| Осциллограф является незаменимым измерительным инструмент для тех, кто производит, проектирует или ремонтирует различную электронную технику и оборудование. Осциллографы позволяют инженерам, техникам, ремонтниками и другим специалистам видеть события происходящие в схемах и изменяющиеся во времени, поэтому он являются ключевым инструментарием при изучении и разработке электронных схем. |
Главная функция осциллографа — регистрация изменения исследуемого сигнала и выводить его на экран для просмотра и анализа.
При измерение осциллографом на экране, для удобства имеется координатная система. Обычная декартова система, на которой существует ось X и Y. По оси X окладывается время, а по оси Y осуществляется измерение напряжения.
Различные управляющие ручки и кнопки измерительного прибора предназначены для того, чтобы можно было легко настраивать отображение сигнала: масштаб по осям Х и Y, курсоры и триггеры. Управление процессом измерения позволяет как бы приблизить или отдалить исследуемый сигнал, чтобы рассмотреть его как можно тщательнее.
| Измерение выполняемые при помощи осциллографа |
Для измерения различных электротехнических величин необходимо правильно подключать любой осциллограф к исследуемой цепи или схеме, это делается с помощью специального измерительного щупа, обычно состоящего из коаксильного провода, на одном конце которого имеется разъем для подключения к прибору, а на втором щуп и заземление для подсоединения к исследуемой схеме. Любой провод в роли щупа применять нельзя. Только специальные щупы, иначе вместо реальной картины дел увидишь только шумы.
Итак с помощью осциллографа можно измерить:
Определить форму Измерить амплитуду Вычислить частоту и период Измерение уровня шума в цепи Зная закон Ома — измерить ток Визуальный контроль исследуемой формы Определить угол сдвига фазы между двумя сигналами Сравнивать сигналы между собой Узнать АЧХ
Анализ работы различных датчиков и преобразователей
Осциллограф способен точно измерять как постоянное, так и переменное напряжение. У всех таких измерительных устройств имеются два режима: измерение только переменного напряжения и измерение постоянного и переменного одновременно.
Например, если ты выберешь измерение переменного напряжения и подсоединишь щуп к батарейке, то на дисплее ничего не изменится. А если выберешь другой режим, то линия на экране сместится приблизительно на 1.5 Вольта вверх (величина ЭДС обычной батарейки типа АА). Это необходимо для четкого разделения постоянной и переменной составляющей.
Допустим захотел ты измерить пульсации в источнике постоянного напряжения вольт на 30. Подключаешь к осциллографу, а луч сместился далеко вверх. Для того, чтобы можно было наблюдать сигнал необходимо настроить значение В/дел на клетку.
Но тогда пульсаций уже не видно. Что делать? Переключаешь режим входа на измерение переменной составляющей и вращаешь регулятор В/Дел на масштаб поменьше.
Постоянная составляющая сигнала не может пройти, поэтому на дисплее будут видны только только пульсации блока питания.
Амплитуду переменного напряжения легко померить зная цену деления В/дел и просто посчитать число клеток по оси У от нулевого значения (среднего), до максимума.
Измерение частоты с помощью осциллографа, а в случае необходимости можно даже сравнить частоты двух сигналов, с помощью фигур Лиссажу
С помощью двухканального осциллографа можно измерить и сдвиг фаз, например, после прохождения через конденсатор или индуктивность фаза тока и напряжения обычно расходятся
Измерение силы тока с помощью осциллографа
Для этого в схему нужно последовательно включить резистор, имеющий значительно более низкое сопротивление, чем сама цепь.
После этого измеряют напряжения по принципу, рассказанному выше. А уже зная номинальное сопротивление резистора и общее напряжение в цепи несложно найти и силу тока, если вы конечно дружите с законом Ома.
Как измерить пульсации блока питания осциллографом
| Применение осциллографов в радиолюбительской практике |
Они применяются при создании, ремонте, наладке различных электронных устройств: от мобильных телефонов, до электронных цепей автомобильных двигателей. От военных до гражданских. Они нужны абсолютно везде.
Использование этих приборов не ограничивается лишь миром электроники, как упоминалось выше. При применении дополнительных преобразователей осциллографы могут контролировать абсолютно любые природные явления.
Ведь как мы уже знаем из курса метрологии, преобразователь – это устройство, генерирующие различный сигналы электрической природы в ответ на физическое воздействие, например звук, ультразвук, давление, механический удар, тепло или свет .
Например, хорошо знакомое всем устройство для записи — микрофон это типовой преобразователь звука в электрический сигнал. Автоэлектрики при обслуживании автомобилей применяют осциллографы для фиксации вибраций двигателей . В медтехнике измеряют волны, генерируемые человеческим моз гом, мышечные сокращения сердца и т.п.
Возможности измерительного прибора под названием осциллограф бесконечны, как вселенная и параллельные миры.
Большинство современных цифровых осциллографов имеют различные дополнительные функции, с помощью них можно быстро измерить частоту, амплитуду и многие другие характеристики.
Некоторые модели позволяют провести в реальном времени различные математические преобразования или, допустим, быстрое преобразование фурье.
В целом, этот прибор позволяет наблюдать на дисплее временные и физические характеристики сигнала.
Временными характеристиками при измерении считаются: Частота, скважность, период и коэффициент заполнения, время нарастания и спада.
К Физическим характеристикам можно отнести: максимум и минимум сигнала, амплитуду, средне квадратичное, среднее значение и т.п
| Основные характеристики и свойства осциллографа |
Ключевым свойством любой осциллографической системы является её возможность точно воспроизводить форму исследуемого импульса сигнала . Она определяется наиважнейшей характеристикой осциллографа, называемой целостность сигнала.
Все узлы и системы этого измерительного прибора, их свойства в зависимости от выбранных режимов работы, вносят свою лепту в способность отражать на дисплее наиболее точную информацию об исследуемом сигнале. Незабываем, что щупы также оказывают существенное воздействие на целостность в любой измерительной системе.
Понятие характеристики целостности нужно учитывать при проектировании различных электронных схем. Раньшьше это в принципе не касалось цифровых разработок на логических схемах, функционирующих по законам булевой алгебры.
Но во времена уже не столь удаленные трудно выделяемые сильно зашумлённые сигналы, стали характерной чертой для схем высокоскоростной обработки , что сразу же стало предметом серьезного беспокойства для разработчиков высокочастотной схемотехники.
Во времена чуть более удаленные, но не столь темные цифровые системы работали на низких тактовых частотах, поэтому форма сигналов была предсказуемой. К сегодняшним реалиям тактовая частота процессоров увеличилась на порядки.
Высокоскоростные устройства ввода-вывода, требуют наличия широкой полосы пропускания.
Микропроцессорные схемы обрабатывают данные со скоростями 5-10 Гвыбс (гига выборок за секунду), а современные на сегодня микросхемы памяти DDR3 работают на частотах более 2 ГГц, с временем нарастания фронта импульса 200 пс.
Кроме того тенденция роста быстродействия затрагивает и ИМС общего назначения, используемые в бытовой и автомобильной электронике.
Даже 20 МГц микропроцессоры могут столкнуться с сигналами, которые можно правильно отследить процессорами от 800 МГц и более.
В погрешность измерения вносит коррективы факт рассогласования прибора с пробником, для устранения этого влияния современные осциллографы имеют специальную опцию компенсации влияния измерительной системы на выводимый на дисплей сигнал.
В то же время и компоненты сигнального тракта обладают паразитными свойствами . Слои заземления и питания обладают индуктивными свойствами из-за этого питающие развязки становятся менее эффективными. Электромагнитные помехи возрастают тем сильнее, чем ниже время нарастания.
Кроме того импульсы с малым временем нарастания требуют для своей генерации более высоких токовых уровней, что приводит к возникновению особых требований к заземлению многоразрядных шин, где может случаться параллельное переключение многих сигналов. Вдобавок более высокие токовые значения являются причиной роста электромагнитных помех, а вместе с ними и перекрёстных наводок.
Итак у современного осциллографа имеется множество характеристик, перечислим основные из них.
Полоса пропускания или параметры переходной характеристики Время нарастания переходной характеристики Параметры входов Чувствительность Размер дисплея, габариты Минимальная частота развертки
Минимальный коэффициент — В/дел
| Основные характеристики цифрового осциллографа |
Еще десятилетие назад большинство российских радиолюбителей пользовались приборами, выпущенными еще в СССР. В свое время это были просто замечательные измерительные приборы со своими большими плюсами и небольшими минусами. Технологии ушли вперед и им на смену приходят более функциональные приборы с более продвинутыми характеристиками и свойствами, рассмотрим их более подробно
| Что такое осциллограф? |
Осциллографом называют измерительный прибор, отображающий электрические сигналы в графической форме, т.е он выводит на свой экран диаграмму электрического сигнала.
Диаграмма отражает все изменения электрического сигнала во временном интервале: вертикальная ось (Y) представляет собой значения уровня напряжения, а горизонтальная ось (X) – время .
Яркость или интенсивность выведенной на экран картинки называют осью Z.
В осциллографах с цифровым люминофором ось Z представлена различными градациями светового диапазона. Простейшая диаграмма способна многое рассказать об измереном сигнале:
Значение уровней напряжения в определенный момент времени частота колебаний участки схемы с изменяющимися характеристиками частота, части сигнала, соотношения с другими составляющими искажение за счет неисправных радио элементов; соотношение переменной и постоянной составляющих
шумовая составляющая сигнала и ее изменения во времени.
Осциллограф измеряет различные виды колебаний напряжения . Один период колебания представляет собой волну, которая полностью повторяется . Форма волны – есть ни что иное как, графическое отображение колебания. Форма изменения напряжения выражается в виде графика зависимости величины напряжения (по вертикальной рси) от времени (по горизонтальной оси).
Формы волны многое многое может поведать о сигнале . Каждый раз, наблюдая изменения по высоте сигнала, мы видим, что это изменилось значение уровня напряжения .
Если мы наблюдаем плоскую горизонтальную линию, то можно сделать вывод, что за этот временной промежуток значение напряжения не изменилось . Прямые диагональные линии говорят о линейном изменении напряжения, т.е .
периодический спад или нарастание указывают на резкие изменения. На рисунке ниже представлены наиболее распространенные формы сигналов.
| Осциллограф общий принцип работы |
Современный цифровой осциллограф отличается от своих аналоговых предшественников только тем, что представляет собой почти полноценный компьютер, который измеряет, преобразует, собирает, анализирует и манипулирует полученными значениями сигнала, поступающего на его входы.
Сегодня существует огромное количество разных осциллографов. Но принципы работы у них один — прибор осуществляет измерение напряжения сигнала и выводит его на дисплей. На картинке ниже представлена обычная панель управления. На которой много всяких кнопок, регуляторов, разъемов и дисплей. Два главных органа управления осциллографом называются «Развертка» или «Длительность», «В/дел».
Что такое «В/дел»? На вход осциллографа можно подавать напряжение разной амплитуды. Нужно подал синусоиду с амплитудой в 1 Вольт, а захотел 0.2В или 10В.
Как видно на рисунке выше, экран измерительного устройства разделен на клеточки — по принципу декартовой системы координат. Так вот регулятор «В/дел» (Volts/ Div) позволяет изменять масштаб по оси Y? т.е менять размер одной клеточки в вольтах. Если выбрать 0.
1 Вольт и подать синусоиду амплитудой в 0.2 Вольта, тогда вся синусоида займёт на дисплее четыре клетки.
А во время измерений в реальной схеме амплитуда может быть такой, что не помещается на дисплее. Вот тогда и нужно крутить ручку регулировки «В/дел», задавая требуемый масшатаб по оси ординат.
«Длительность«. Раньше все осциллографы были аналоговыми. В роли дисплея применялась электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).
И в них, ручка «длительность» («разёртка») использовалась для того, чтобы задать скорость перемещения луча на экране слева на право.
Когда луч перемещается слева на право, а входящий сигнал отклоняет его вниз или вверх. Поэтому мы и видишь на экране осциллографа красивую картинку, например синусоиды.
Если частота развертки будет близка с частотой исследуемой импульсной последовательности, то на дисплее мы сможем произвести измерение, т.к получим статичное изображение, а с разверткой будет казаться, что синусоида куда-то двигается.
Все остальные функции современного осциллографа уже являются приятным дополнением. Их наличие сильно упрощает исследование в электронике и схемотехнике.
Принцип работы цифровых осциллографов, в отличие от аналоговых, не повторяют получаемый сигнал сразу на дисплей, а в начале преобразует его в «цифровую» форму.
Для этого входной сигнал замеряется некоторое число раз за секунду, далее после ряда преобразований цифровые данные воссоздают сигнал и отображает его на цисплее.
Оцифровка измеряемого сигнала происходит в блоке аналогово-цифрового преобразования.
| Инструкции аналоговых осциллографов |
Аналоговые советские осциллографы С1-1, С1-6, С7-8, С7-12, С8-13, С9-1, С9-7, С1-15, С1-16, С1-17, С1-18, С1-20, С1-30, С1-49, С1-55, С1-64, С1-65, С1-67, С1-68, С1-69, С1-70, С1-71, С1-72, С1-73, С1-74, С1-75, С1-76, С1-77, С1-78, С1-79, С1-81, С1-82, С1-83, С1-85, С1-90, С1-91 — блок усилителя Я4С-90, С1-92, С1-93, С1-96, С1-97, С1-98, С1-99, С1-101, С1-102, С1-103, С1-104, С1-107, С1-108 Осциллограф С1-94, С1-112 Осциллограф Главным отличием данной модели является наличие встроенного мультиметра с индикацией результатов измерений непосредственно на экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Основными достоинствами этого прибора являются небольшие габариты и масса и невысокая стоимость при неплохих (для приборов такого класса) технических характеристиках и функциональных возможностях Информация по ремонту, схема Осциллографа С1-114, С1-116, С1-117, С1-118, С1-120, С1-124, С1-125, С1-126
С1-131 Основной отличительной особенностью осциллографа является более широкая полоса рабочих частот исследуемых сигналов, а также наличие встроенного регистратора, что довольно необычно для аналогового осциллографа
Ремонт осциллографов серии С ОР-1 осциллограф радиолюбителя, Н313, Н3014 (Осциллограф-мультиметр, Н3015, ОМЛ-3М, ЭО-58 
Применение осциллографа
Главная
Введение
Новости
Магазин
Блог
Осциллограф представляет собой графический вольтметр. Он измеряет напряжение и показывает форму его изменения от времени на графическом дисплее. При помощи осциллографа можно измерять даже напряжение высокой частоты.
С его помощью можно намного быстрее определить неисправности в цепях. Традиционно осциллограф использовался для поиска неисправностей в цепи зажигания для двигателей с контактной системой зажигания.
С появлением электронных компонентов цепей автомобиля, роль осциллографа при поиске неисправностей возросла. Осциллограф часто используется при проведении проверок совместно с другими приборами.
В настоящее время большие стенды для комплексной проверки двигателей уступают место ручному осциллографу, имеющему больше возможностей для обнаружения неисправности.
В последнее время все чаще применяются осциллографы на базе компьютера.
С помощью ноутбука и осциллографа можно диагностировать неисправности даже в пути.
Наиболее широкое применение нашли осциллографы соединяемые с компьютером или ноутбуком через USB порт. Эти осциллографы называются USB осциллографом.
USB осциллографы чаще всего используются при обнаружения неисправностей в системе управления датчиков и исполнительных механизмов инжекторных двигателей. Кроме того в настоящее время разработаны дополнительные приспособления к USB осциллографам с помощью которых можно дополнительно диагностировать механические неисправности двигателя.
Одно из таких приспособлений называется датчик давления в двигателе.
С помощью подключения датчика давления к осциллографу можно проконтролировать правильность установки распределительных валов, контроль соответствия установки задающего шкива коленчатого вала по отношению к датчику положения коленчатого вала, определить сильный подсос воздуха, выявить неисправный катализатор и др.
Другое приспособление называется датчик разряжения.
С помощью подключенного датчика разряжения к осциллографу можно произвести оценку состояния механики двигателя по графику разряжения во впускном коллекторе при прокрутке двигателя и др.
Теперь давайте рассмотрим применение датчиков. Датчик разрежения В современных условиях ремонт автомобильного двигателя без грамотной диагностики невозможен.
Диагностика тоже бывает разной. Например, состояние механики двигателя можно диагностировать «на слух», «на запах», «на глаз» — самые примитивные методы, но при определенном опыте можно с некоторой вероятностью определить причину неисправности. Можно применить различные инструменты (компрессометр, вакуумметр и т.д.
) — метод более точный, но требующий больших затрат времени. А можно объединить все известные методы диагностики с компьютерными технологиями. В результате получим современные методы диагностики, требующие минимальных затрат времени и усилий, но дающие несравненно более точные результаты.
Кроме этого, появится возможность увидеть то, что раньше проконтролировать было невозможно. Рассмотрим методы компьютерной диагностики состояния механики двигателя.
Суть методов основана на том, что с помощью специальных датчиков при использовании многоканального цифрового осциллографа на базе ПК мы имеем возможность анализировать разные величины: разрежение во впускном коллекторе, давление в цилиндрах, пульсации давления отработавших газов в выхлопной трубе, пульсации давления картерных газов, пульсации давления масла в масляной магистрали, пульсации тока стартера. При этом мы можем засинхронизировать сигнал от индуктивного датчика, установленного на высоковольтный провод свечи первого цилиндра бензинового двигателя или от пьезодатчика, установленного на топливопроводе форсунки первого цилиндра дизельного двигателя. Таким образом, можно сделать вывод о принадлежности определенной аномалии конкретному цилиндру.
Проверка пульсаций разрежения во впускном коллекторе.
Подключение датчика разрежения ко впускному коллектору.
Этот тест проводится в режиме прокрутки стартером. Для блокировки пуска двигателя нужно отключить систему зажигания и/или систему подачи топлива.
Осциллограмма разрежения на исправном двигателе.
Если двигатель исправен, осциллограмма разрежения во впускном коллекторе имеет форму близкую к синусоиде.
Осциллограмма пилообразной формы.
Осциллограмма приобретает пилообразную форму в случае, если ремень (цепь) установлен неправильно.
Осциллограмма имеет шумы в верхней части синусоиды.
Такая осциллограмма разрежения во впускном коллекторе указывает на то, что впускные клапана закоксованы настолько, что нагар на тарелке клапанов препятствует эффективному наполнению цилиндров топливовоздушной смесью.
Неравномерность осциллограммы разрежения во впускном коллекторе.
Такая осциллограмма указывает на нарушения в работе клапанного механизма связанные с неправильной регулировкой тепловых зазоров в клапанном механизме или на неисправность гидрокомпенсаторов. Этот тест также позволяет выделить неисправности только механической части двигателя, а время проведения 5-6 сек, не имеет себе равных.
Проверка пульсаций отработавших газов в выхлопной трубе.
Наверное, многие замечали, как опытный моторист анализирует работу двигателя, поднося руку к выхлопной трубе.
Неравномерность пульсаций выхлопных газов ощущается даже рукой и указывает на наличие проблем в системах подачи топлива, зажигания, а также на проблемы механики двигателя.
Характер пульсаций давления выхлопных газов несет в себе богатую информацию о работе двигателя. Для анализа неравномерности выхлопа используется датчик давления, который подсоединяется к выхлопной трубе.
Подключение датчика разрежения к выхлопной трубе.
Теперь двигатель нужно запустить и оставить работать на холостом ходу.
Осциллограмма пульсаций отработавших газов исправного двигателя.
Если в одном из цилиндров наблюдается увеличение уровня пульсаций, и это отклонение носит систематичный характер, значит, один из цилиндров работает со сниженной эффективностью.
- Увеличение уровня пульсаций в одном из цилиндров.
- Если сравнить результаты этого теста с результатами замера относительной компрессии, то можно будет сказать, неисправна механика двигателя или система управления двигателем.
-
Проверка пульсаций давления картерных газов.
Подключение датчика разрежения к отверстию масляного щупа.
Почти каждый автомобилист наблюдал, как «знатоки» открывали крышку маслозаливной горловины на работающем двигателе и пытались сделать выводы о состоянии поршневой группы.
Газы, прорывающиеся в картер через изношенную цилиндропоршневую группу, вызывают там пульсации давления. Измерив уровень пульсаций давления картерных газов с помощью соответствующего датчика, можно судить о состоянии цилиндропоршневой группы.
-
Осциллограмма пульсаций давления картерных Осциллограмма пульсаций давления картерных
газов исправного двигателя на холостом ходу. - Импульс давления одного из цилиндров на осциллограмме давления картерных газов резко выделяется на фоне остальных.
- Такая осциллограмма указывает на то, что в одном из цилиндров может быть повреждение зеркала цилиндра, поломка или залегание поршневых колец, поломка перегородок или прогар поршня.
Как пользоваться осциллографом и для чего он вообще нужен. Часть II
Это вторая часть ликбеза по осциллографам, а первая часть здесь.
Эта заметка будет постепенно пополняться простыми, но полезными приёмами работы с осциллографом.
Вступление
Главный вопрос, на который следует ответить: «что можно измерить с помощью осциллографа?» Как ты уже знаешь, этот прибор нужен для изучения сигналов в электрических цепях. Их формы, амплитуды, частоты. По полученным данным можно сделать вывод и о других параметрах изучаемой цепи. Значит с помощью осциллографа в основном можно (я не говорю про супер функции супер-современных приборов):
- Определить форму сигнала
- Определить частоту и период сигнала
- Измерить амплитуду сигнала
- Не напрямую, но измерить ток тоже можно (закон Ома в руки)
- Определить угол сдвига фазы сигнала
- Сравнивать сигналы между собой (если прибор позволяет)
- Определять АЧХ
- Забыл что-то упомянуть? Напомните в х!
Все дальнейшие примеры следует делались с рассчетом на аналоговый осциллограф. Для цифрового всё тоже самое, но больше умеет, чем аналоговый и в определённых вопросах снимает необходимость думать там, где можно просто показать цифру. Хороший инструмент таким и должен быть.
Итак, перед работой следует подготовить прибор: поставить на стол, подключить к сети =) Да ладно, шучу. Но если есть возможность, то следует его заземлить. Если есть встроенный калибратор, то по инструкции к прибору надо его откалибровать. (подсказка: инструкции есть в сети).
Подключать свой осциллограф к исследуемой цепи ты будешь с помощью щупа. Это такой коаксильный провод, на одном конце которого разъем для подключения к осциллографу, а на втором щуп и заземление для подключения к исследуемой цепи. Какой попало провод в качестве щупа использовать нельзя. Только специальные щупы. Иначе вместо реальной картины дел увидишь чушь.
Я не буду рассматривать каждый регулятор осциллографа подробно. В сети есть море таких обзоров.
Давай лучше учиться как проводить любительские измерения: будем определять амплитуду, частоту и период сигнала, форму, полосу пропускания усилителя, частоту среза фильтра, уровень пульсаций источника питания и т.д. Остальные хитрости и приёмы придут с практикой. Тебе понадобится осциллограф и генератор сигнала.
Виды сигналов
Буду говорить без барских штучек, по-мужицки. На экране осциллографа ты будешь видеть либо синусоидальный сигнал, либо пилу, либо прямоугольнички, либо треугольный сигнал, либо просто какой-нибудь безымянный график.
Все виды сигналов не перечесть. Да и сами сигналы не знают, что относятся к какому-то там виду. Так что твоя задача не названия запоминать, а смотреть на экран и быстро соображать, что означает увиденное на нём, какой процесс идёт в цепи.
Амплитуда, частота, период
Осциллограф умеет измерять как постоянное, так и переменное напряжение. У всех приборов для этого есть два режима: измерение только переменного сигнала, измерение постоянного и переменного одновременно.
Это значит, что если ты выберешь измерение переменного сигнала и подключишь щуп к батарейке, то на экране прибора ничего не изменится. А если выберешь второй режим и проделаешь тоже самое, то линия на экране прибора сместится приблизительно на 1.6В вверх (величина ЭДС пальчиковой батарейки). Зачем это нужно? Для разделения постоянной и переменной составляющей сигнала!
Пример. Решил ты измерить пульсации в только что собранном источнике постоянного напряжения на 30В. Подключаешь к осциллографу, а луч убежал далеко вверх. Для того, чтобы удобно наблюдать сигнал придется выбрать максимальное значение В/дел на клетку.
Но тогда ты пульсаций точно не увидишь. Они слишком малы. Что делать? Переключаешь режим входа на измерение переменного напряжения и крутишь ручку В/Дел на масштаб в разы поменьше.
Постоянная составляющая сигнала не пройдет и на экране будут показываться только только пульсации источника питания.
Амплитуду переменного напряжения легко определить зная цену деления В/дел и просто посчитать число клеток по оси ординат, которые занимает этот сигнал от нулевого значения (среднего), до максимального.
Если посмотреть на экран осциллографа на картинке выше и предположить, что В/дел = 1В, тогда амплитуда синусоиды будет 1.3В.
А если предположить, что Время/дел (развертка) установлено в 1 миллисекунду, тогда период этой синусоиды будет занимать 4 клетки, а зачит период T = 4 мс. Легко? Давай теперь вычислим частоту этой синусоиды. Частота и период связаны формулой: F = 1/T (Т в секундах). Следовательно F = 1/ (4*10-3) и равняется 250 Гц.
Конечно, это очень грубая прикидка, которая годится только для вот таких чистеньких и красивых сигналов. А если подать вместо чистой синусоиды какую-нибудь музыкальную композицию, то в ней будет множество разных частот и на глазок уже не прикинешь. Чтобы определить какие частоты входят в эту композицию потребуется анализатор спектра. А это уже другой прибор.
Измерение частоты
Как я уже писал выше, с помощью осциллографа можно измерять и частоту. А ещё можно не просто измерить частоту какого-нибудь синусоидального сигнала, а даже сравнить частоты двух сигналов, к примеру, с помощью фигур Лиссажу.
Это очень удобно, когда хочется, например, откалибровать собранный своими руками генератор сигналов, а частотомера под руками нет. Тогда и приходят на помощь фигуры Лиссажу. Жаль не все аналоговые осциллографы могут их показывать.
Сдвиг фаз
Частенько бывает так, что фаза тока и фаза напряжения расходятся. Например, после прохождения через конденсатор, индуктивность или целую цепь.
И если у тебя есть двухканальный осциллограф, то легко можно посмотреть как сильно отличаются фазы тока и напряжения (А если есть современный цифровой, то там есть даже специальная функция для измерения сдвига фаз.
Круто!). Для этого следует подключить осциллограф вот таким образом:
Что еще почитать про осциллографы?
Записки программиста
Практически в любой книге по компьютерным сетям вы без труда найдете описание Ethernet-пакетов, ровно как и пакетов IP, TCP, UDP и прочих. Но в тех источниках, что мне встречались, описание это было довольно высокоуровневым, в терминах байтов, которые как-то передаются по витой паре. Но как конкретно единички и нолики представляются при помощи напряжения или тока? Давайте выясним!
Разобраться в происходящем нам поможет, конечно же, осциллограф. В рамках этой заметки мы будем рассматривать исключительно 10-и мегабитный Ethernet, или 10baseT. Более высокоскоростные стандарты 100baseT и 1000baseT работают схожим образом. Однако для их анализа нужен осциллограф с широкой полосой пропускания, которым, как правило, простые радиолюбители вроде нас с вами не обладают.
Если я просто возьму ноутбук и соединю его витой парой со моим роутером, то устройства договорятся использовать стандарт 100baseT, как наиболее быстрый из понимаемых и тем, и другим. Поэтому нужно прямо указать, что интерфейсу следует использовать 10baseT. В Linux это можно сделать, сказав:
sudo ethtool -s enp0s25 speed 10 autoneg off
Проверить, на какой скорости работает интерфейс, можно командой:
Далее нам нужно как-то увидеть передаваемый сигнал на осциллографе. Для этого я снял изоляцию с витой пары, нашел в ней оранжевый и бело-оранжевый провод, и снял изоляцию с них. Провода оказались многожильными. Чтобы в таком виде витая пара прослужила дольше, провода были залужены.
Теперь к ним можно подключиться щупом осциллографа:
В Ethernet используется дифференциальные сигналы. Это означает, что земли в витой паре как таковой нет. Сигнал передается по паре проводов.
По одному проводу идет некий сигнал, а во второму — обратный к нему, инвертированный сигнал. Помимо прочего, такой способ передачи информации обеспечивает повышенную устойчивость к помехам.
Дифференциальные сигналы используются не только в Ethernet, но также и в CAN, PCI Express, USB, DVI и SATA.
Неудобство при работе с дифференциальными сигналами заключается в том, что подключив щуп осциллографа, как изображено на фото, мы сможем посмотреть сигнал только на одной паре проводов. Связано это с тем, что земля на всех каналах осциллографа общая.
Подключив второй щуп, мы соединим через общую землю две несвязанные между собой пары проводов, и тем самым превратим сигнал в тыкву. Для решения этой проблемы существуют специальные устройства, дифференциальные пробы. Самый дешевый дифференциальный проб, который мне удалось найти, называется Micsig DP10013 и продается на eBay примерно за 130$.
При этом для каждого канала нужен свой дифференциальный проб. Может оказаться дешевле купить второй осциллограф.
Fun fact! Оранжевая пара проводов используется для передачи сигнала от компьютера к роутеру, а зеленая пара — для передачи от роутера к компьютеру. Все четыре пары начинают использоваться, начиная только с гигабитного Ethernet’а (1000baseT). Именно поэтому встречаются Ethernet-кабели, имеющие лишь две пары проводов.
Итак, если все было сделано правильно, на осциллографе мы начнем видеть Ethernet-фреймы:
Пакеты большие, поэтому рассматривать их в осциллографе не очень удобно. К счастью, все данные можно сохранить на флешку в формате CSV, перекинуть на компьютер, и затем импортировать в Audacity.
Единственная сложность заключается в том, что осциллограф пишет напряжение в вольтах, а Audacity при импорте нужны относительные значения от -1 до 1. Но эта проблема решается в сорок строк на Python.
Код скрипта вы найдете в исходниках к посту, в файле rigol_to_audacity.py.
Для импорта данных в Audacity говорим Generate → Sample Data Import… и выбираем текстовый файл, полученный благодаря скрипту. Вот что мы увидим в итоге:
Здесь используется манчестерское кодирование.
В отличие от всяких SPI, I2C и UART, кодирующих единички и нолики высоким и низким напряжением, в манчестерском кодировании используется не напряжение, а восходящие и нисходящие фронты сигнала.
Помимо прочего, такой подход интересен тем, что он не нуждается в отдельном проводе для передачи тактового сигнала. Все, что нужно для синхронизации передающей и принимающей стороны, содержится в самом сигнале.
Тот же скриншот, только с единичками и ноликами:
Примечание: Поскольку существует ровно два способа подключить проб осциллографа к двум проводам, у вас сигнал может получиться либо точно таким же, либо перевернутым.
Обратите внимание, что единички и нолики передаются с фиксированной скоростью (расстояние между всеми стрелочками на изображении одинаковое). Таким образом, если передающей стороне для передачи следующего бита нужно предварительно повысить или понизить напряжение, она может спокойно это сделать между передачей двух битов. Принимающей стороной такой переход будет проигнорирован.
Поскольку искать единички и нолики в Audacity довольно утомительно, был написан еще один скрипт, делающий за нас эту рутинную работу. Его вы найдете в исходниках к этой заметке под именем ethernet_decode.py. Благодаря скрипту мы можем увидеть весь Ethernet-фрейм в бинарном виде:
# Преамбула занимает 8 байт. Помимо прочего, она может быть
# использована для калибровки часов на принимающей стороне.
10101010
10101010
10101010
10101010
10101010
10101010
10101010
10101011 # MAC-адрес получателя: E4:95:6E:43:42:7F
# Важно! Используется порядок бит lsb-first.
00100111
10101001
01110110
11000010
01000010
11111110 # MAC-адрес отправителя: 0E:18:77:10:72:DC
00000111
00011000
11101110
00001000
01001110
00111011 # Тип пакета: 08 00, означает IPv4 # https://en.wikipedia.org/wiki/EtherType#Examples
00010000
00000000 # Полезная нагрузка: от 46 до 1500 байт,
# в данном случае — 84 байта.
10100010
00000000
00000000
00101010
# … и так далее, см payload.dat # Контрольная сумма фрейма: 00010001 # 0x88
10100110 # 0x65
00101001 # 0x94
00000111 # 0xE0
Контрольная сумма является самым обыкновенным CRC32 и вычисляется от всего фрейма за исключением преамбулы и, понятно, самой контрольной суммы. Скрипт ethernet_decode.py сохраняет соответствующие данные в отдельном бинарном файле, благодаря чему контрольную сумму очень легко проверить:
$ sudo pacman -S perl-archive-zip
… пропущено …
$ crc32 frame.dat
e0946588
Как видите, контрольная сумма сходится, только порядок байт в Ethernet используется обратный.
Также скрипт сохраняет в отдельном файле полезную нагрузку фрейма. Его при желании можно открыть в Wireshark. Для этого полезную нагрузку нужно перевести из бинарного формата в текстовый:
od -Ax -tx1 -v payload.dat > payload.hex
… а затем воспользоваться диалогом File → Import from Hex Dump. В выпадающем списке Encapsulation type выбираем Raw IPv4. В данном случае полезной нагрузкой был ICMP-пакет, посланный командой ping mail.ru.
Итак, теперь мы знаем, как именно единички и нолики передаются по витой паре! Если вам хочется пойти дальше, и узнать о форматах IP, TCP, UDP и прочих пакетов, по этой теме можно найти информацию в Википедии. Кроме того, можно порекомендовать книгу Компьютерные сети за авторством Виктора и Натальи Олифер. Из инструментов вам пригодятся уже упомянутый Wireshark, а также tcpdump и libpcap.
Все исходники к этой заметке вы найдете в этом репозитории на GitHub. Как всегда, буду рад вашим вопросам и дополнениям.
Дополнение: Снифинг Ethernet-трафика с платой Throwing Star
Использование осциллографа
▌Старая статья о аналоговом осциллографе
Рано или поздно любой начинающий электронщик, если не бросит свои эксперименты, то дорастет до схем, где нужно отслеживать не просто токи и напряжения, а работу схемы в динамике. Особенно это часто нужно в различных генераторах и импульсных устройствах. Вот тут без осциллографа делать нечего!
Страшный прибор, да? Куча ручек, каких то кнопочек, да еще экран и нифига не понятно что тут да зачем. Ничего, сейчас исправим. Сейчас я тебе расскажу как пользоваться осциллографом.
На самом деле тут все просто — осциллограф, грубо говоря, это всего лишь… вольтметр! Только хитрый, способный показывать изменение формы замеряемого напряжения.
Как всегда, поясню на отвлеченном примере.
Представь, что ты стоишь перед железной дорогой, а мимо тебя с бешеной скоростью мчится бесконечный поезд состоящий из совершенно одинаковых вагонов. Если просто на них стоять и смотреть, то ничего кроме размытой фигни ты не увидишь.
А теперь ставим перед тобой стенку с окошком.
И начинаем открывать окошко только тогда, когда очередной вагон будет в том же положении, что и предыдущий. Так как у нас вагоны все одинаковые, то тебе совершенно необязательно видеть один и тот же вагон. В результате картинки разных, но идентичных вагонов будут выскакивать перед твоими глазами в одном и том же положении, а значит картинка как бы остановится.
Главное это синхронизировать открытие окошка со скоростью поезда, чтобы при открытии положение вагона не менялось. Если скорость не совпадет, то вагоны будут «двигаться» либо вперед, либо назад со скоростью, зависящую от степени рассинхронизации.
На этом же принципе построен стробоскоп — девайс, позволяющий разглядывать быстро движущиеся или вращающиеся хреновины. Там тоже шторка быстро-быстро открывается и закрывается.
Так вот, осциллограф это тот же стробоскоп, только электронный. А показывает он не вагоны, а периодические изменения напряжения. У той же синусоиды, например, каждый следующий период похож на предыдущий, так почему бы не «остановить» его, показывая в один момент времени один период.
Конструкция
Делается это посредством лучевой трубки, отклоняющей системы и генератора развертки.
В лучевой трубке пучок электронов попадая на экран заставляет светится люминофор, а пластины отклоняющей системы позволяют гонять этот пучок по всей поверхности экрана.
Чем сильней напряжение, приложенное к электродам, тем больше отклоняется пучок. Подавая на пластины Х пилообразное напряжение мы создаем развертку. То есть луч у нас движется слева-направо, а потом резко возвращается обратно и продолжает снова.
А на пластины Y мы подаем изучаемое напряжение.
Принцип работы
Дальше все просто, если начало появления периода пилы (луч в крайне левом положении) и начало периода сигнала совпадают, то за один проход развертки нарисуется один или несколько периодов измеряемого сигнала и картинка как бы остановится. Меняя скорость развертки можно добиться того, что на экране вообще останется только один период — то есть за один период пилы пройдет один период измеряемого сигнала.
Развертка осциллографа во времени
Синхронизация
Синхронизировать пилу с сигналом можно либо вручную, подстраивая ручкой скорость так, чтобы синусоида остановилась, а можно по уровню. То есть мы указываем при каком уровне напряжения на входе нужно запустить генератор развертки.
Как только напряжение на входе превысит уровень, так сразу же запустится генератор развертки и выдаст нам импульс.
В итоге, генератор развертки выдает пилу только тогда, когда надо. В этом случае синхронизация получается полностью автоматической.
При выборе уровня следует учитывать такой фактор, как помехи. Так что если взять слишком низкий уровень, то мелкие иголки помех могут запустить генератор когда не нужно, а если взять уровень слишком большой, то сигнал может под ним пройти и ничего не случится.
Но тут проще покрутить ручку самому и сразу же все станет понятно.
Также сигнал синхронизации можно подать и с внешнего источника.
Синхронизация по уровню
В топку теорию, переходим к практике.
Показывать буду на примере своего осциллографа, спертого когда то давно с оборонного предприятия КБ «Ротор» :). Обычный осцил, не шибко навороченный, но надежный и простой как кувалда.
Мой верный осциллограф
Итак:
Яркость, фокус и освещение шкалы думаю не требуют пояснений. Это настройки интерфейса.
Усилитель У и стрелочки вверх вниз. Эта ручка позволяет гонять изображение сигнала вверх или вниз. Добавляя ему дополнительное смещение. Зачем? Да иногда не хватает размера экрана, чтобы вместить весь сигнал. Приходится его загонять вниз, принимая за ноль не середину, а нижнюю границу.
Ниже идет тумблер переключающий ввод с прямого, на емкостный. Этот тумблер в том или ином виде есть на всех без исключения осциллографах.
Важная вещь! Позволяет подключать сигнал к усилителю либо напрямую, либо через конденсатор. Если подключить напрямую, то пройдет и постоянная составляющая и переменная. А через кондер проходит только переменная.
Например, надо нам посмотреть на уровень помех блока питания компа. Напряжение там 12 вольт, а величина помех может быть не более 0.3 вольт. На фоне 12 вольт эти жалкие 0.3 вольт будут совсем незаметны.
Можно, конечно увеличивать коэффициент усиления по Y, но тогда график вылезет за экран, а смещения по Y не хватит, чтобы увидеть вершину.
Тогда нам нужно лишь врубить конденсатор и тогда те 12 вольт постоянки осядут на нем, а в осциллограф пройдет только переменный сигнал, те самые 0.3 вольта помехи. Которые можно усилить и разглядеть в полный рост.
Далее идет коаксиальный разъем подключения щупа. Каждый щуп содержит в себе сигнал и землю. Землю обычно сажают на минус или на общий провод схемы, а сигнальным тычут по схеме.
Осциллограф показывает напряжение на щупе относительно общего провода. Чтобы понять где сигнальный, а где земля достаточно взять за них рукой по очереди. Если возьмешься за общий, то на экране по прежнему будет пульс трупа.
А если взяться за сигнальный, то увидишь кучу срача на экране — наводки на твое тело, служащее в данный момент антенной.
На некторых щупах, особенно на современных осциллографах, внутри встроен делитель напряжения 1:10 или 1:100, который позволяет воткнуть осциллограф хоть в розетку, без риска его спалить. Включается и выключается он тумблером на щупе.
Еще почти на каждом осциллографе есть калибровочный выход. На котором ты всегда можешь найти прямоугольный сигнал частотой 1Кгц и напряжением около полувольта. В зависимости от модели осцила. Используется для проверки работы самого осциллографа, ну иногда и в тестовых целях пригождается 🙂
Две здоровенные крутилки Усиление и Длительность
Усиление служит для масштабирования сигнала по оси Y. Там же показано сколько вольт на деление в итоге покажет.
Скажем, если у тебя стоит 2 вольта на деление, а сигнал на экране достигает высоты две клеточки размерной сетки, значит амплитуда сигнала равна 4 вольта.
Длительность определяет частоту развертки. Чем короче интервал, чем больше частота, тем более высокочастотный сигнал ты сможешь разглядеть. Тут клеточки проградуированы уже в милли и микросекундах.
Так что по ширине сигнала ты можешь посчитать сколько он клеток, а умножив его на масштаб по оси Х получишь длительность сигнала в секундах.
Также можно посчитать длительность одного периода, а зная длительность легко найти частоту сигнала f=1/t
Верхняя пипка на крутилках позволяет менять масштаб плавно. Обычно у меня она стоит на щелчке, чтобы я всегда четко знал какой у меня масштаб.
Также там есть вход Х на который можно подать свой сигнал, вместо пилы развертки. Таким образом осциллограф может послужить телевизором или монитором, если собрать схему которая будет формировать изображение.
Крутилка с надписью Развертка и стрелочками влево и вправо позволяет гонять график по экрану влево и вправо. Удобно иногда бывает, чтобы подогнать нужный участок под деления сетки.
Блок синхронизации.
Ручка уровня — задает уровень от которого будет стартовать генератор пилы.
Переключатель со внутренней на внешнюю, позволяет подать на вход синхроимпульсы с внешнего источника.
Переключатель с надписью +/- переключает полярность уровня. Есть не на всех осциллографах.
Ручка стабильность — позволяет вручную попытаться подобрать скорость синхронизации.
Быстрый старт.
Итак, включил ты осцил. Первое что нужно сделать это замкнуть сигнальный щуп на свой же земляной крокодил. При этом на экране должен появится «Пульс трупа». Если не появился, то покрути ручки стабилизации и смещений и уровня — возможно он просто спрятался за экран или не запустился из-за недостаточного уровня.
Как только появилась полоса, то выстави крутилками смещения её на ноль. Если у тебя аналоговый осцил, особенно если древний, то дай ему прогреться. У моего после включения ноль плавает еще минут пятнадцать.
Дальше выстави предел измерений по напряжению. Бери с запасом, если что уменьшишь.
Теперь если земляной провод осциллографа приложишь к минусу батарейки, а сигнальный к плюсу, то увидишь как график скакнет на полтора вольта.
Кстати, старые осциллографы зачастую начинают подвирать, поэтому по эталонному источнику напряжения полезно посмотреть насколько точно он отображает напряжение.
Выбор осциллографа.
Если ты только начал, то тебе подойдет любой. Крайне желательно если он будет двухканальным. То есть у него будет два щупа и две крутилки Усиления, для первого и второго канала, что позволяет одновременно получить два графика.
Вторым по важности критерием осциллографа является частота. Максимальная частота сигнала которую он может уловить. Мне пока хватало 1МГц на большее не замахивался. Те осциллографы, что продаются в магазинах уже имеют частоту от 10МГц и выше.
Самый дешевый осциллограф который я видел стоил 5 тысяч рублей — ОСУ-10. Двухканальный стоит уже 10 тысяч, ну а я нацелился взял себе цифровой RIGOL DS1042CD за килобакс. Разные запросы — разные игрушки. Но, повторюсь, для начала хватит и 1МГц, и хватит надолго.
Так что найди себе хоть какой нибудь осциллограф. А там поймешь что тебе надо.