Как пользоваться осциллографом: масштабы, запуск и измерения

7 мин чтения · Команда bitGateLab

Мультиметр даёт число; осциллограф показывает форму сигнала во времени. С ним видно, обрезана ли синусоида, каковы пульсации источника питания или насколько выход фильтра отстаёт от входа. Поначалу количество ручек пугает, но всё сводится к четырём понятиям: вертикальный масштаб, горизонтальный масштаб, запуск развёртки и связь по входу. Здесь вы научитесь их настраивать и измерять амплитуду, период, частоту и сдвиг фаз на конкретных числах.

Экран: график зависимости напряжения от времени

Экран осциллографа разбит сеткой, обычно на 10 делений по горизонтали и 8 по вертикали. Вертикальная ось — это напряжение, горизонтальная — время. Любое измерение сводится к подсчёту делений и умножению на соответствующий масштаб:

напряжение = деления по вертикали × (V/div)
время      = деления по горизонтали × (s/div)

На центральных осях каждое деление обычно разбито на пять малых делений, что позволяет считывать значения с разрешением 0.2 деления.

Вертикальный масштаб (V/div) и смещение

Регулятор вертикального масштаба задаёт, скольким вольтам соответствует одно деление. Значения идут по ряду 1-2-5: 10 mV, 20 mV, 50 mV, 100 mV, 200 mV, 500 mV, 1 V, 2 V, 5 V… Регулятор смещения сдвигает осциллограмму вверх или вниз, не меняя масштаба; с его помощью уровень 0 V ставят туда, где удобно.

Практическое правило — выбирать самый чувствительный масштаб, при котором сигнал ещё целиком помещается на экране. Сигнал, занимающий 6 делений, измеряется гораздо точнее, чем сигнал, занимающий полделения.

Если вы используете щуп с делителем ×10, реальное напряжение в десять раз больше того, что вы увидите без поправки. Задайте в настройках канала коэффициент деления щупа или умножайте показания сами.

Горизонтальный масштаб (s/div)

Коэффициент развёртки показывает, какому времени соответствует одно деление по горизонтали. Весь экран охватывает 10 × (s/div). Чтобы точно измерить период, лучше видеть от двух до пяти полных периодов: если на экране меньше одного, период не измерить, а при десятках периодов детали сливаются.

Две синусоиды 500 Hz на сетке 10 × 8 делений. Размах CH1 — 6 делений, а её период занимает 4 деления. CH2 пересекает ноль на подъёме на 0.4 деления позже, чем CH1.

Пример 1: амплитуда, период и частота. На рисунке вертикальный масштаб равен 2 V/div, а горизонтальный — 0.5 ms/div.

CH1 занимает от +3 до −3 делений: 6 div × 2 V/div = 12 V от пика до пика.
Амплитуда: 12/2 = 6 V. Если сигнал синусоидальный, его действующее значение равно 6/√2 = 4.24 V.
Полный период занимает 4 деления: T = 4 × 0.5 ms = 2 ms.
Частота: f = 1/T = 1/0.002 s = 500 Hz.
Размах CH2 — 4 деления: 8 V от пика до пика, то есть амплитуда 4 V.

Запуск развёртки (триггер)

Осциллограф рисует сигнал, раз за разом прочерчивая экран. Если бы каждый проход начинался в другой точке волны, осциллограммы накладывались бы друг на друга и «бежали». Запуск решает эту проблему: развёртка стартует только тогда, когда сигнал пересекает заданное напряжение в заданном направлении, поэтому все проходы совпадают и изображение стоит на месте. Основные настройки запуска:

Источник: какой канал отслеживает схема запуска. Сравнивая два сигнала, запускайте развёртку от опорного.
Уровень: напряжение, которое должен пересечь сигнал. Он должен лежать в пределах размаха сигнала; если поставить его выше пика, запуска не будет никогда.
Фронт: нарастающий или спадающий.
Режим: в автоматическом осциллограф ведёт развёртку, даже если запуска нет, — удобно, чтобы найти сигнал; в ждущем рисует только при запуске — лучше для нерегулярных сигналов; в однократном захватывает одно событие и останавливается — идеально для переходных процессов, например включения источника питания.

Сдвиг фаз между двумя каналами

Когда на экране два сигнала одной частоты, измерьте временной интервал Δt между двумя соответствующими точками, например переходами через ноль на подъёме, и переведите его в градусы:

φ = 360° × Δt / T

Если второй сигнал приходит позже опорного, он отстаёт; если раньше — опережает. Для большей точности растяните развёртку вокруг точек пересечения или задайте одинаковый вертикальный масштаб в обоих каналах и отцентрируйте осциллограммы по нулю.

Пример 2: сдвиг фаз. На рисунке CH2 пересекает ноль на подъёме на 0.4 деления позже, чем CH1.

Δt = 0.4 div × 0.5 ms/div = 0.2 ms.
φ = 360° × 0.2 ms/2 ms = 36°.
CH2 отстаёт от CH1 на 36°.

Применение: в последовательной RC-цепи из темы переменный ток и фазоры (1 kΩ, 1 µF, 100 Hz) напряжение на резисторе, повторяющее форму тока, опережает напряжение источника на 57.9°. При T = 10 ms следует ожидать Δt = 57.9/360 × 10 ms = 1.61 ms. Так осциллографом измеряют фазу тока: через напряжение на резисторе.

Связь по входу: DC и AC

У каждого канала есть переключатель связи по входу:

DC (открытый вход): показывает сигнал целиком, включая его средний уровень. Это режим по умолчанию, и он подходит для измерения постоянных напряжений, логических уровней и низкочастотных сигналов.
AC (закрытый вход): включает последовательно конденсатор, который не пропускает постоянную составляющую, так что осциллограмма центрируется около нуля. Эквивалентен фильтру верхних частот с частотой среза в несколько герц.
Земля: отключает сигнал и показывает горизонтальную линию на уровне 0 V — удобно, чтобы найти положение нуля.

Пример 3: измерение пульсаций. Источник выдаёт постоянное напряжение 5 V с пульсациями 0.2 V от пика до пика.

При открытом входе (DC) и 2 V/div осциллограмма проходит на 2.5 деления выше центра, а пульсации занимают всего 0.1 деления: их не различить.
Если перейти на 50 mV/div, не меняя связь по входу, уровень 5 V уведёт осциллограмму за пределы экрана.
При закрытом входе (AC) уровень 5 V убирается. При 50 mV/div пульсации занимают 0.2/0.05 = 4 деления, и можно измерить их форму и частоту.

Осторожно: поскольку закрытый вход — это фильтр верхних частот, он искажает сигналы очень низкой частоты. У медленного прямоугольного сигнала плоские участки выглядят наклонными.

Типичные ошибки

Установить уровень запуска вне размаха сигнала и решить, что «сигнала нет».
Забыть о коэффициенте деления щупа и записать напряжение в десять раз меньше реального.
Измерять постоянное напряжение при закрытом входе (AC): осциллограмма остаётся на нуле.
Измерять сдвиг фаз между переходами через ноль с противоположным наклоном (один на подъёме, другой на спаде), что добавляет 180°.
Выбрать развёртку, при которой видно меньше одного периода или десятки периодов, из-за чего период считывается неточно.

Попробуйте в симуляторе

У виртуального осциллографа в симуляторе по сути те же органы управления, что и у лабораторного, так что это хорошее место для безопасной практики.

Поставьте синусоидальный источник с амплитудой 6 V и частотой 500 Hz и подключите его к каналу 1.
Задайте вертикальный масштаб 2 V/div и горизонтальный 0.5 ms/div и убедитесь, что видите размах 6 делений и 4 деления на период.
Поднимите уровень запуска выше 6 V и посмотрите, что произойдёт с изображением; верните его на 0 V.
Соберите RC-фильтр и подключите канал 2 к его выходу; измерьте Δt между переходами через ноль и вычислите сдвиг фаз.
Добавьте к источнику постоянную составляющую и переключайтесь между открытым (DC) и закрытым (AC) входом, чтобы увидеть разницу.

Упражнения

Синусоида занимает 3.2 деления от пика до пика при 5 V/div. Найдите её размах, амплитуду и действующее значение.

Показать ответ
3.2 × 5 = 16 V от пика до пика; амплитуда 8 V; 8/√2 = 5.66 V RMS.
Один период занимает 2.5 деления при развёртке 20 µs/div. Какова частота?

Показать ответ
T = 2.5 × 20 µs = 50 µs. f = 1/50 µs = 20 kHz.
Два сигнала 1 kHz разнесены на 1.5 деления при 0.1 ms/div. Каков сдвиг фаз?

Показать ответ
Δt = 1.5 × 0.1 ms = 0.15 ms и T = 1 ms. φ = 360° × 0.15/1 = 54°.
Нужно увидеть не менее трёх полных периодов сигнала 1 kHz на экране в 10 делений. Какой коэффициент развёртки из ряда 1-2-5 выбрать?

Показать ответ
Три периода длятся 3 ms, значит, нужно не менее 0.3 ms/div. Первое подходящее значение ряда — 0.5 ms/div: на экране 5 ms, то есть 5 периодов. При 0.2 ms/div вы увидели бы только 2.