллографа является DSA8300 Tektronix. Его рабочая частота около 80 ГГц.
5. Портативные. В настоящее время наблюдается тенденция к уменьшению схем измерительного оборудования, поэтому появились компактные модели устройств для исследования сигналов. Они отличаются минимальной погрешностью измерений, хорошей автономностью и малыми габаритами, потому часто становятся спутниками мобильных электронщиков. Примеры портативной техники для проведения измерений: R&S RTH1002, R&S RTC1002+RTC-B222, R&S RTH1004-B244.
6. Комбинированные или смешанных сигналов. Отличительной особенностью приборов является наличие анализатора спектра. С его помощью можно проводить более сложное исследование электрических схем, путем оценки сигнальных гармоник. Примеры комбинированного оборудования: MSO2014B Tektronix, Tektronix MSO72504DX, R&S RTC1002+, RTC-B223.

Заключение

Принцип работы осциллографа заключается в анализе электрического сигнала путем ступенчатого преобразования. При выборе осциллографов важным критерием является тип предстоящих работ. Измерительное оборудование необходимо подбирать к виду сигналов, с которыми вы собираетесь работать.