Как определить амплитуду сигнала на осциллографе

3.5. Измерение амплитуды и временных параметров сигнала

В универсальных осциллографах измерение амплитуды производится с помощью масштабной сетки, помещенной на экране: размах (амплитуда) импульса умножается на цену деления сетки по вертикали, установленную на масштабном делителе.

Канал должен быть откалиброван, сбалансирован, а ручка плавной регулировки усиления канала зафиксирована.

Погрешность измерения амплитуды при этом методе измерения составляет 5 … 7 %. Для цифровых осциллографах погрешность измерения не превышает 1 … 2 %. Связано это с тем, что в цифровых осциллографах измерения выполняются автоматически (по сигналу), а экран используется только для индикации. В универсальных же осциллографах измерение выполняется по экрану.

Аналогично с помощью масштабной сетки измеряются временные интервалы (по горизонтальной оси), при этом канал развертки должен быть откалиброван (выполняется метрологической службой в лаборатории), ручка плавной регулировки развертки зафиксирована.

С помощью осциллографа, в отличие от частотомеров и измерителей временных интервалов, можно измерять параметры сигналов сложной структуры, например ступенчатых сигналов, а также параметры случайных и переходных процессов. Для этого, в ряде случаев, используется метод калиброванных меток.

Калибровочные метки наносятся на осциллограмму сигнала путем модуляции луча по яркости сигналом от кварцевого генератора. Если в универсальном осциллографе нет этого режима (калиброванных меток), то его можно смоделировать, подавая калиброванный сигнал на канал яркости.

Осциллограф часто используют как индикатор совпадений. Примером тому служит измерение частоты неизвестного гармонического сигнала (или разности фаз между сигналом и его задержанной копией) с помощью образцового генератора и осциллографа. Отображаемые на экране осциллографа интерференционные фигуры называются фигурами Лиссажу.

Для реализации метода в двухканальном осциллографе включается режим Х/У, а в одноканальном – задействуется канал Х и канал развертки. Колебания известной образцовой частоты, например, с генератора сигналов, подается на один вход осциллографа (У или канал развертки), а колебания измеряемой величины – на канал Х, при этом собственная развертка осциллографа отключается. Частоту образцового генератора подстраивают под частоту измеряемого сигнала таким образом, чтобы наблюдались фигуры Лиссажу (рис.3.6). Форма фигур Лиссажу зависит от соотношения частот измеряемого и образцового сигналов и разности их фаз.

Отношение частот может быть и большим, если это не мешает измерениям.

Соотношение частот можно определить как число точек пересечения фигуры Лиссажу с горизонтальной линией к числу точек пересечения фигуры с вертикальной линией (если соблюдается правильность подачи сигналов на каналы).

Метод обеспечивает высокую точность измерения частоты (разности фаз), однако получение и наблюдение таких фигур достаточно сложная задача.

Следует заметить, что в двухканальном осциллографе такой режим предусмотрен.

При наблюдении импульсных сигналов важно выбирать такой осциллограф, который меньше всего искажает наблюдаемый импульс.

Для наблюдения кратковременных сигналов считается допустимым, если время нарастания сигнала в канале осциллографа не превышает 0,3 от длительности наблюдаемого импульса (время нарастания определяется по переходной характеристике осциллографа или указывается в технической документации).

Рекомендуется выбирать частотомер, верхняя граничная частота которого превышает значение 2 / τ_И.

От нижней граничной частоты осциллографа зависит правильность отображения вершины импульса. Чем нижняя граничная частота меньше, тем точнее воспроизводится вершина импульса.

Особенности измерения амплитуды сигнала при помощи осциллографа

Работа с электроцепями невозможна, когда под рукой нет измерительных приборов и устройств, позволяющим наблюдать за сигналом. Обычные вольтметры, амперметры и омметры помогут измерить основные параметры сигнала, а также некоторые свойства проводника. Сейчас есть для этих целей универсальный прибор – мультиметр. Некоторые мультиметры обладают функциями портативных осциллографов. Когда мультиметр использовать невозможно, тогда на помощь приходят токоизмерительные клещи.

Осциллограф предназначен в первую очередь для наблюдений за временными и амплитудными параметрами различных сигналов. Среди устройств, которые сейчас становятся все более популярными, можно выделить также USB-осциллографы. Они небольшие по размерам, при этом выполняют все самые важные функции.

Чтобы получить ответ на этот вопрос, как с помощью осциллографа определить амплитуду, важно разобраться с особенностями устройств.

Основные характеристики различных видов осциллографов

Сейчас можно выбрать и купить прибор одного из трех типов. Рассмотрим основные разновидности осциллографов.

Аналоговые

Простота и невысокая цена – это основные преимущества подобных агрегатов. Среди недостатков – низкая точность, серьезная погрешность, а также невозможность зафиксировать показания. Поэтому пользователю приходится постоянно следить за графиком, чтобы не упустить определенного важного показания. Кроме того, чувствительность у прибора также невысокая, и он не фиксирует трудно заметные сигналы.

Однако измерения с помощью осциллографа данного типа выполнять можно. В том числе и амплитуду. Аналоговые устройства хорошо подходят тем, кто только начинает знакомиться с измерительными приборами и вникает в электротехнику.

Функционал у данных агрегатов очень широкий. Измерения с помощью осциллографов данного типа выполнять намного проще. При этом точность замеров очень высокая, а погрешность низкая.

Важным моментом при выполнении замеров является кнопка, благодаря которой можно удержать определенное показание, а также сохранить его на внутреннюю память устройства. В дальнейшем некоторые агрегаты позволяют копировать результаты замеров и исследований на внешние носители. Цена у таких осциллографов выше, однако популярность остается высокой.

Очень важно, что у цифровых осциллографов высокая чувствительность. Некоторые из них могут выявлять и фиксировать редкие случайные сигналы (со всеми характеристиками вроде амплитуды), что в некоторых случаях очень важно для замеров.

Кроме того, у цифровых устройств есть несколько разновидностей по типу вывода показаний на экран, а также непосредственно выполнения замеров.

Комбинированные

Это устройства, благодаря которым можно выполнять исследования аналоговых и цифровых сигналов. Анализаторы цифровых сигналов также могут проводить замеры амплитуды. Измерения с помощью осциллографа данного типа также выполнять нетрудно.

Радиомагазин Radio-Shop в Киеве предлагает пользователям выбрать и купить необходимый агрегат по доступной цене.

Измерения амплитуды осциллографом: особенности процесса

Измерения амплитуды осциллографом – это неотъемлемая часть работы любого мастера. Когда пользователь начинает выполнять исследование при помощи осциллографа, у него появляется возможность увидеть определенные особенности сигнала:

• факт того, что сигнал всегда является либо импульсным, либо непрерывным;
• сигнал может быть или не быть отрицательным;
• длина пауз между импульсами также бывает разная, это зависит от свойств конкретного сигнала.

Измерения амплитуды осциллографом важны по той причине, что необходимо бывает увидеть максимальное и минимальное значение определенного параметра. В первую очередь это касается напряжения – именно его свойства чаще всего необходимо исследовать.

В данном случае речь идет о переменном напряжении. Его можно замерить и мультиметром, ведь данные устройства позволяют мерять разные роды тока. Однако результаты замеров при таком подходе получаются усредненные. Этого зачастую недостаточно для полной картины.

Как проводится измерение

Измерения амплитуды осциллографом возможны благодаря специальной сетке, которая выведена на экран. Пользователь изначально знает, какая цена деления, и таким образом выполнение замеров амплитуды становится достаточно простым. Если агрегат позволяет изменить масштаб графика, то цена деления также будет изменяться.

Для измерения амплитуды сигнала с помощью осциллографа следуйте этим шагам:

1. Подключите сигнал к каналу осциллографа, который вы хотите использовать для измерения амплитуды.
2. Установите вертикальный масштаб на осциллографе так, чтобы сигнал занимал большую часть экрана. Это обеспечит наилучшую точность измерения.
3. Установите курсор на экране осциллографа на место, где вы хотите измерить амплитуду сигнала.
4. Настройте осциллограф на измерение амплитуды сигнала, выбрав нужный режим измерения на панели инструментов.
5. Прочтите измеренное значение амплитуды на экране осциллографа.

При измерении амплитуды на осциллографе необходимо учитывать вертикальную шкалу, на которой отображается сигнал. Если вы измените вертикальный масштаб на осциллографе, измеренное значение амплитуды также изменится.

Данный способ измерения амплитуды осциллографом является самым простым и надежным. Правда, у него есть недостаток: определенная погрешность. Но для сравнения, у аналоговых осциллографов она больше. Цифровые агрегаты позволяют эту погрешность снизить до 1-2%. Тем не менее, даже при работе с цифровыми агрегатами проще всего измерить амплитуду напряжения именно про помощи подобной сетки.

За амплитуду в графике отвечает его вертикальная часть. На этом графике есть две центральные линии: горизонтальная и вертикальная. При измерении амплитуды осциллографом важно, чтобы верхняя часть графика совпадала с вертикальной линией. Так можно будет самым точным образом определить амплитуду.

Чтобы подогнать график под вертикальную линию, стоит применять регуляторы, которые присутствуют на агрегате. Они могут быть либо вращающимися, либо в виде кнопок – это зависит от разновидности осциллографа и от его типа.

Перед началом выполнения замеров важно убедиться, что агрегат правильно откалиброван. Еще один момент – надежно фиксировать регуляторы. Если их задеть, то правильность выполнения замеров будет под угрозой.

Если проводить замеры согласно порядку, то результаты измерений будут очень точными.

Как определить амплитуду сигнала на осциллографе

2.12. Измерение с помощью осциллографа частоты сигнала, напряжения

и сдвига фаз между двумя напряжениями

Перед началом измерений необходимо проверить исправность коаксиального кабеля и определить его сигнальный провод. Проверить исправность коаксиального кабеля проще всего с помощью омметра. Сначала измеряют сопротивление между двумя концами центрального проводника и между двумя концами проводящей оболочки. Эти сопротивления должны быть малыми (сотые доли ома). Затем проверяют отсутствие замыкания между центральным проводником и оплеткой кабеля. Иногда при ремонте коаксиального кабеля проводящая оболочка соединяется с проводником не черного цвета. В этом случае возникает задача определения сигнального проводника кабеля. Она может быть решена двумя способами. В первом случае один провод омметра подключают к центральному проводнику коаксиального разъема, а второй провод омметра поочередно подключают к каждому из двух проводников кабеля. Проводник, для которого сопротивление оказывается близким к нулю, и будет сигнальным. При другом способе определения сигнального провода необходимо, чтобы измерительный прибор (электронный осциллограф, электронный вольтметр) уже был включен в сеть и к нему подключен коаксиальный кабель. Затем касаются поочередно рукой каждого из двух проводников кабеля. Сигнальным будет проводник, при касании которого прибор регистрирует напряжение частотой 50 Гц (наблюдается отклонение луча осциллографа или стрелки вольтметра). Человек выступает в этом случае в роли антенны, принимающей электромагнитные волны, излучаемые питающей сетью.

Осциллограф ОМЛ-ЗМ комплектуется коаксиальным кабелем с литым разъемом, который отремонтировать достаточно сложно. В этом случае в осциллографе устанавливается дополнительное гнездо «земля», а коаксиальный кабель с обоих концов имеет по два внешне одинаковых проводника. Обычно проводники-выводы оплетки делают черного цвета, а сигнального провода – любого другого цвета. Если по внешнему виду измерительного кабеля нельзя опередить сигнальный провод, то можно воспользоваться следующим приемом. Выбрав предположительно сигнальный провод, подключают его ко входу «У» осциллографа, а второй проводник – к корпусу. Устанавливают достаточно высокую чувствительность осциллографа. Затем касаются рукой изоляции провода в средней его части (не касаясь при этом самих проводов!). Если на экране наблюдается сигнал наводки, то сигнальный провод выбран неверно. Если на экране нет изменений сигнала, то провод выбран верно.

Для демонстрации необходимости использования коаксиального кабеля для электронного вольтметра и осциллографа необходимо подать на эти приборы сигнал по обычным проводам и коснуться рукой их изоляции. При этом прибор фиксирует наводки.

Для измерения параметров электрических сигналов ручками смещения сигнала совместите сигнал с делениями шкалы так, чтобы было удобно проводить измерения. Выбирают положения переключателей “В/дел” такими, чтобы размер исследуемого сигнала по вертикали получался от 2 до 6 делений.

Рассмотрим определение частоты исследуемого сигнала. Пусть период исследуемого сигнала занимает два деления, а длительность развертки установлена 10 мс/дел. Тогда период исследуемого сигнала будет равен: 2 дел × 10 мс/дел = 20 мс. Затем из формулы связи периода и частоты исследуемого сигнала ( f = 1/ T ) определим его частоту: f = 1/ 20 мс = 50 Гц

Рассмотрим теперь, как определяется амплитуда напряжения исследуемого сигнала. Пусть исследуемый сигнал имеет синусоидальную форму. Амплитуда синусоидального сигнала равна половине размаха изображения по вертикали. Для ее нахождения определим сначала, сколько делений занимает изображение сигнала по вертикали. Умножив число делений, соответствующее амплитуде, на коэффициент отклонения в вольтах на деление, получим амплитуду сигнала в вольтах. Например, изображение синусоидального сигнала по вертикали занимает 4 деления. Следовательно, амплитуда исследуемого сигна ла на экране осциллографа будет составлять два деления. Если коэффициент отклонения равен 5 В/дел, то амплитуда сигнала будет равна 10 В.

Для измерения разности фаз между двумя напряжениями существует несколько способов. Остановимся кратко на двух из них: метод эллипса и с помощью двухлучевого осциллографа. При измерении методом эллипса одно напряжение подается на вход Y осциллографа, а другое – на вход X . Синус угла сдвига фаз равен отношению отрезка а к отрезку b (рис. 2.20 а) при условии, что в от сутствии сигнала электронный луч попадет в центр экрана осциллографа. Очень просто измеряется сдвиг фаз между двумя напряжениями с помощью двухлучевого осциллографа (рис. 2.20 б). Для этого отрезок А B делят на отрезок АС и умножают на 2 p.

Измерение амплитуды и временных параметров сигнала

В универсальных осциллографах используется метод измерения амплитуд сигналов с помощью масштабной сетки, помещенной на экране осциллографа. Цена деления сетки устанавливается с помощью калибратора амплитуды.

Параметры импульсов определяются следующим образом:

Up = Су ly; Up — размах (амплитуда импульса);

Сy — цена деления сетки по вертикали, В/дел;

Т = CXLX — период следования импульсов;

?п = СX lХ — длительность импульса;

СХ — цена деления сетки по горизонтали, с/дел; ly, Lx, lx — выражены в делениях сетки.

Погрешность измерения амплитуды сигнала при этом методе измерения составляет 3…5 %. Существует ряд способов повысить точность измерения амплитуды исследуемого сигнала, например компенсационные методы. Эти методы чаще всего применяют только в цифровых осциллографах, что позволяет получить численные значения параметров с погрешностью 1…2 %.

С помощью осциллографов можно измерять параметры сигналов сложной временной структуры, например ступенчатых сигналов или сигналов кодовых последовательностей. Можно измерять параметры случайных и переходных процессов. Наиболее простым методом исследования является метод калиброванной развертки (калиброванных меток). Реальная погрешность этого метода составляет порядка 10 % и зависит от количества меток.

Калибровочные метки известной частоты наносятся на изображение сигнала длительностью ти путем модуляции яркости луча, т. е. подачей на сетку ЭЛТ напряжения известной частоты f0 = 1/T0. При этом длительность сигнала и = пТ0, где п — количество калибровочных меток.

Способ измерения по интерференционным фигурам, называемым фигурами Лиссажу.

Измерение основано на сравнении неизвестной частоты fx с известной частотой f0, воспроизводимой мерой.

С этой целью колебания известной (образцовой) частоты f0 подаются на один вход осциллографа (например, Y). На вход X (при этом собственная развертка осциллографа отключается) поступают колебания измеряемой частоты. Частоту f0 образцового генератора подстраивают так, чтобы на экране осциллографа наблюдалась простейшая устойчивая фигура, примерные виды которой при разных фазовых сдвигах показаны в таблице. Форма фигур Лиссажу зависит от отношения частот m/n и начальных фаз сравниваемых колебаний.

С оотношение частот двух гармонических колебаний может быть определено как отношение числа точек пересечения фигуры Лиссажу т по вертикали к числу точек пересечения п по горизонтали. Например, как показано на риcунке справа, это отношение составляет:

Отсюда измеряемая частота определяется как: fx=f0/2.

Точность этого метода определения частоты колебания оказывается высокой и определяется стабильностью образцового генератора, однако получение и наблюдение таких фигур — достаточно сложная измерительная задача.

Осциллографирование импульсных сигналов

При измерении импульсных сигналов особое значение имеет правильное определение вида и параметров фронтов импульса. Основными влияющими факторами на правильное воспроизведение импульсного сигнала являются:

• частотный диапазон канала вертикального отклонения ;

• переходная характеристика канала осциллографа.

Частотные свойства осциллографа отражаются параметрами его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) — зависимости размера изображения гармонического сигнала от его частоты. АЧХ характеризуют полосой пропускания, определяемой верхней граничной частоты fв, отсчитываемой по уровню 0,707 от значения АЧХ на низких частотах. Среди других параметров отметим рабочий диапазон АЧХ, в пределах которого ее неравномерность не превышает погрешности измерения напряжения для данного осциллографа. Этот параметр определяет частотные границы измерения амплитуд гармонических сигналов с заданной точностью.

К параметрам переходной характеристики, относят время нарастания ?но — интервал, в течение которого луч проходит от 0,1 до 0,9 от установившегося значения (уровня Um) переходной характеристики. Плоская часть переходной характеристики может быть с выбросом или с осцилляциями; в этих случаях используют дополнительные параметры: время установления ?уo, отсчитываемое от уровня 0,1 до момента уменьшения осцилляции до заданного уровня; выброс определяется параметром ?. Время нарастания — основной параметр канала вертикального отклонения Y осциллографа.

Для исследования кратковременных сигналов необходим осциллограф, имеющий время нарастания не более 0,3 от длительности сигнала.

Учитывая изложенное, можно рекомендовать верхнюю границу частотного диапазона определять по формуле:

При этом длительность фронта импульса следует уточнять согласно выражению:

где ?изм — измеренное значение длительности фронта; ?но — время нарастания фронта, определяемое по переходной характеристике осциллографа, должно быть не более 0,1… 0,3 от длительности сигнала.

От нижней граничной частоты Fн зависит величина скоса ?Um вершины импульса. Эта граничная частота может быть определена из формулы:

где ?и — допустимая относительная величина спада вершины импульса:

Статьи к прочтению:

• Измерение информации в технике
• Измерение информации в теории информации (информация как снятая неопределенность)

Как пользоваться осциллографом

Похожие статьи:

• И временные параметры тренинга Одним из основных качеств тренировочного процесса является его направленность к максимальному результату. Это, безусловно, определяется соревновательным…
• Расчет временных параметров сетевого графика Срок совершения исходного события принимается за нуль и, следуя логике сети и заданным оценкам времени работ, производится расчет сети слева направо, от…