Работа с осциллографом

Скрипт CSS Андрея Шульгина

Вот мы и добрались до самой сути диагностики автомобильных двигателей. Для диагностов любой марки это самый информативный скрипт. Он показывает работу форсунок, искры и компрессии за одну проверку. Для проведения этого теста достаточно снять сигнал с датчика положения коленвала и синхронизацию с искры первого цилиндра. Сложность может заключаться в подключении к ДПКВ некоторых марок, но это сглаживается информацией, которую дает скрипт.

Порядок записи сигнала применительно к осциллографу USB Autoscope:

  1. Подключиться параллельно сигнальным щупом осциллографа к выходу ДПКВ
  2. Если установлена система зажигания DIS поставить щуп синхронизации на первый цилиндр, индивидуальная катушка — воспользоваться индуктивным датчиком.
  3. Запустить двигатель и дать работать на холостом ходу.
  4. Активировать скрипт CSS
  5. Через 5-10 секунд плавно поднять обороты до 3000 и опустить.
  6. Спустя 5-10 секунд резко поднять обороты и выключить искру оставив педаль газа полностью нажатой.
  7. Остановить скрипт.

Анализ теста Андрея Шульгина

  1. Нажать кнопку «Выполнить скрипт»
  2. Задать входную информацию для анализа: количество и порядок работы цилиндров, угол опережения зажигания с погрешностью ±10°.
  3. Анализируем полученную картинку.

График скрипта CSS

  • Холостой ход — снижена эффективность 3 цилиндра.8.
  • Низкая компрессия в 3 цилиндре.

Таким образом, за 5 минут можно найти причину «троящего» двигателя, не откручивая свечи и не замеряя компрессию.

Проблемы, возникающие при измерении

Широкополосная природа шумов источника питания вынуждает исследователей использовать для его измерения осциллографы. Осциллографы дают уникальную возможность взглянуть на природу возникновения шума. Но, к сожалению, широкополосные цифровые осциллографы реального времени и осциллографические щупы обладают собственными шумами, которые следует учитывать. Если измеряемый уровень шума источника питания имеет тот же порядок, что и собственные шумы осциллографа и щупа, точное измерение шума сильно затрудняется.

Другую проблему представляет динамический диапазон. Сигнал источника питания привязан к постоянному напряжению. Небольшое переменное напряжение шума, наложенное на это постоянное напряжение, составляет обычно лишь очень малую его часть. Для многих осциллографов и щупов такое постоянное смещение может оказаться проблематичным, особенно при измерении с большой чувствительностью (для оптимального отображения шума при минимальном уровне шумов осциллографа).

Устройство и принцип работы осциллографа

Среди всех измерительных приборов осциллограф считается одним из самых сложных в плане своего устройства. И не зря. Ведь по принципу работы он сравним с телевизором. Разница разве что в виде сигнала, обрабатываемом этими устройствами.

В основе лежит электронно-лучевая трубка. На ней отображается состояние входного электрического сигнала. Чтобы изображение совпадало с формой колебаний, электронный луч осциллографа управляется генератором строчной развёртки. (картинка)

У осциллографа электронно-лучевая трубка в своём устройстве имеет две пары отклоняющихся пластинок. Именно они и управляют положением электронного луча на экране.

Первая пара – горизонтальная. Она отвечает за отклонение луча в этой плоскости. На неё подаётся напряжение пилообразной формы от генератора горизонтальной развёртки. Потом напряжение увеличивается. Это вызывает отклонение луча по горизонтали. Луч вернётся назад и начнёт движение заново во то время, когда импульс резкой пойдёт на спад. Сам момент возвращения луча виден быть не должен. На экран в это время подаётся напряжение гашения луча.

Чтобы лучше понять принцип работы устройства, можно изучить блок-схему осциллографа. По ней в том числе становится понятно, что в состав устройства входят горизонтальный и вертикальный каналы.

Горизонтальная развёртка

Канал горизонтального подключения подключается к генератору развёртки. Он вырабатывает сигналы горизонтального отклонения лучей. Генератор Х (развёртки) работает в нескольких режимах.

  • Внутренняя синхронизация. Автоколебания с выставленной вручную частотой;
  • Внешняя синхронизация. От входных импульсов запускается генератор. Она включает в себя три режима: запуск от внешнего источника, по фронту импульсов или их спаду;
  • Синхронизация от питания (50Гц);
  • Ручной запуск. Так же называется однократным.

При исследовании стабильных сигналов удобно использовать режим внутренней синхронизации. В этих условиях изображение будет неподвижным. Чтобы увеличить стабильность можно организовать захват частоты на входе генератором развёртки.

Также этот режим называется ждущим. В нём запуск генератора происходит в тот момент, когда входной сигнал достигает определённого уровня. Или от внешнего источника. В режиме внешней синхронизации удобно исследовать не очень стабильные колебания, особенно если есть синхронизация между генератором развёртки и схемы от одного источника колебания. Прибор поддаётся регулировка, чтобы точно установить уровень, на котором генератор запускается.

Если синхронизация происходит от сети питания, то запуск развёртки будет синхронизирован с колебанием напряжения сети. Так что синхронизация от сети так же предусмотрена, чтобы наблюдать за помехами и искажениями. Ручная синхронизация подходит для исследования различных непериодических сигналов. К примеру, в логических схемах.

Вертикальная развёртка

Канал вертикального отклонения называется каналом Y, по аналогии с горизонтальной осью Y в системе координат. В нём входной исследуемый сигнал обрабатывается. Сигнал этот поступает в канал через аттенюатор. Аттенюатор – это ступенчатый регулятор уровня. Это делается для того, чтобы амплитуда параметра, который измеряют, не превышала допустимый уровень. А картинка тем временем не выходила за пределы экрана. Канал Y может передать сигнал на генератор горизонтального отклонения для его синхронизации.

Обычно канал вертикального отклонения работает в открытом режиме. Это значит, что само отклонения луча будет чётко совпадать с уровнем сигнала. Когда есть постоянная составляющая, то это мешает наблюдению за колебаниями. Происходит это из-за того, что картинка будет слишком смещена к границам экрана сверху или снизу. Так же она может вообще выходить за границы. Эту постоянную составляющую можно убрать, если включить режим закрытого входа. Или настроить аттенюатор под размеры экрана.

Про закрытый вход. Сигнал поступает через конденсатор, не создающий препятствия для переменного напряжения. Тогда оба канала обладают оконченными усилителями, формирующими нужные уровни сигналов, которые подаются на отклоняющие пластины.

Какие они бывают?

После того, как мы выяснили зачем нужен аналоговый и любой другой осциллограф, можно перейти к его классификации. Существует 6 основных типов измерительных приборов:

  1. Аналоговые . Считаются классическими моделями измерительных устройств. Аналоговый осциллограф — это прибор для измерения средних сигналов. Нижний предел частоты — 10 Гц. Цена такого оборудования намного ниже, чем цифрового, потому оно до сих пор популярно среди начинающих электронщиков. Главный плюс аналоговых моделей — наименьшее искажение наблюдаемого сигнала. В остальном они сильно проигрывают цифровой техники. Основные узлы устройства: a. делитель входного сигнала; b. схема синхронизации и отклонения горизонтальной плоскости; c. лучевая трубка; d. блок питания.
  2. Цифровые запоминающие . Устройства предлагают больше возможностей по проведению исследований и измерений, поэтому их цена намного выше, чем аналоговых моделей. Анализирующие способности — главное преимущество запоминающих приборов. Задав определенные настройки, можно заставить оборудование записывать данные в цифровом формате сразу после нормализации. Изображение сигнальных данных более устойчивое, а итоговый результат пользователь может отредактировать путем нанесения меток или масштабированием. Примеры цифровых запоминающих осциллографов: TBS1052B Tektronix, TBS1152B-EDU Tektronix, R&S RTC1000. Основные компоненты прибора: a. делитель входного сигнала; b. усилитель нормализации; c. АЦП-преобразователь; d. устройства вывода и ввода информации; e. запоминающее устройство.
  3. Цифровые люминофорные . Приборы этого типа работают на цифровом люминофоре и считаются самыми дорогими среди всех типов осциллографов. Они способны имитировать изменение интенсивности выводимых данных. Это особенность упрощает диагностику отклонений в импульсных блоках. Примеры люминофорных осциллографов: Tektronix MSO DPO2000B, Tektronix DPO70804C, DPO72304SX Tektronix.
  4. Цифровые стробоскопические . В этих моделях используется эффект последовательного сигнального стробирования. Используются они для анализа высокочастотных повторяющихся сигналов, частота которых превышает частоту дискретизации устройства. Они осуществляют выборку множества сигнальных точек за несколько последовательных периодов, а затем воссоздают исходную форму волны. Рабочая частота оборудования этого типа превышает 50 Гц. Одной из популярных моделей стробоскопических осциллографов является DSA8300 Tektronix. Отличительная особенность устройства — широкий выбор оптических, электрических модулей для испытаний.
  5. Портативные . Измерительные технологии быстро развиваются, поэтому появилось компактное оборудование для проведения исследований сигналов. Плюс таких устройств заключается в низком потреблении электроэнергии и небольших габаритах. Портативное оборудование часто используют в своей работе электронщики. Примеры малогабаритной измерительной техники: серия R&S RTH Scope Rider, серия R&S (HAMEG) HMO Compact.
  6. Комбинированные . В эти приборы встроены анализаторы спектра, поэтому они способны не только собирать информацию о поступающем сигнале, но и определить количество гармоник вместе с уровнем. Примеры комбинированного оборудования: MDO3024 Tektronix, MDO3104 Tektronix, MDO4054C Tektronix.

Осциллографы незаменимы при измерении временных и амплитудных параметров электрического сигнала. Современные модели устройств также способны проводить спектральный анализ. Заявка на осциллограф

История

Ондограф Госпиталье

Электрический колебательный процесс изначально фиксировался вручную на бумаге. Первые попытки автоматизировать запись были предприняты Жюлем Франсуа Жубером в 1880 году, который предложил пошаговый полуавтоматический метод регистрации сигнала. Развитием метода Жубера стал полностью автоматический ондограф Госпиталье. В 1885 году русский физик Роберт Колли создал осциллометр, а в 1893 году французский физик Андре Блондель изобрел магнитоэлектрический осциллоскоп с бифилярным подвесом.

Подвижные регистрирующие части первых осциллографов обладали большой инерцией и не позволяли фиксировать быстротечные процессы. Этот недостаток был устранён в 1897 году Уильямом Дадделлом, который создал светолучевой осциллограф, использовав в качестве измерительного элемента небольшое лёгкое зеркальце. Запись производилась на светочувствительную пластину. Вершиной развития этого метода стали в середине XX века многоканальные ленточные осциллографы.

Практически одновременно с Дадделлом Карл Фердинанд Браун использовал для отображения сигнала изобретённый им кинескоп. В 1899 году устройство было доработано Йонатаном Зеннеком, добавившим горизонтальную развертку, что сделало его похожим на современные осциллографы. Кинескоп Брауна в 1930-е годы заменил кинескоп Зворыкина, что сделало устройства на его основе более надёжными.

В конце XX века на смену аналоговым устройствам пришли цифровые. Благодаря развитию электроники и появлению быстрых аналого-цифровых преобразователей, к 1980-м годам они заняли доминирующую позицию среди осциллографов.

Органы управления входными каналами

Как правило, осциллограф имеет два или четыре аналоговых канала. Они пронумерованы, при этом для каждого канала обычно имеется отдельная кнопка, которая позволяет включать или отключать соответствующий канал (рис. 4).

Рис. 4. Блок органов управления входными каналами осциллографа Keysight серии 2000 X

На передней панели может располагаться специальный переключатель (или функциональная клавиша), который позволяет задавать тип входа: закрытый (AC) или открытый (DC). Если выбран режим открытого входа, входной сигнал не подвергается обработке и подается непосредственно на усилитель системы вертикального отклонения осциллографа. В режиме закрытого входа фильтруется постоянная составляющая сигнала, и осциллограмма центрируется относительно уровня приблизительно 0 вольт («земля»). Кроме того, с помощью клавиши выбора может быть задан импеданс пробника для каждого канала. Органы управления позволяют также установить тип дискретизации входного сигнала. Используется два основных метода дискретизации сигнала: дискретизация в режиме реального времени и дискретизация в эквивалентном масштабе времени.

Дискретизация в режиме реального времени

При дискретизации в режиме реального времени осциллограф захватывает выборки сигнала с частотой, достаточной для точного отображения формы сигнала. Некоторые современные высокопроизводительные осциллографы способны захватывать одиночные сигналы с частотой до 63 ГГц, оцифровывая их в режиме реального времени.

Дискретизация в эквивалентном масштабе времени

Дискретизация в эквивалентном масштабе времени позволяет построить форму сигнала по данным нескольких захватов. Одна часть сигнала оцифровывается в процессе первого захвата данных, другая часть — в ходе второго захвата и так далее. Затем все эти данные собираются воедино для воссоздания формы сигнала. Режим дискретизации в эквивалентном масштабе времени особенно полезен для изучения высокочастотных сигналов, которые слишком быстры для использования дискретизации в режиме реального времени (частота более 63 ГГц).

Настройка

Для работы с осциллографом предварительно необходимо произвести калибровку его канала (каналов). Калибровка производится после прогрева прибора (примерно минут 5). Калибратор встроен в большинство осциллографов. Для калибровки высокочастотных моделей желательно иметь шнур с двумя разъемами (на выход калибратора и на вход осциллографа) иначе возможны искажения сигнала. Для низкочастотных моделей возможно просто коснуться щупом выхода калибратора. Далее ручка вольт/дел. ставится так, чтобы сигнал калибратора занимал 2—4 деления на экране (то есть, если калибратор 1 вольт,- то на 250 милливольт). После этого канал включается на переменное напряжение и на экране появится сигнал. Далее, в зависимости от частоты калибратора, ручка развёртки ставится в положение при котором видно не менее 5—7 периодов сигнала. Для частоты 1 килогерц частота развёртки, при которой каждый период занимает одно деление экрана, равен 1 мс (одна миллисекунда). Далее необходимо убедиться, чтобы сигнал на протяжении этих 5-7 периодов попадал точно по делениям экрана. Для аналоговых осциллографов нормируется как правило ±4 деления от центра экрана, то есть на протяжении восьми делений должен совпадать точно. Если не совпадает, следует поворачивать ручку плавного изменения развёртки добиваясь совпадения. Заодно проверяется амплитуда (размах) сигнала — она должна совпадать с тем, что написано на калибраторе. Если не совпадает, то необходимо добиться совпадения, поворачивая ручку плавного изменения чувствительности вольт/дел. Необходимо помнить, что если установлена чувствительность канала в 250 милливольт, то сигнал в 1 вольт занимает при правильной настройке 4 деления. После калибровки прибор будет показывать сигнал точно. Теперь можно не только смотреть, но и измерять сигналы.

Особенности

Перед началом работы с осциллографом следует обратить внимание на две его характеристики:

  • полярность входа и выхода;
  • входное сопротивление.

Большинство современных осциллографов снабжены дифференциальной развязкой питания. То есть для пользователя не имеет значения на «плюс» он попал или на «минус», подключая прибор к бортовой сети. Но в любом случае не лишним будет перестраховаться, и проверить полярность контактов.

Входное сопротивление осциллографов, выпускаемых в настоящее время, указывается в специальном описании. Обычно оно колеблется от 0,1 до 1 Мом. Этот диапазон адаптирован под автомобильную электрическую сеть.

Если конкретное сопротивление не указано, прибор следует включать в соответствии с инструкцией по эксплуатации.

Развертка

Напряжение развертки необходимо подавать на те пластины, которые расположены в вертикальной плоскости. Оно пилообразной формы, медленно нарастает линейно, и у него очень быстрый спад. При этом положительное напряжение приводит к тому, что луч отклоняется вправо. А отрицательное – к тому, что луч движется влево. Это в том случае, если наблюдатель находится перед экраном, и можно видеть, как луч совершает движение слева направо. При этом скорость его постоянна. После достижения крайней правой границы он быстро идет на исходную. Затем заново повторяется движение.

В данной статье будет максимально подробно рассказано о том, как правильно пользоваться осциллографом. Вышеизложенный процесс и носит название «развертка». Линия развертки – это линия (горизонтальная), прочерчиваемая лучом на экране. Когда проводятся измерения, ее называют линией нуля. Она же является осью времени на графике. Частота развертки – это не что иное, как частота, с которой происходит повторение импульсов пилообразной формы. В процессе измерений она не применяется. Важные параметры для измерений – это скорость.

Что такое осциллограф

Осциллограф — это прибор для визуального отображения и измерений параметров сигналов различной формы (процесс называется «осциллографирование»). Сигналы подаются на вход и отображаются на экране. Экран разбит на квадраты, по центру проходят две оси координат.  По горизонтали измеряется время. По вертикали — амплитуда и/или напряжение. Цена деления задается при помощи ручек калибровки. Режим отображения подстраивается под каждый сигнал. Выбирается такой режим, который наиболее удобен в данном случае (в пределах возможностей прибора).

Осциллограф — это не обязательно большая, громоздкая вещь. Есть портативные цифровые модели, есть приставки. Есть даже программы, которые можно с адаптером установить на стационарный компьютер или ноутбук.

Так выглядит цифровой осциллограф Tektronix DPO 3054. На дисплее отображает сигнал, регуляторами выбираются параметры

По количеству одновременно отслеживаемых сигналов осциллографы есть однолучевые (одноканальные/моноканальные) и многолучевые (многоканальные). Однолучевые могут одновременно принимать только один сигнал, многолучевые — два, три, четыре и больше — до 16. Зависит от прибора.

Какой тип лучше? Многолучевой. Вы одновременно можете отслеживать сигнал в нескольких точках схемы. Изменяя параметры будете видеть реакцию устройства не только на выходе, но и в разных точках схемы.

Задание 2 Измерение с помощью осциллографа периода и частоты гармонического напряжения.

  1. a.
    Установите амплитуду выходного сигнала
    калибратора, равной примерно 1В.

  2. b.
    Установите частоту сигнала на выходе
    калибратора, равной 50Гц.

  3. c.
    Выберите для измерения канал II
    осциллографа и включите режим линейной
    развертки с внутренней синхронизацией
    (переключатель «Внутр-Внеш» находится
    в положении «Внутр»).

  4. d.
    Подберите подходящий коэффициент
    вертикального отклонения, при котором
    размах изображения будет максимальным.

  5. e.
    Подберите такой коэффициент развертки,
    чтобы на экране умещалось 2-3 периода
    исследуемого напряжения.

  6. f.
    Измерьте линейный размер изображения,
    соответствующий одному периоду
    исследуемого сигнала.

  7. g.
    Запишите в отчет показания осциллографа
    и калибратора.

h.
Оставляя неизменной амплитуду исследуемого
сигнала, выполните измерения в соответствии
с п.п. (d-g), последовательно устанавливая
частоту выходного сигнала калибратора,
равной 500 Гц, 5 кГц, 50 кГц, 0,5 МГц, 5 МГц.

Автоматическое измерение параметров сигнала

Для получения более четких представлений о проводимых измерениях необходимо воспользоваться в качестве примера установленными параметрами. Поэтому в генераторе частоты, который установлен в приборе, необходимо выбрать форму сигнала прямоугольную, а частоту выставить на отметке 1000 КГц (что также может обозначаться как 1 МГЦ).

На дисплее осциллографа должно появиться следующее изображение, которое соответствует сигналу с указанными выше параметрами:

В результате таких манипуляций изначально форма сигнала далека от правильной прямоугольной. Подобные искривления и неточности возникают за счёт несовершенства радиоэлементов и цепей, которые используются для конструирования осциллографа. Подобная осциллограмма хорошо просматривается на диапазоне высоких частот.

Поэтому необходимо разобраться в соответствии элементов изображения, которое в этом случае выводится на дисплей прибора.

Прибор оснащен «магической» кнопкой для получения точных значений параметров измеряемого сигнала. Обозначается она как «Measure», что соответствует английскому «измерять». После ее нажатия выводятся необходимые параметры сигнала, который измеряется прибором.

Для дальнейшей работы с этой информацией необходимо нажать на «Add», что выполняется посредством кнопки «H1».

Получить все снимаемые осциллографом сведения можно через клавишу «Show All», что с английского дословно переводится как «показать все», нажимая кнопку «F3».

Такие действия вызовут таблицу со всеми параметрами сигнала, которые измерялись прибором:

Необходимо также осветить вопрос типов и видов параметров сигналов, которые бывают в принципе. Как известно, на осциллографе отображаются изменяющиеся во времени колебания напряжения сигнала. Именно по этой причине выделяют такие типы параметров сигналов:

  • временные;
  • амплитудные.

В таблице данные показатели имеют собственные обозначения, которые для удобства лучше расшифровать. Нужно отметить, что описание будет производиться в направлении слева направо.

Period – с английского слово переводится как «период» и обозначает время, за которое сигнал полностью себя повторяет. Для обозначения данного параметра применяется буква «Т». Отображение этого показателя на осциллограмме следующее:

Для подсчета данного показателя самостоятельно нужно знать цену деления горизонтальной части ячейки. Подсказка по таким значениям находится в нижней части дисплея:

Исходя из установленных для конкретного примера значений цена деления одной клетки составляет 500 наносекунд. Поскольку длительность периода 2 ячейки, то период находится как умножение количества занимаемых сигналом клеток на цену их деления и составляет в этом примере 2 х 500 = 1 микросекунда (1000 наносекунд).

Чтобы проверить правильность произведенных вычислений, можно воспользоваться автоматическими показаниями.

Как видно из изображения, расчеты совпали на все 100%.

Для обозначения дробных значений в физике применяются такие буквенные символы:

  • p = 10-12 «пико»;
  • n = 10-9 «нано»;
  • u = 10-6 «микро»;
  • m = 10-3 «милли».

Для помощи в этих измерениях используется следующая таблица

Следующий параметр – это частота сигнала, которая обозначается символом «F» и расшифровывается как frequency или сокращенно Freq. При наличии значения периода определение частоты выполняется по следующей формуле:

F=1/T

В рассматриваемом примере:

1/(10-6) = 106 = 1 МГц (MHz)

Для проверки можно воспользоваться подсказкой с автоматическими измерениями:

В данном случае можно отметить, что расчеты также были произведены верно, поскольку результаты ручного определения и автоматического полностью совпали.

Для измерения значения постоянного напряжения или определения средней величины сигнала применяется параметр Mean, который обозначается сокращенно как V и актуален только для постоянного тока. В случае измерения переменного тока такая величина не используется вовсе. При измерении постоянного тока на дисплей выводится соответствующее значение.

Измерить напряжение между пиками сигнала позволяет параметр Peak-to-Peak, который на приборе обозначается в сокращении как PK-PK, а в измерениях – как величина Vp. На соответствующей осциллограмме приведено изображение данного вида напряжения:

Слева внизу выводится значение стороны квадрата шкалы, которое в примере установлено на уровне 1 В.

Подобным образом вычисляется межпиковое напряжение, которое в рассматриваемом примере равно приблизительно 5 В. После сверки с автоматическими измерениями получается примерно такой же результат.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий