Зачем нужен осциллограф в домашних условиях. Существуют даже осциллографы, соединенные с другими измерительными приборами в одном корпусе. Такая комбинация позволяет быстро и эффективно получить массу полезных сведений о сигнале. Ну, основные понятия рабо

Рано или поздно любой начинающий электронщик, если не бросит свои эксперименты, то дорастет до схем, где нужно отслеживать не просто токи и напряжения, а работу схемы в динамике. Особенно это часто нужно в различных генераторах и импульсных устройствах. Вот тут без осциллографа делать нечего!

Страшный прибор, да? Куча ручек, каких то кнопочек, да еще экран и нифига не понятно что тут да зачем. Ничего, сейчас исправим. Сейчас я тебе расскажу как пользоваться осциллографом.

На самом деле тут все просто — осциллограф, грубо говоря, это всего лишь… вольтметр ! Только хитрый, способный показывать изменение формы замеряемого напряжения.

Как всегда, поясню на отвлеченном примере

Представь, что ты стоишь перед железной дорогой, а мимо тебя с бешеной скоростью мчится бесконечный поезд состоящий из совершенно одинаковых вагонов. Если просто на них стоять и смотреть, то ничего кроме размытой фигни ты не увидишь.

А теперь ставим перед тобой стенку с окошком. И начинаем открывать окошко только тогда, когда очередной вагон будет в том же положении, что и предыдущий. Так как у нас вагоны все одинаковые, то тебе совершенно необязательно видеть один и тот же вагон. В результате картинки разных, но идентичных вагонов будут выскакивать перед твоими глазами в одном и том же положении, а значит картинка как бы остановится. Главное это синхронизировать открытие окошка со скоростью поезда, чтобы при открытии положение вагона не менялось. Если скорость не совпадет, то вагоны будут “двигаться” либо вперед, либо назад со скоростью, зависящую от степени рассинхронизации.

На этом же принципе построен стробоскоп — девайс, позволяющий разглядывать быстро движущиеся или вращающиеся хреновины. Там тоже шторка быстро-быстро открывается и закрывается.

Так вот, осциллограф это тот же стробоскоп, только электронный. А показывает он не вагоны, а периодические изменения напряжения. У той же синусоиды, например, каждый следующий период похож на предыдущий, так почему бы не “остановить” его, показывая в один момент времени один период.

Конструкция осциллографа

Делается это посредством лучевой трубки , отклоняющей системы и генератора развертки.

В лучевой трубке пучок электронов попадая на экран заставляет светится люминофор, а пластины отклоняющей системы позволяют гонять этот пучок по всей поверхности экрана. Чем сильней напряжение, приложенное к электродам, тем больше отклоняется пучок. Подавая на пластины Х пилообразное напряжение мы создаем развертку . То есть луч у нас движется слева-направо, а потом резко возвращается обратно и продолжает снова. А на пластины Y мы подаем изучаемое напряжение.

Принцип работы осциллографа

Дальше все просто, если начало появления периода пилы (луч в крайне левом положении) и начало периода сигнала совпадают, то за один проход развертки нарисуется один или несколько периодов измеряемого сигнала и картинка как бы остановится. Меняя скорость развертки можно добиться того, что на экране вообще останется только один период - то есть за один период пилы пройдет один период измеряемого сигнала.

Синхронизация

Синхронизировать пилу с сигналом можно либо вручную, подстраивая ручкой скорость так, чтобы синусоида остановилась, а можно по уровню . То есть мы указываем при каком уровне напряжения на входе нужно запустить генератор развертки. Как только напряжение на входе превысит уровень, так сразу же запустится генератор развертки и выдаст нам импульс.

В итоге, генератор развертки выдает пилу только тогда, когда надо. В этом случае синхронизация получается полностью автоматической. При выборе уровня следует учитывать такой фактор, как помехи. Так что если взять слишком низкий уровень, то мелкие иголки помех могут запустить генератор когда не нужно, а если взять уровень слишком большой, то сигнал может под ним пройти и ничего не случится. Но тут проще покрутить ручку самому и сразу же все станет понятно.

Также сигнал синхронизации можно подать и с внешнего источника.

Итак, в топку теорию, переходим к практике

Показывать буду на примере своего осциллографа, спертого когда то давно с оборонного предприятия КБ “Ротор” :). Обычный осцил, не шибко навороченный, но надежный и простой как кувалда.

Итак:

Яркость, фокус и освещение шкалы думаю не требуют пояснений. Это настройки интерфейса.

Усилитель У и стрелочки вверх вниз. Эта ручка позволяет гонять изображение сигнала вверх или вниз. Добавляя ему дополнительное смещение. Зачем? Да иногда не хватает размера экрана, чтобы вместить весь сигнал. Приходится его загонять вниз, принимая за ноль не середину, а нижнюю границу.

Ниже идет тумблер переключающий ввод с прямого, на емкостный. Этот тумблер в том или ином виде есть на всех без исключения осциллографах. Важная вещь! Позволяет подключать сигнал к усилителю либо напрямую, либо через конденсатор. Если подключить напрямую, то пройдет и постоянная составляющая и переменная. А через кондер проходит только переменная.

Например, надо нам посмотреть на уровень помех блока питания компа. Напряжение там 12 вольт, а величина помех может быть не более 0.3 вольт. На фоне 12 вольт эти жалкие 0.3 вольт будут совсем незаметны. Можно, конечно увеличивать коэффициент усиления по Y, но тогда график вылезет за экран, а смещения по Y не хватит, чтобы увидеть вершину. Тогда нам нужно лишь врубить конденсатор и тогда те 12 вольт постоянки осядут на нем, а в осциллограф пройдет только переменный сигнал, те самые 0.3 вольта помехи. Которые можно усилить и разглядеть в полный рост.

Далее идет коаксиальный разъем подключения щупа. Каждый щуп содержит в себе сигнал и землю. Землю обычно сажают на минус или на общий провод схемы, а сигнальным тычут по схеме. Осциллограф показывает напряжение на щупе относительно общего провода. Чтобы понять где сигнальный, а где земля достаточно взять за них рукой по очереди. Если возьмешься за общий, то на экране по прежнему будет пульс трупа. А если взяться за сигнальный, то увидишь кучу срача на экране - наводки на твое тело, служащее в данный момент антенной. На некторых щупах, особенно на современных осциллографах, внутри встроен делитель напряжения 1:10 или 1:100, который позволяет воткнуть осциллограф хоть в розетку, без риска его спалить. Включается и выключается он тумблером на щупе.

Еще почти на каждом осциллографе есть калибровочный выход. На котором ты всегда можешь найти прямоугольный сигнал частотой 1Кгц и напряжением около полувольта. В зависимости от модели осцила. Используется для проверки работы самого осциллографа, ну иногда и в тестовых целях пригождается:)

Две здоровенные крутилки Усиление и Длительность

Усиление служит для масштабирования сигнала по оси Y. Там же показано сколько вольт на деление в итоге покажет.

Скажем, если у тебя стоит 2 вольта на деление, а сигнал на экране достигает высоты две клеточки размерной сетки, значит амплитуда сигнала равна 4 вольта.

Длительность определяет частоту развертки. Чем короче интервал, чем больше частота, тем более высокочастотный сигнал ты сможешь разглядеть. Тут клеточки проградуированы уже в милли и микросекундах. Так что по ширине сигнала ты можешь посчитать сколько он клеток, а умножив его на масштаб по оси Х получишь длительность сигнала в секундах. Также можно посчитать длительность одного периода, а зная длительность легко найти частоту сигнала f=1/t

Верхняя пипка на крутилках позволяет менять масштаб плавно. Обычно у меня она стоит на щелчке, чтобы я всегда четко знал какой у меня масштаб.

Также там есть вход Х на который можно подать свой сигнал, вместо пилы развертки. Таким образом осциллограф может послужить телевизором или монитором, если собрать схему которая будет формировать изображение. Крутилка с надписью Развертка и стрелочками влево и вправо позволяет гонять график по экрану влево и вправо. Удобно иногда бывает, чтобы подогнать нужный участок под деления сетки.

Блок синхронизации

Ручка уровня - задает уровень от которого будет стартовать генератор пилы.

Переключатель со внутренней на внешнюю, позволяет подать на вход синхроимпульсы с внешнего источника.

Переключатель с надписью +/- переключает полярность уровня. Есть не на всех осциллографах.

Ручка стабильность - позволяет вручную попытаться подобрать скорость синхронизации.

Быстрый старт

Итак, включил ты осцил. Первое что нужно сделать это замкнуть сигнальный щуп на свой же земляной крокодил. При этом на экране должен появится “Пульс трупа”. Если не появился, то покрути ручки стабилизации и смещений и уровня — возможно он просто спрятался за экран или не запустился из-за недостаточного уровня.

Как только появилась полоса, то выстави крутилками смещения её на ноль. Если у тебя , особенно если древний, то дай ему прогреться. У моего после включения ноль плавает еще минут пятнадцать.

Дальше выстави предел измерений по напряжению. Бери с запасом, если что уменьшишь. Теперь если земляной провод осциллографа приложишь к минусу батарейки, а сигнальный к плюсу, то увидишь как график скакнет на полтора вольта. Кстати, старые осциллографы зачастую начинают подвирать, поэтому по эталонному источнику напряжения полезно посмотреть насколько точно он отображает напряжение.

Выбор осциллографа

Если ты только начал, то тебе подойдет любой. Крайне желательно если он будет двухканальным. То есть у него будет два щупа и две крутилки Усиления, для первого и второго канала, что позволяет одновременно получить два графика.

Вторым по важности критерием осциллографа является частота. Максимальная частота сигнала которую он может уловить. Мне пока хватало 1МГц на большее не замахивался. Те осциллографы, что продаются в магазинах уже имеют частоту от 10МГц и выше. Самый дешевый осциллограф который я видел стоил 5 тысяч рублей — ОСУ-10. Двухканальный стоит уже 10 тысяч, ну а я нацелился взял себе цифровой RIGOL DS1042CD за килобакс. Разные запросы - разные игрушки. Но, повторюсь, для начала хватит и 1МГц, и хватит надолго. Так что найди себе хоть какой нибудь осциллограф. А там поймешь что тебе надо.

Попробуем разобраться в том, какую роль играет полоса пропускания, чувствительность и память осциллографа при измерениях, в каких случаях лучше использовать аналоговые и цифровые, двухканальные и двухлучевые осциллографы, а когда вместо современного стационарного цифрового или портативного осциллографа достаточно иметь под рукой старый советский прибор? Ответы на эти и другие вопросы, а также все типовые заблуждения, связанные с этими приборами, вы найдете в нашей подборке - 20 самых важных характеристик осциллографов!

Когда мы говорим «осциллограф», то представляем себе прибор, на лицевой панели которого расположен экран, отображающий графики входных электрических сигналов (амплитудные и временных характеристики). Однако поскольку видов этих сигналов «великое множество», очевидно, что не может быть одного универсального прибора, способного адекватно показать все. Поэтому, выбирая осциллограф, нужно ориентироваться во всех разновидностях этого «многоликого» по областям применения прибора, чтобы выбрать именно тот, который подходит для решения стоящих перед вами задач. И здесь немудрено запутаться или упустить какие-то моменты, что может привести к покупке «ненужного чуда» электронной техники. А чтобы не попасть впросак, стоит прислушаться к отзывам опытных практиков, помогающим системно подойти к своим запросам и сделать действительно безошибочный выбор. Далее разбираются основные параметры и технические характеристики осциллографов.

1. Чем хорош двухлучевой осциллограф?

Двухлучевой осциллограф позволяет двумя лучами одновременно наблюдать на общей временной развертке два независимых процесса. Двухканальный осциллограф содержит электронный коммутатор, коммутирующий либо намного чаще, чем частота процесса, либо намного реже, чем частота процесса два процесса на один луч. При этом получается, как бы два луча, но график отображается «кусками, хотя, если частота коммутации выбрана верно, то визуально это не заметно. Все это верно до тех пор, пока исследуются строго периодические процессы. Если же процессы импульсные или не строго периодические (форма сигнала отличается в разных периодах или период меняется), качественно наблюдать два таких процесса на двухканальном однолучевом осциллографе невозможно, потому что в каждый момент времени мы видим только кусочек одного процесса. В принципе двухлучевой осциллограф, конечно, намного лучше однолучевого двухканального. У двухлучевого есть и недостаток: вертикальная развертка каждого луча линейна в своей половине экрана, верхнего - в верхней, нижнего - в нижней. При попытке использовать весь экран одним лучом нас ждет разочарование - отклонение луча у двухлучевой ЭЛТ в «чужой» половине экрана существенно нелинейно.

2. Ограничения двухканального (многоканального) осциллографа

Двухканальный (многоканальный) осциллограф отличается от двухлучевого (многолучевого) тем, что у него одновременное наблюдение разных сигналов обеспечивается быстрым переключением с одного канала на другой, т. к. применяется однолучевая трубка. Из-за чего на высоких скоростях развертки он «рвет» сигналы на экране. Двухлучевой (многолучевой) - имеет трубку с несколькими лучами, поэтому он сигналы не «рвет», но стоит обычно дороже.

3. Любой осциллограф - это не измерительный, а наблюдательный прибор

Хотя в цифровых осциллографах используются также измерительные функции (можно, например, проводить измерения амплитуды сигнала и т. д.). У аналоговых осциллографов погрешность по экрану 5-10%. Цифровые, к которым относятся также USB-осциллографы, вроде более точные, но есть такое понятие, как «Вертикальное разрешение». Например, у типового USB-осциллографа - указано 9 бит вертикального разрешения (реально часто - 8 бит). Это значит, что входной сигнал, надо поделить на 2 в 8-й степени, то есть на 256, что при входном сигнале 10 В даст ступеньку в 0,4 В.

4. Цифровой или аналоговый осциллограф?

Выбор «цифровой или аналоговый осциллограф» зависит от характера исследуемых процессов. Цифровой имеет память, широчайшие возможности рассматривать уже зарегистрированные кратковременные сигналы (есть возможность делать их скриншоты), цветной дисплей (что очень способствует восприятию информации), множество способов синхронизации, некоторые возможности обработки сигнала. У аналогового - наименьшие искажения наблюдаемого сигнала, что обычно приводится как основной довод в их пользу. Других, более серьезных доводов обычно не приводят.

5. Цифровой осциллограф не покажет ВЧ импульсы

Еще одна особенность цифровых осциллографов: для наблюдения непрерывного сигнала, и для того, чтобы сильно не увеличивать частоту дискретизации (квантования) по времени (а это необходимо из-за того, что точных быстродействующих АЦП пока еще мало, а то и вовсе нет для решения каких-то задач), часто используются для обработки численные методы (аппроксимация, интерполяция, экстраполяция). Современные микроконтроллеры довольно просто с этой задачей справляются. Но в результате мы видим не настоящий сигнал, а эрзац-сигнал, полученный в результате обработки точечных отсчетов численными методами. То есть мы можем не увидеть на сигнале «иглы» высокочастотных импульсных помех, которые будут прекрасно видны на аналоговом осциллографе.

6. Цифровой осциллограф умеет запоминать сигналы

У цифрового осциллографа дополнительное удобство - он может запоминать сигнал и выводить его на экран в увеличенном масштабе (функция экранной лупы). А также достаточно просто реализуются функции автонастройки на сигнал и измерение параметров сигнала (но это уже в дорогих моделях). Еще одно важное достоинство - просмотр или предварительное (возможно и полное) декодирование промышленных протоколов.

Цифровой осциллограф работает на принципе преобразования аналогового (т. е. непрерывного) сигнала в цифровой (т. е. дискретный) со всеми вытекающими отсюда последствиями:

• Для того чтобы передать сигнал как можно точнее, частота дискретизации должна быть намного выше частоты измеряемого сигнала. Т. е. чем больше дискретных отсчетов в единицу времени, тем более непрерывным будет отображение сигнала и более точным его воспроизведение на экране.
• Дискретизация по уровню измеряемого сигнала (как правило, это напряжение). Чтобы его как можно точнее измерить, надо иметь хорошую дискретизацию по уровню. Допустим, мы имеем АЦП 8-бит. Теоретически он дает 256 уровней сигнала. Т. е. сигнал с амплитудой 10 В он может перевести в цифровой код с точностью 0,04 В, а если у АЦП 10 разрядов (1024 уровня), то мы сможем наблюдать этот же сигнал с точностью 0,01 В (правда, на самом деле точность будет ниже, из-за погрешности самого АЦП).
• Многолучевым цифровой осциллограф в принципе быть не может.
• Интерфейс для связи с компьютером имеют не только цифровые, но и многие аналоговые осциллографы.

8. Объем памяти цифрового осциллографа

Объем памяти выборок (в английской технической документации используются термины Record Length - длина записи или Memory Depth - глубина памяти) - третья ключевая характеристика цифровых осциллографов, наряду с полосой пропускания и частотой оцифровки. Суть в том, что это память, работающая на частоте оцифровки. Ее нехватка приводит к тому, что на медленных развертках осциллограф вынужден снижать частоту оцифровки во избежание переполнения памяти. Хотя есть «кривые» попытки обойти эту проблему, например, использованием пик-детектора. Если памяти выборок много (от 1 Мегасемплов), то это производителем специально подчеркивается, а если мало, то всячески замалчивается. Или приводится большой объем памяти, но оказывается, что это просто ОЗУ встроенного процессора, а не быстрая память выборок. Допустим, частота выборок - 500 мегавыборок в секунду (полоса пропускания - 50 МГц, 10 выборок на период). Смотрим сигнал 50 Гц (период 20 мс). За это время осциллограф сделает 10 000 000 выборок. С 8-битным АЦП ему надо запомнить 1 байт на выборку. Итого, чтобы зарисовать этот период, ему нужно либо 10 Мб памяти, либо снижать частоту выборок.

9. «Короткая и длинная» память в цифровом осциллографе

Короткая и длинная память - это «закон сохранения энергии в осциллографе». Если вы используете максимальную частоту дискретизации то у вас «короткая память» будет (извините за выражение), если же частота дискретизации будет в два раза меньше - то у вас память будет «ого-го». Если нужно посмотреть пачку импульсов - используете большую память, если периодический, но высокочастотный сигнал (тем более меандр), то тогда более важна частота дискретизации.

10. Время нарастания входного сигнала

Показатель «Время нарастания входного сигнала» - чем меньше, тем лучше. Это значит, что меньше будет «отгрызаться» начало первого сигнала на экране при внутренней синхронизации, и тем лучше частотные свойства осциллографа.

Считается, что для наблюдения цифровых сигналов полоса пропускания осциллографа должна быть в несколько раз выше частоты сигнала (хотя бы втрое), иначе прямоугольный сигнал превращается в «квазисинусоиду» (то есть «заваливаются» фронты). И частота дискретизации должна быть выше хотя бы раз в десять (некоторые даже считают, что это соотношение должно быть не менее 1:20).

12. Как связаны шумы и погрешность Разрешение экрана

Чем выше разрешение экрана, тем больше детализация. Выбирайте разрешение не менее 640 точек по горизонтали и не менее 480 точек по вертикали, многие современные относительно недорогие осциллографы уже имеют такие экраны. Экран должен быть цветным и с малой инерционностью. Черно-белые экраны с большой инерционностью - прошлый век.

13. Как связаны шумы и погрешность Когда нужен осциллограф с логическим анализатором?

Современная прикладная электроника - это в большинстве случаев «смесь цифры с аналогом». Расшифровка протоколов здесь не главное (хотя и не без нее). Но вот, допустим, имеем сигнал ШИМ, который в свою очередь может перейти во что угодно - ток, напряжение, температуру, магнитное поле, обороты и т. д. и т. п. Регулирование этих величин, допустим, выполняется с помощью микроконтроллера посредством какого-либо ПИД-регулятора. Как отрабатывать все тонкости этих процессов? Вот тут и придет на помощь встроенный в осциллограф логический анализатор. Конечно, все то же самое можно делать и отдельным анализатором, и синхронизировать его с аналоговыми сигналами. Но все это вы будете видеть на разных мониторах и засечь, что и после чего изменяется «от цифры в аналоге» уже будет очень неудобно и непродуктивно.

Таким образом, если вы собираетесь рассматривать цифровой и аналоговый сигналы одновременно, например, цифровой сигнал зависит (синхронизирован) от аналогового или наоборот, то лучшим решением будет осциллограф с логическим анализатором на борту или хотя бы с возможностью докупить логический анализатор позже (но нужно, чтобы у покупаемого осциллографа была такая опция). Отдельный логический анализатор удобен для работы с чистой цифрой.

14. Как связаны шумы и погрешность Как связаны шумы и погрешность осциллографа с разрешением экрана?

Шумы осциллографа не имеют никакого отношения к разрешению экрана. Точно так же и погрешность осциллографа не имеет никакого отношения к разрешению экрана.

15. Эквивалентный режим

Эквивалентный режим используется только для периодических сигналов. Он позволяет повысить частоту дискретизации в десятки раз. Суть в том, что друг за другом делается не одна запись сигнала, а много, но каждый раз с небольшим смещением. Поскольку сигнал все время одинаковый (периодический), потом полученные записи накладывают друг на друга, и получают запись с как-бы очень высокой частотой оцифровки, например 50 ГГц, хотя реальная частота оцифровки была обычная, например 500 МГц. Для однократных сигналов не годится.

16. Режим сегментированной памяти

Некоторые цифровые осциллографы имеют режим сегментированной памяти. То есть их можно оставить работать хоть на неделю, но они будут записывать не весь сигнал, а только его часть, форма которой задается через меню, например, только короткие пики. Таким образом, ни один пик не будет пропущен и будет записан с нужной (высокой) частотой дискретизации. А потом все записанные сегменты (кусочки сигнала) можно разом просмотреть.

17. Минусы портативных осциллографов

У портативных приборов цены выше, а параметры хуже, это известно. В частности, «настольные» осциллографы давно «доросли» до 1-2 мегасемплов (мегабайт) памяти выборок, а у портативных эта память по-прежнему 1-40 килосемплов (килобайт).

18. Что такое мотортестер?

Для диагностики системы зажигания автомобильного двигателя используется мотортестер, представляющий собой многоканальный осциллограф (осциллограф-мультиметр с четырьмя и более каналами), с инсталлированным в нем специальным ПО. К осциллографу подключается комплект датчиков. Мотортестер отображает осциллограмму высокого напряжения системы зажигания и в реальном времени параметры импульсов зажигания, такие как пробивное напряжение, время и напряжение горения искры.

19. Что такое автомобильный диагностический сканер?

Для «общей» автодиагностики применяют диагностический адаптер или CAN-Bus автомобильный диагностический сканер, представляющий собой осциллограф смешанных сигналов - осциллограф со встроенным логическим анализатором, который, используя специальное ПО, выполняет дешифровку протоколов CAN/KWP2000/др. и трактует полученные данные. Система управления современного двигателя, отвечающего строгим нормам токсичности, в качестве главного своего элемента содержит электронный блок управления (ЭБУ). Так вот сканер предназначен именно для работы с ЭБУ, для его «сканирования». А так как сканер работает с блоком, то он позволяет:

• Наблюдать сигналы с датчиков системы, следить за их изменением во времени.
• Проверять работу исполнительных механизмов путем приведения их в действие и визуального или другого контроля.
• Считывать сохраненные системой коды неисправностей.
• Посмотреть идентификационные данные ЭБУ, системы и т. п.

20. Почему лучше не использовать осциллографы, выпущенные в СССР?

В России до сих пор продаются осциллографы, выпущенные в СССР 25-30 лет назад. Они могут привлечь внимание разве что новичков и не очень требовательных радиолюбителей. Однако опытные практики пишут на страницах интернет-форумов буквально следующее: «Ни в коем случае не советую связываться с советскими приборами, тем более осциллографами, управляемыми микропроцессором. Советские приборы утыканы сбоку и сверху подстроечниками для калибровки. Методика описана в инструкции, обычно довольно бестолковой. Перечень «пороков» советских приборов продолжают габариты, вес и высохшие электролиты».

Примечание.

При подготовке этой статьи использовались отзывы, советы и рекомендации по выбору и работе с электронными осциллографами, собранные с крупнейших отечественных и зарубежных интернет-форумов.

Осциллограф становится относительно простым в использовании прибором после первого знакомства с ним. Затруднение может вызывать лишь изучение и запоминание функции каждого из различных органов управления на передней панели, где имеется множество ручек, лимбов, переключателей, кнопок и соединителей. Для непосвященных это кажется очень трудным. Изучите назначение каждого органа управления и проследите за картинкой на экране при использовании этих ручек. В результате вы быстро все поймете. Одним из лучших способов изучения функций и методов использования осциллографа является получение по возможности большего опыта во время практической работы.

Кабели для осциллографа

Желательно использовать осциллограф двухканального типа, так как он позволяет наблюдать одновременно два отдельных сигнала. Следовательно, он имеет два входных кабеля и соединителя. Они обычно маркируются как канал 1 и 2 или А и В. Различают два основных типа кабелей - прямой и аттенюаторный.

Кабель прямого типа является коаксиальным кабелем с двумя выводами, которые обычно имеют концевую заделку в виде щупов-наконечников или посредством зажимов типа «крокодил» для подключения к схеме. В любом случае данный кабель подводит сигнал, который должен воспроизводиться на экране, напрямую (без ослабления) к осциллографу.

С аттенюаторным типом соединителя также используется коаксиальный кабель, но в общем случае применяется щуп вместо зажимов типа «крокодил». Узел щупа содержит последовательный резистор с большим сопротивлением, которое вместе с полным входным сопротивлением осциллографа формирует делитель напряжения. Таким образом, данный щуп и кабель выполняют ослабление (аттенюацию) сигнала в 10 раз.

Преимуществом такого кабеля является то, что он создает меньшую емкостную нагрузку для схем высокой частоты, позволяя визуализировать высокочастотные сигналы и сложные формы сигнала. Чтобы получить корректное измерение амплитуды сигнала, не забудьте измеренное значение умножить на 10.

Измерение амплитуды

Для амплитудных измерений используется откалиброванная или координатная сетка на экране электронно-лучевой трубки для определения числа делений между максимальными положительным и отрицательным отклонениями сигнала {такое измерение называется измерением размаха, или двойной амплитуды, сигнала).

Осциллограф визуализирует на экране синусоидальный сигнал. Это наиболее легкий и более точный метод для измерения размаха сигнала. Осциллограф позволяет видеть сигнал, а также любой шум, искажение или помехи, которые могут его сопровождать. Он может выполнять измерения напряжений сигналов с частотой до нескольких сот мегагерц.

В отличие от мультиметра осциллограф не позволяет измерить ток. Единственным способом измерить ток при помощи осциллографа является косвенный способ, а именно, надо измерить напряжение на участке цепи, преобразовать размах в эффективное значение, а затем разделить его на известное сопротивление участка цепи.

При выполнении тестов и измерений в электронике обычно является необходимым преобразование эффективных значении в значения размаха и наоборот. Эффективные (среднеквадратические, действующие) значения напряжения и тока связаны со значениями размаха (двойного амплитудного) следующими соотношениями:

где индексы: РР - размах, RMS - эффективное значение.

Измерение частоты

Для измерений частоты F на осциллографе сначала нужно измерить период Т сигнала. Период - это время одного цикла. Самый простой способ сделать это - подсчитать количество горизонтальных делений между двумя последовательными пиками сигнала. Тогда частота F= 1/Т.

Проблема заземления

Сетевой шнур осциллографа снабжен заземляющим проводом, который соединен с шасси прибора внутри корпуса. Общая точка входов и выходов (зондов, синхросигналов) также связана с шасси. В домашних электроустановках корпус соединяется с заземляющим нейтральным проводом сети.

Такой тип подключения, разработанный для безопасности пользователя, вызывает серьезную проблему при проведении измерений в схемах, прямо или косвенно связанных с сетью. К ним относятся, например, схемы на симисторах или схемы, питающиеся от устройств с конденсаторами (без трансформатора). В этих случаях существует риск короткого замыкания, которое обычно не представляет опасности, поскольку срабатывает предусмотренная защита. Однако это плохо влияет на работу осциллографа. В таком случае следует убрать соединение с нейтралью, например, подключив переходник с трехконтактной вилки на двухконтактную или модифицировав многоконтактную вилку. Не нужно отсоединять заземляющий провод от корпуса осциллографа! Необходимо подчеркнуть, что такое подключение носит временный характер и должно быть изменено после проведения работ.

След луча

Срок службы электронно-лучевой трубки осциллографа существенно сокращается, если след луча без необходимости будет иметь вид точки, расположенной в одном и том же месте (возможно выгорание люминофора в этом месте). Поэтому после каждого измерения с такой необычной настройкой нужно возвращать временную развертку в состояние, при котором след луча имеет вид прямой линии.

Влияние зонда на работу схем

Сопротивление измерительных входов осциллографа ниже, чем аналогичное сопротивление цифрового мультиметра; оно составляет около 1 МОм против 10 МОм для мультиметра. К этому сопротивлению обычно добавляется конденсатор емкостью порядка 20 пФ. Такие величины могут явиться причиной ошибок измерения и даже нарушения нормального функционирования схемы. Например, программа микроконтроллера может давать сбои при зондировании его тактовых схем (кварцевого генератора) или схемы обнуления.

Другим типичным примером является RC-цепь, особенно когда номиналы резисторов повышены. При подключении зонда может возникнуть впечатление, что конденсатор разряжен, хотя на самом деле он постоянно заряжен из-за ошибки в схеме. Иногда таймер работает только при наличии зонда осциллографа из-за вызываемого им изменения параметров. Из всего сказанного можно сделать вывод, что при любом отклонении в работе устройства, которое зондируется при помощи осциллографа, следует изучить его с помощью принципиальной схемы, чтобы выявить возможные причины сбоя.

Правильный выбор осциллографа для диагностического поста. Часть 1.

В данной статье продолжим тему комплектации диагностического поста современного автосервиса. Рассмотрим, что собой представляет осциллограф, какие задачи он способен решать, определим требования к его выбору и проведем сравнительный анализ приборов, представленных на рынке.

Что такое осциллограф

Современные автомобили оборудованы достаточно мощной системой бортовой самодиагностики. Данные, которые блоки управления выводят на сканер, позволяет получить много информации о состоянии автомобиля. Но возможности компьютерной диагностики не безграничны. Ряд узлов и агрегатов не имеют цепей обратной связи и не могут быть проконтролированы соответствующими блоками управления. Также система бортовой самодиагностики не может отличить отказ какого либо узла от дефектов проводки между ним и блоком и многое другое. Особенно это касается современных бензиновых систем непосредственного впрыска, а также дизельных систем впрыска Common Rail легкового и коммерческого транспорта, где проверка гидравлической части топливной аппаратуры весьма затруднительна. Недостоверно поставленный диагноз влечет за собой потерю репутации и крупные финансовые потери. Чтобы получить недостающую часть информации и более точно его поставить, в комплект оборудования любого бензинового и дизельного автосервисов должен входить осциллограф.

Осциллограф - это прибор, способный отображать в графическом виде изменяющееся напряжение, поступающее на его вход. В отличие от мультиметра, обладает более высоким быстродействием и способен (в зависимости от характеристик) отображать процессы, длящиеся до долей микросекунд.

Для чего нужен осциллограф

Возможности осциллографа:

1.Проверка сигналов всех датчиков.

2.Проверка сигналов управления на исполнительные механизмы (проверка выходных ключей блоков управления).

3. Проверка генератора по пульсациям.

4. Проверка работы секций ТНВД систем Common Rail.

5. Рассогласование валов (проверка ГРМ).

И ряд других замеров, которые позволяют практически с 100% уверенностью поставить правильный диагноз "подозрительному" узлу или агрегату.

Как пользоваться осциллографом.

Рассмотрим экран осциллографа (поле сигнала, необходимые кнопки) и разберем, как это работает. По горизонтали луч движется с постоянной скоростью, задаваемой пользователем. Изменяя эту скорость, мы можем "растягивать" или "сжимать" исследуемый сигнал по горизонтальной оси. Сжатие позволяет нам увидеть всю картину "в целом", за какой- то промежуток времени. Растягивая картинку, мы можем более детально рассмотреть мельчайшие детали. Данная функция носит название "Развертка по горизонтали". Кнопка ее настройки говорит нам, за какое время луч проходит одну клетку координатной сетки. Например, настроив ее на 1сек/дел, мы заставляем его проходить 1 клетку за 1 сек, и получаем достаточно "медленную" развертку. На такой развертке очень удобно смотреть медленно меняющиеся сигналы (например, сигнал педали газа и др.). Настроив развертку на 1 миллисекунду на деление (1мсек/дел) мы заставляем луч двигаться по экрану в 1000 раз быстрее. Такая развертка носит название " быстрая" и позволяет более детально рассмотреть быстро меняющиеся сигналы (например, сигнал датчика коленвала и др.).

По вертикали луч отклоняется в зависимости от величины напряжения, которое приходит на вход осциллографа. Чувствительность по вертикали говорит нам, на сколько клеток луч отклониться по вертикальной оси при подаче напряжения 1 вольт. Например, настроив вертикальную развертку на 1 вольт на деление (1в/дел), при подаче напряжения 12 вольт луч отклониться на 12 клеток. Но если мы исследуем более низкие напряжения (например, сигнал датчика детонации или лямбда - зонда), чувствительность следует поставить повыше - например, 0,1 в/дел для получения более крупного изображения.

Таким образом, основными рабочими кнопками являются кнопки горизонтальной и вертикальной разверток. Они позволяют настроить наиболее удобный для пользователя вид сигнала. От удобства их расположения зависит, сколько времени диагност потратит на настройку и насколько быстро он сможет приступить непосредственно к анализу самого сигнала. Для облегчения настроек ряд автомобильных осциллографов имеет кнопку "Предварительные (пользовательские) настройки ". В этом меню уже заложены оптимальные развертки для основных датчиков, а так же возможность создания своих личных настроек.

Приведем пример анализа полученного изображения:

В течение 2-х мс напряжение сигнала было равно 0 в. В течение последующих 4-х мс линейно возрастало до 6 в. Еще 2 мс линейно падало до 1 в.

После того, как луч закончит движение по экрану, он возвращается снова в начальную точку и процесс отображения сигналов повторяется. Здесь существует два способа этого движения:

1.Фреймовый или покадровый (от англ. слова FRAME - кадр). Экран полностью очищается, и отображение сигнала начинается в новом кадре. Чем-то напоминает фильм, снятый на кинопленку. После окончания замеров информация сохраняется в памяти и возможен повторный просмотр любого из кадров.

2. Самописец . Сигнал по экрану движется непрерывно, как бумажная лента в самописце. После окончания замеров так же сохраняется в памяти и возможен повторный просмотр любого временного промежутка.

По удобству пользования оба эти способа являются равноценными. Но у них есть общий недостаток. При просмотре периодических сигналов (например, датчиков коленвала, распредвала и им аналогичных) луч по экрану движется независимо от частоты следования измеряемых импульсов. Картинка сигнала каждый раз возникает в разных частях экрана ("плавает"). Чтобы "привязать" движение луча к сигналу, применяется режим "Синхронизация ". Запуск луча начинается только тогда, когда уровень измеряемого сигнала достигнет заданной пользователем величины (внутренняя синхронизация ), или придет запускающий импульс на специальный синхронизирующий вход (внешняя синхронизация ). В практике автомобильной диагностики внутренняя синхронизация получила большее распространение.

Если планируется сохранение записанной информации в файл для дальнейшего анализа, выкладывания в Интернете, создания эталонных библиотек и пр., существует кнопка "Запись ". На ряде осциллографов эта кнопка может быть объединена с кнопкой "Старт ".

На что следует обратить внимание при выборе осциллографа?

Удобство интерфейса

Вернемся к изображению экрана осциллографа с минимально необходимым набором элементов управления. Как мы видим, экранное поле, несущую информацию, занимает только часть всего экрана. Часть экрана занимают перечисленные выше кнопки. Перед разработчиками интерфейса стоит очень сложная задача: если сделать их большими и удобными для пользователя, они отнимают место у экранного поля. Просмотр и анализ самого сигнала затрудняется. Если сделать экранное поле большим, кнопки получаются маленькими и ими неудобно пользоваться. Поскольку разработчики программного обеспечения, как правило, не являются работниками автосервиса и привыкли работать в комфортных условиях (чистые руки, удобный компьютерный стол), выбранное ими соотношение не всегда оказывается удобным для реально работающего диагноста. Второй проблемой является желание программиста "облегчить жизнь" работнику. Но, не зная особенностей реальной работы автосервиса, программист порой перегружает интерфейс кучей дополнительных кнопок. Эти кнопки используются крайне редко, но они еще больше уменьшают площадь экранного поля и вместо облегчения работы с прибором затрудняют ее. Перегруженность интерфейса редко используемыми элементами очень сильно затрудняет работу не только новичков, но и достаточно уверенных пользователей.

Совет №1: При выборе осциллографа основное внимание обращаем на удобство и «дружественность» интерфейса.

Следующим аспектом, на который следует обратить внимание, является «Частота дискретизации». В отличие от электронно-лучевых осциллографов, современные цифровые приборы не выводят сигнал на экран непрерывно. В какой-то момент времени замеряется напряжение на входе прибора и с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) преобразуется в цифровой вид. Через какое-то время делается следующий отсчет, оцифровывается и так далее.

На верхней части рисунка показаны исходные сигналы, на нижней части - сигналы, выводимые на экран. Если отсчеты идут часто, картинка на экране почти соответствует оригиналу (левый график). Если отсчеты идут редко, картинка искажается до неузнаваемости (правый график). Параметр, характеризующий частоту следования отсчетов, носит название "Частота дискретизации".

Итак, какую частоту считать достаточной? В теории измерений считается, что частота выборок должна как минимум в 5 раз превышать максимальную частоту исследуемого сигнала. Но на практике в дело вступают законы экономики. Повышение частоты требует применения более скоростных микросхем АЦП и процессора, что резко повышает стоимость прибора в целом. Цена профессионального радиотехнического осциллографа может доходить до нескольких десятков тысяч долларов. Учитывая тот факт, что максимальные частоты автомобильных сигналов ниже, чем в телевизионной аппаратуре, осциллографы для автомобилей выделились в отдельный класс. Минимальной допустимой можно считать частоту 500 кГц, достаточной - 2 МГц.

Частота дискретизации указывается в техпаспорте на прибор в виде "Частота", либо "Количество выборок". И вот тут скрывается очень "хитрый" маркетинговый ход. Если осциллограф имеет несколько входов (лучей), не всегда уточняется, к чему относиться этот параметр - к одному или ко всем в сумме. Так же не всегда понятно, к чему относиться заявленное количество выборок. Особенно это относиться к приборам, произведенным в КНР. Разобраться в этих тонкостях порой бывает сложно даже опытному пользователю.

Совет 2: Выбираем прибор по минимальной величине горизонтальной развертки.

Для автомобильного осциллографа приемлемым можно считать, если она составляет 0,2…2,0 миллисекунды на деление. Самым высокочастотным автомобильным сигналом является сигнал шины CAN, и этой развертки достаточно для его отображения. Для остальных сигналов данная развертка (и высокая частота дискретизации) является избыточной. Приводит к увеличению объема записываемых файлов и лишнему уровню помех. Прибор с более низкой частотой имеет меньшую цену, основные сигналы выводит удовлетворительно, шину CAN может и не «увидеть».

Что такое мотортестер?

Возможности осциллографа не ограничиваются вышеперечисленными функциями. Если к нему добавить ряд дополнительных датчиков и разработать соответствующее программное обеспечение, он получает название " мотортестер". На сегодняшний день является мощным диагностическим комплексом. Позволяет проводить полную проверку систем зажигания, безразборную дефектовку двигателя и многое другое. Стандартом на мотортестеры предусмотрен необходимый набор датчиков и ПО. К сожалению, цена мотортестера, полностью соответствующего стандарту, может достигать очень больших величин. Например, (сейчас снятый с производства) прибор SNP-4000 фирмы SUN имел стоимость "всего" €38000 (была снижена до€27.000), прибор PDA-1000 - $10.000 (была снижена до $5.000).. Цена современного мотортестера Bosch FSA-720, присутствующего на рынке, около $5.000.

На смену им пришли приборы, имеющий ограниченный набор датчиков и упрощенное программное обеспечение. По стандарту они не могут называться мотортестерами и носят название "Осциллограф с функциями мотортестера". Редко используемые функции у них отсутствуют, что позволило снизить цену до приемлемого для большинства автосервисов уровня.

Рассмотрим назначение датчиков и программных модулей, входящих в их комплект.

1. Накладные датчики для проверки систем зажигания с программным модулем "Проверка зажигания". Позволяют по напряжению вторичной цепи, прикладываемого к свече зажигания полностью проверить все элементы: свечи, катушки, бронепровода и коммутатор. Имеют наборы для систем: с распределителем, с парными катушками (DIS), с индивидуальными катушками (СОР).

2. Датчик давления в цилиндре с программным модулем "Проверка фаз". Позволяет безразборным методом проверить правильность выставки фаз ГРМ и оценить состояние цилиндропоршневой группы.

3. Датчик пульсаций во впускном и выпускном коллекторах. Своего программного модуля, как правило, не имеет. Позволяет ориентировочно оценить эффективность работы каждого цилиндра, а также состояние цилиндропоршневой группы.

4. Для дизельных сервисов приборы комплектуются накладными пьезоэлектрическими датчиками. Своего программного модуля не имеют. Позволяют достаточно точно находить дефекты в элементах топливной аппаратуры.

5. Различные другие программные модули.

Отсутствие "жесткой привязки" к стандарту позволяет каждому автосервису подбирать требуемую комплектацию исходя из задач, стоящих перед ним. А также позволяет более гибко решать вопросы стоимости данного вида приборов.

Совет 3. При выборе прибора особое внимание обращаем на его программное обеспечение, наличие обновлений, вопросы технической поддержки и гарантий производителя.

Обзор и результаты тестирования данных устройств будут рассмотрены в отдельной статье.

Преподаватель Школы ИнжекторКар