1.1.2. Аналіз сигналів за допомогою осцилографа

Вимірювання напруги

Розглядаючи сигнали в радіотехнічних транзисторних пристроях за допомогою осцилографа, оператор стикається з сигналами синусоїдальної форми різної частоти, з імпульсними сигналами різної тривалості, форми і частоти проходження, сигналами складних форм.

При вимірі напруги синусоїдального сигналу тестером зазвичай визначають її діюче значення, рівне 0,707 амплітудного. Пікова напруга синусоїдального сигналу дорівнює подвоєному амплітудному. Діюче значення синусоїдального сигналу рівне його піковій напрузі, поділеній на 2,83 (рис. 1.8).

Рис. 1.9. Вимірювання амплітуди і тривалості змінної напруги.

Положення перемикачів: V/дел – 1 В, Время/дел – 1 мс.

Амплітуда сигналу 6 В, частота – 250 Гц

Рис. 1.8. Характеристики основного синусоїдального сигналу

Співвідношення між діючим та амплітудним значеннями напруг, які були дійсні для синусоїди, не будуть вірні для інших форм сигналів, наприклад, для прямокутного або трикутного. Тому зазвичай порівнюють напруги різних форм по їх піковому значенню. Пікові значення найбільш зручні при аналізі роботи схем за допомогою осцилографа, тому осцилограф калібрується по них.

Доцільно, щоб частина сигналу, яку вимірюють, займала 40-90% робочої частини екрану. У цьому випадку похибку вимірювання можна зменшити в 1,5 – 2 рази у порівнянні з наведеною в технічних характеристиках. Для вимірювання змінної напруги проводять балансування каналів (для двоканальних приладів типу С1-92) і плечей підсилювача. Встановлюють перемикач чутливості в таке положення, щоб розміри зображення були не менше трьох поділок (а краще більше) і перемикачем «Время/дел» розгортки отримують кілька періодів досліджуваного сигналу (рис. 1.9). Ручка «↨» встановлюється так, щоб один рівень сигналу збігався з однією лінією шкали, а інший – знаходився в межах екрану ЕПТ. Ручкою «↔» горизонтального переміщення зображення зміщується таким чином, щоб один з рівнів знаходився на центральній вертикальній лінії шкали. Ручка «Плавно» при цьому знаходиться в крайньому правому положенні. Число поділок між крайніми точками зображення по вертикальній осі множиться на величину перемикача «V/дел» і на 10 якщо використовується при вимірюванні виносний дільник 1:10.

Наведені в довідниках норми похибок відносяться до найгірших випадків: мінімальному розміру зображення (30% робочої частини екрану по координаті вимірювань). Але при цьому не можна не враховувати частоти вимірюваного сигналу. Якщо, припустимо, синусоїдальний сигнал з частотою 10 МГц спостерігається на екрані осцилографа зі смугою також 10 МГц, амплітуда сигналу, який спостерігається, буде меншою фактичної на 30%, тому краще всього працювати з запасом по смузі пропускання до 5 разів. Значення основної похибки вимірювання амплітуди імпульсів прямокутної форми тривалістю не менше часу наростання перехідної характеристики при максимальному розмірі зображення 4 поділки складе 5 %.

При вимірюванні постійної напруги працюють з відкритим входом. Лінію розгортки (при невідомій полярності вимірюваного джерела) встановлюють на центральну осьову лінію і підключають «гарячий» і «земляний» кінці щупа до джерела напруги. Якщо лінія розгортки пішла вгору, то, значить, вхідний щуп підключений до плюсового виводу, при зміщенні променя вниз – полярність підключення зворотня.

Зсув променя по поділках множиться на ціну поділки і, таким чином, вимірюється напруга.

Вимірювання тривалості сигналу

Тривалість сигналу вимірюють різними методами: за мітками яскравості, за кварцовим калібратором, а в сучасних осцилографах – по каліброваних розгортках. У цьому випадку швидкість розгортки слід встановити таку, щоб вимірюваний сигнал або його ділянка займала максимальне число поділок горизонтальної шкали (рис. 1.10).

Вимірювання потрібно проводити або по правих, або по лівих краях лінії зображення (для зменшення похибки вимірювання за рахунок товщини лінії променя). При збільшенні довжини вимірюваного інтервалу на екрані ЕПТ точність вимірювань збільшується. Звернемося до рис. 1.10, на якому 5 періодів займають відстань 9 поділок шкали при коефіцієнті розгортки 2 мкс/под. Тоді частота сигналу

де n – число виміряних періодів; l – відстань, яку займають виміряні періоди, под.; – коефіцієнт розгорнення на діапазоні який вимірюють с/под.

Щоб гарантувати точність вимірювання, бажано мати час встановлення осцилографа на порядок менший вимірюваної тривалості сигналу. Однак це не завжди можливо. Але якщо вимірюється тривалість фронту або спаду трапецеїдального імпульсу або тривалість самого цього імпульсу на рівні 0,5, то вплив часу встановлення осцилографа легко врахувати.

Рис. 1.10. Вимірювання тривалості сигналу

Рис. 1.11. Вимірювання часового інтервалу між двома точками сигналу

Тривалість прямокутного (або трапецієвидного) імпульсу, відрахована за шкалою осцилографа на рівні 0,5 амплітудного значення, дорівнює істинній тривалості вхідного імпульсу, відрахованій також на рівні 0,5.

На рис. 1.11 показано вимірювання часового інтервалу між двома точками сигналу. Перемикач «Время/дел» встановлений у положення 0,5 мс. Зображення займає 5 поділок. Отже, часовий інтервал між двома точками сигналу буде .

Вимірювання періоду

Можна просто виміряти тривалість одного періоду, як і при вимірюванні тривалості імпульсу, але для збільшення точності краще виміряти тривалість 5-10 періодів, розгорнувши їх на весь екран, і розділити виміряну тривалість на число періодів. Зауважимо, що вимірювання періоду можливо навіть в тих випадках, коли частота вхідного сигналу вища верхньої граничної частоти смуги пропускання осцилографа, оскільки точність передачі форми і амплітуди при цьому несуттєва. На сучасних осцилографах, які мають плавний спад за межами смуги пропускання, можливість множення розгортки і запас по частоті синхронізації, можна виміряти період частоти сигналу, якщо ця частота у 2-5 разів вища граничного значення.