categorie: Articoli in vetrina » Elettronica pratica
Numero di visite: 124786
Commenti sull'articolo: 1
Esecuzione di una misurazione dell'oscilloscopio
Un oscilloscopio digitale è, ovviamente, molto più perfetto di un convenzionale elettronico, consente di ricordare le forme d'onda, è in grado di connettersi a un personal computer, ha elaborazione matematica dei risultati, marcatori dello schermo e molto altro. Ma con tutti i vantaggi, questi dispositivi di nuova generazione presentano uno svantaggio significativo: questo è un prezzo elevato.
È lei che rende inaccessibile l'oscilloscopio digitale per scopi amatoriali, sebbene esistano oscilloscopi “tascabili” del valore di poche migliaia di rubli, che vengono venduti su Aliexpress, ma non è particolarmente conveniente usarli. Bene, solo un giocattolo interessante. Pertanto, mentre parleremo delle misurazioni utilizzando un oscilloscopio elettronico.
Sul tema della scelta di un oscilloscopio da utilizzare in un laboratorio domestico su Internet, è possibile trovare un numero sufficiente di forum. Senza negare i vantaggi degli oscilloscopi digitali, in molti forum si consiglia di optare per oscilloscopi domestici semplici, di piccole dimensioni e affidabili C1-73 e C1-101 e simili, che abbiamo incontrato in precedenza questo articolo.
Ad un prezzo abbastanza conveniente, questi dispositivi ti permetteranno di eseguire la maggior parte delle attività radio amatoriali. Nel frattempo, conosciamo i principi generali delle misurazioni utilizzando un oscilloscopio.
Figura 1. Oscilloscopio S1-73
Cosa misura un oscilloscopio
Il segnale misurato viene inviato all'ingresso del canale di deflessione verticale Y, che presenta una grande resistenza di ingresso, generalmente 1 MΩ, e una capacità di ingresso ridotta, non superiore a 40 pF, che consente di introdurre una distorsione minima nel segnale misurato. Questi parametri sono spesso indicati accanto all'ingresso del canale di deflessione verticale.
Figura 2. Oscilloscopio C1-101
Un'alta impedenza di ingresso è tipica dei voltmetri, quindi è sicuro affermare che l'oscilloscopio misura la tensione. L'uso di divisori di ingresso esterni consente di ridurre la capacità di ingresso e aumentare l'impedenza di ingresso. Riduce anche l'influenza dell'oscilloscopio sul segnale in esame.
Va ricordato che esistono speciali oscilloscopi ad alta frequenza, la cui impedenza di ingresso è di soli 50 Ohm. Nella pratica radioamatoriale, tali dispositivi non trovano applicazione. Pertanto, ci concentreremo ulteriormente su oscilloscopi universali convenzionali.
Larghezza di banda del canale Y.
L'oscilloscopio misura le tensioni in un intervallo molto ampio: dalle tensioni CC alle tensioni di una frequenza sufficientemente elevata. L'oscillazione della tensione può essere piuttosto diversa, da decine di millivolt a decine di volt e quando si utilizzano divisori esterni fino a diverse centinaia di volt.
Va tenuto presente che la larghezza di banda del canale della deviazione verticale Y db non meno di 5 volte superiore alla frequenza del segnale da misurare. Cioè, l'amplificatore della deviazione verticale deve passare almeno la quinta armonica del segnale in studio. Ciò è particolarmente necessario quando si studiano impulsi rettangolari che contengono molte armoniche, come mostrato nella Figura 3. Solo in questo caso, sullo schermo si ottiene un'immagine con una distorsione minima.
Figura 3. Sintesi di un segnale rettangolare da componenti armonici
Oltre alla frequenza fondamentale, la Figura 3 mostra la terza e la settima armonica. All'aumentare del numero di armoniche, la sua frequenza aumenta: la frequenza della terza armonica è tre volte superiore a quella fondamentale, la quinta armonica è cinque volte, la settima è sette, ecc. Di conseguenza, l'ampiezza delle armoniche superiori diminuisce: maggiore è il numero armonico, minore è la sua ampiezza. Solo se l'amplificatore del canale verticale senza molta attenuazione può perdere le armoniche superiori, l'immagine dell'impulso sarà rettangolare.
La Figura 4 mostra la forma d'onda di un meandro con larghezza di banda del canale Y insufficiente.
Figura 4
Il meandro con una frequenza di 500 KHz assomiglia a questo sullo schermo di un oscilloscopio OMSh-3M con una larghezza di banda di 0 ... 25 KHz. Come se gli impulsi rettangolari fossero passati attraverso un circuito RC integrato. Un tale oscilloscopio fu prodotto dall'industria sovietica per il lavoro di laboratorio nelle lezioni di fisica nelle scuole. Anche la tensione di alimentazione di questo dispositivo per motivi di sicurezza non era 220, ma solo 42 V. È assolutamente ovvio che un oscilloscopio con una tale larghezza di banda consentirà di osservare un segnale con frequenze non superiori a 5 kHz senza quasi nessuna distorsione.
Per un oscilloscopio universale convenzionale, la larghezza di banda è spesso 5 MHz. Anche con una tale banda, è possibile vedere un segnale fino a 10 MHz e superiore, ma l'immagine ricevuta sullo schermo consente di giudicare solo la presenza o l'assenza di questo segnale. Sarà difficile dire qualcosa sulla sua forma, ma in alcune situazioni la forma non è così importante: ad esempio, c'è un generatore di onde sinusoidali ed è sufficiente solo assicurarsi che ci sia questa onda sinusoidale o meno. Proprio una tale situazione è mostrata nella Figura 4.
I moderni sistemi informatici e le linee di comunicazione operano a frequenze molto elevate, nell'ordine di centinaia di megahertz. Per vedere tali segnali ad alta frequenza, la larghezza di banda dell'oscilloscopio deve essere di almeno 500 MHz. Una banda così ampia “espande” davvero il prezzo dell'oscilloscopio.
Un esempio è l'oscilloscopio digitale U1610A, mostrato non nella Figura 5. La sua larghezza di banda è di 100 MHz e il prezzo è di quasi 200.000 rubli. D'accordo, non tutti possono permettersi di acquistare un dispositivo così costoso.
Figura 5
Lascia che il lettore non consideri questa immagine come un annuncio pubblicitario, poiché tutte le coordinate del venditore non sono dipinte: qualsiasi immagine simile potrebbe apparire al posto di questa immagine.
Tipi di segnali studiati e loro parametri
Il tipo più comune di oscillazione in natura e tecnologia è una sinusoide. Questa è la stessa funzione longanime Y = sinX, che si svolgeva a scuola nelle lezioni di trigonometria. Molti processi elettrici e meccanici hanno una forma sinusoidale, sebbene abbastanza spesso nella tecnologia elettronica vengano utilizzate altre forme di segnali. Alcuni di essi sono mostrati nella Figura 6.
Figura 6. Forme di vibrazioni elettriche
Segnali periodici. Caratteristiche del segnale
Un oscilloscopio elettronico universale consente di studiare accuratamente i segnali periodici. Se, sull'ingresso Y, si invia un segnale sonoro reale, ad esempio un fonogramma musicale, le esplosioni a sfarfallio casuali saranno visibili sullo schermo. Naturalmente, è impossibile investigare un tale segnale in dettaglio. In questo caso, sarà utile l'uso di un oscilloscopio a memoria digitale, che consente di salvare la forma d'onda.
Le oscillazioni mostrate nella Figura 6 sono periodiche, ripetute dopo un certo periodo di tempo T. Ciò può essere considerato in maggior dettaglio nella Figura 7.
Figura 7. Fluttuazioni periodiche
Le oscillazioni sono rappresentate in un sistema di coordinate bidimensionale: lo stress viene misurato lungo l'asse delle ordinate e il tempo viene misurato lungo l'asse delle ascisse. La tensione è misurata in volt, tempo in secondi. Per le vibrazioni elettriche, il tempo viene spesso misurato in millisecondi o microsecondi.
Oltre ai componenti X e Y, la forma d'onda contiene anche l'intensità del componente Z, o semplicemente luminosità (figura 8). È lei che accende il raggio per il tempo del raggio in avanti e si spegne per il momento della corsa di ritorno. Alcuni oscilloscopi dispongono di un ingresso per il controllo della luminosità, chiamato ingresso Z. Se si applica una tensione di impulso da un generatore di riferimento a questo ingresso, è possibile visualizzare le etichette di frequenza sullo schermo. Ciò consente di misurare con maggiore precisione la durata del segnale lungo l'asse X.
Figura 8. Tre componenti del segnale studiato
Gli oscilloscopi moderni hanno, di regola, sweep calibrati nel tempo che consentono un timing preciso. Pertanto, l'utilizzo di un generatore esterno per creare tag non è praticamente necessario.
Nella parte superiore della figura 7 è un'onda sinusoidale. È facile vedere che inizia all'inizio del sistema di coordinate. Durante il tempo T (periodo), viene eseguita un'oscillazione completa. Quindi tutto si ripete, il prossimo periodo. Tali segnali sono chiamati periodici.
I segnali rettangolari sono mostrati sotto l'onda sinusoidale: meandro e impulso rettangolare. Sono anche periodici con il periodo T. La durata dell'impulso è indicata come τ (tau). Nel caso di un meandro, la durata dell'impulso τ è uguale alla durata della pausa tra gli impulsi, solo la metà del periodo T. Pertanto, il meandro è un caso speciale di un segnale rettangolare.
Dovere e tasso di dovere
Per caratterizzare gli impulsi rettangolari, viene utilizzato un parametro chiamato duty cycle. Questo è il rapporto tra il periodo di ripetizione dell'impulso T e la durata dell'impulso τ. Per il meandro, il duty cycle è uguale a due, - il valore è senza dimensioni: S = T / τ.
Nella terminologia inglese, è vero il contrario. Lì, gli impulsi sono caratterizzati dal ciclo di lavoro, il rapporto tra la durata dell'impulso e il periodo del ciclo di lavoro: D = τ / T. Il fattore di riempimento è espresso in %%. Pertanto, per il meandro, D = 50%. Si scopre che D = 1 / S, duty cycle e duty cycle sono reciprocamente inversi, sebbene caratterizzino lo stesso parametro di impulso. La forma d'onda del meandro è mostrata nella Figura 9.
Figura 9. Forma d'onda del meandro D = 50%
Qui, l'ingresso dell'oscilloscopio è collegato all'uscita del generatore funzionale, mostrato proprio qui nell'angolo inferiore della figura. E qui un lettore attento può porre una domanda: “L'ampiezza del segnale di uscita dal generatore da 1 V, la sensibilità dell'ingresso dell'oscilloscopio è 1 V / div. E lo schermo visualizza impulsi rettangolari di magnitudo 2 V. Perché? "
Il fatto è che il generatore funzionale genera impulsi rettangolari bipolari rispetto al livello 0V, approssimativamente lo stesso di una sinusoide, con ampiezze positive e negative. Pertanto, gli impulsi con un intervallo di ± 1 V vengono osservati sullo schermo dell'oscilloscopio. Nella figura seguente, cambiamo il ciclo di lavoro, ad esempio, al 10%.
Figura 10. Momento rettangolare D = 10%
È facile vedere che il periodo di ripetizione dell'impulso è di 10 celle, mentre la durata dell'impulso è di una sola cella. Pertanto, D = 1/10 = 0,1 o 10%, come si può vedere dalle impostazioni del generatore. Se si utilizza la formula per il calcolo del duty cycle, si ottiene S = T / τ = 10/1 = 1 - il valore è senza dimensioni. Qui possiamo concludere che il ciclo di lavoro caratterizza l'impulso molto più chiaramente del ciclo di lavoro.
In realtà, il segnale stesso è rimasto lo stesso della Figura 9: un impulso rettangolare con un'ampiezza di 1 V e una frequenza di 100 Hz. Sta cambiando solo il fattore di riempimento o il ciclo di lavoro, è come se qualcuno fosse più familiare e conveniente. Ma per comodità di osservazione nella Figura 10, la durata della scansione è dimezzata rispetto alla Figura 9 ed è 1ms / div. Pertanto, il periodo del segnale prende 10 celle sullo schermo, il che rende abbastanza facile verificare che il ciclo di lavoro sia del 10%. Quando si utilizza un oscilloscopio reale, la durata della scansione viene selezionata approssimativamente allo stesso modo.
Misura rettangolare della tensione di impulso
Come menzionato all'inizio dell'articolo, l'oscilloscopio misura la tensione, ad es. differenza potenziale tra due punti. In genere, le misurazioni vengono eseguite rispetto a un filo comune, a terra (zero volt), sebbene ciò non sia necessario. In linea di principio, è possibile misurare dal minimo al massimo valore del segnale (valore di picco, picco-picco). In ogni caso, i passaggi della misurazione sono abbastanza semplici.
Gli impulsi rettangolari sono spesso unipolari, tipico della tecnologia digitale. Come misurare la tensione di un impulso rettangolare è mostrato in Figura 11.
Figura 11. Misura dell'ampiezza di un impulso rettangolare
Se la sensibilità del canale di deviazione verticale è 1 V / div, allora si scopre che la figura mostra un impulso con una tensione di 5,5 V. Con una sensibilità di 0,1 V / div. La tensione sarà di soli 0,5 V, sebbene sullo schermo entrambi gli impulsi abbiano lo stesso aspetto.
Cos'altro si può vedere in un impulso rettangolare
Gli impulsi rettangolari mostrati nelle Figure 9, 10 sono semplicemente ideali perché sono sintetizzati da Electronics WorkBench. E la frequenza degli impulsi è di soli 100 Hz, pertanto non possono verificarsi problemi con la "quadratura" dell'immagine. In un dispositivo reale, ad un alto tasso di ripetizione, gli impulsi sono in qualche modo distorti, prima di tutto, vari picchi e scoppi appaiono a causa dell'induttanza di installazione, come mostrato nella Figura 12.
Figura 12. Impulso rettangolare reale
Se non si presta attenzione a tali "sciocchezze", l'impulso rettangolare appare come quello mostrato nella Figura 13.
Figura 13. Parametri di un impulso rettangolare
La figura mostra che i bordi iniziale e finale dell'impulso non appaiono immediatamente, ma hanno dei tempi di salita e discesa e sono leggermente inclinati rispetto alla linea verticale. Questa pendenza è dovuta alle proprietà di frequenza dei microcircuiti e dei transistor: maggiore è il transistor ad alta frequenza, minore è il "fronte" degli impulsi. Pertanto, la durata dell'impulso è determinata dal livello del 50% dell'intero intervallo.
Per lo stesso motivo, l'ampiezza dell'impulso è determinata dal livello del 10 ... 90%. La durata dell'impulso, così come la tensione, viene determinata moltiplicando il numero di divisioni della scala orizzontale per il valore di divisione, come mostrato nella Figura 14.
Figura 14
La figura mostra un periodo di un impulso rettangolare, leggermente diverso dal meandro: la durata di un impulso positivo è di 3,5 divisioni della scala orizzontale e la durata della pausa è di 3,8 divisioni. Il periodo di ripetizione dell'impulso è di 7,3 divisioni. Tale immagine può appartenere a diversi impulsi diversi con frequenze diverse. Tutto dipenderà dalla durata della spazzata.
Supponiamo una durata della scansione di 1 ms / div. Quindi il periodo di ripetizione dell'impulso è 7,3 * 1 = 7,3 ms, che corrisponde a una frequenza di F = 1 / T = 1 / 7,3 = 0,1428 KHz o 143 Hz. Se la durata della scansione è 1 µs / div, la frequenza risulterà essere mille volte più alta, ovvero 143 KHZ.
Utilizzando i dati in Figura 14, non è difficile calcolare il ciclo di lavoro a impulsi: S = T / τ = 7,3 / 3,5 = 2,0857, risulta quasi come un meandro. Ciclo di funzionamento Ciclo di funzionamento D = τ / T = 3,5 / 7,3 = 0,479 o 47,9%. Va notato che questi parametri non dipendono in alcun modo dalla frequenza: il duty cycle e il duty cycle sono stati calcolati semplicemente dalle divisioni sulla forma d'onda.
Con impulsi rettangolari, tutto sembra essere chiaro e semplice. Ma ci siamo completamente dimenticati dell'onda sinusoidale. In effetti, la stessa cosa è lì: puoi misurare tensioni e parametri temporali. Un periodo di onda sinusoidale è mostrato nella Figura 15.
Figura 15. Parametri sinusoidali
Ovviamente, per la sinusoide mostrata in figura, la sensibilità del canale di deflessione verticale è 0,5 V / div. I restanti parametri possono essere facilmente determinati moltiplicando il numero di divisioni per 0,5 V / div.
L'onda sinusoidale può essere un'altra, che dovrà essere misurata con sensibilità, ad esempio 5 V / div. Quindi invece di 1 V ottieni 10 V. Tuttavia, sullo schermo, l'immagine di entrambi i sinusoidi sembra esattamente la stessa.
La tempistica della sinusoide mostrata non è nota. Se assumiamo che la durata della scansione sia di 5 ms / div, il periodo sarà di 20 ms, che corrisponde a una frequenza di 50Hz. I numeri in gradi sull'asse temporale indicano la fase della sinusoide, sebbene ciò non sia particolarmente importante per una singola sinusoide. Più spesso è necessario determinare lo sfasamento (direttamente in millisecondi o microsecondi) almeno tra due segnali. Questo è fatto al meglio con un oscilloscopio a due raggi. Di seguito verrà mostrato come.
Come misurare la corrente con un oscilloscopio
In alcuni casi, è richiesta la misurazione della grandezza e della forma della corrente. Ad esempio, la corrente alternata che fluisce attraverso un condensatore è in anticipo della tensione di ¼ di periodo. Quindi, una resistenza con una piccola resistenza (decimi di Ohm) è inclusa nel circuito aperto. Tale resistenza non influisce sul funzionamento del circuito. La caduta di tensione attraverso questo resistore mostrerà la forma e l'entità della corrente che fluisce attraverso il condensatore.
Un amperometro di calibro simile è disposto approssimativamente nello stesso modo, che sarà incluso nell'interruzione del circuito elettrico. In questo caso, la resistenza di misurazione si trova all'interno dell'amperometro stesso.
Il circuito per misurare la corrente attraverso il condensatore è mostrato nella Figura 16.
Figura 16. Misura della corrente attraverso un condensatore
Una tensione sinusoidale di 50 Hz con un'ampiezza di 220 V dal generatore XFG1 (raggio rosso sullo schermo dell'oscilloscopio) viene fornita al circuito seriale dal condensatore C1 e dalla resistenza di misura R1. La caduta di tensione attraverso questo resistore mostrerà la forma, la fase e l'ampiezza della corrente attraverso il condensatore (raggio blu). Come apparirà sullo schermo dell'oscilloscopio è mostrato in Figura 17.
Figura 17. La corrente attraverso il condensatore è in anticipo rispetto alla tensione di ¼ di periodo
Con una frequenza dell'onda sinusoidale di 50 Hz e un tempo di scansione di 5 ms / Div, un periodo di onda sinusoidale prende 4 divisioni lungo l'asse X, il che è molto comodo per l'osservazione. È facile vedere che il raggio blu è davanti al rosso esattamente di 1 divisione lungo l'asse X, che corrisponde a ¼ del periodo. In altre parole, la corrente attraverso il condensatore è in anticipo rispetto alla tensione di fase, che è pienamente coerente con la teoria.
Per calcolare la corrente attraverso il condensatore, è sufficiente usare la legge di Ohm: I = U / R. Quando la resistenza del resistore di misura è 0,1 Ohm, la caduta di tensione su di esso è 7 mV. Questo è il valore di ampiezza. Quindi la corrente massima attraverso il condensatore sarà 7 / 0,1 = 70 mA.
Misurare la forma della corrente attraverso il condensatore non è un compito molto urgente, tutto è chiaro e senza misurazioni. Invece di un condensatore, può esserci qualsiasi carico: induttore, avvolgimento motore, stadio amplificatore a transistor e molto altro. È importante che questo metodo possa essere utilizzato per studiare la corrente, che in alcuni casi differisce significativamente nella forma dalla tensione.
Boris Aladyshkin
Vedi anche su electro-it.tomathouse.com
: