Como fazer uma medição do osciloscópio

Um osciloscópio digital é, é claro, muito mais perfeito que um eletrônico convencional, permite lembrar formas de onda, conectar-se a um computador pessoal, possui processamento matemático de resultados, marcadores de tela e muito mais. Mas com todas as vantagens, esses dispositivos de nova geração têm uma desvantagem significativa - esse é um preço alto.

É ela quem torna o osciloscópio digital inacessível para fins amadores, embora existam osciloscópios de bolso que valem apenas alguns milhares de rublos, que são vendidos no Aliexpress, mas não é particularmente conveniente usá-los. Bem, apenas um brinquedo interessante. Portanto, enquanto falaremos sobre medições usando um osciloscópio eletrônico.

Sobre o tema da escolha de um osciloscópio para uso em um laboratório doméstico na Internet, você pode encontrar um número suficiente de fóruns. Sem negar as vantagens dos osciloscópios digitais, em muitos fóruns é recomendável optar por osciloscópios domésticos simples, pequenos e confiáveis, de tamanho pequeno C1-73 e C1-101 e similares, que conhecemos anteriormente em este artigo.

A um preço bastante acessível, esses dispositivos permitirão que você execute a maioria das tarefas de rádio amador. Enquanto isso, vamos nos familiarizar com os princípios gerais das medições usando um osciloscópio.

Figura 1. Osciloscópio S1-73

O que um osciloscópio mede

O sinal medido é alimentado à entrada do canal de deflexão vertical Y, que possui uma grande resistência de entrada, geralmente 1MΩ, e uma pequena capacitância de entrada, não superior a 40pF, o que permite introduzir distorção mínima no sinal medido. Esses parâmetros são frequentemente indicados ao lado da entrada do canal de deflexão vertical.

Figura 2. Osciloscópio C1-101

A alta impedância de entrada é típica dos voltímetros, portanto, é seguro dizer que o osciloscópio mede a tensão. O uso de divisores de entrada externos permite reduzir a capacitância de entrada e aumentar a impedância de entrada. Também reduz a influência do osciloscópio no sinal sob investigação.

Deve-se lembrar que existem osciloscópios especiais de alta frequência, cuja impedância de entrada é de apenas 50 Ohms. Na prática de rádio amador, esses dispositivos não encontram aplicação. Portanto, focaremos ainda mais osciloscópios universais convencionais.

Largura de banda do canal Y

O osciloscópio mede tensões em uma faixa muito ampla: de tensões CC a tensões de uma frequência suficientemente alta. O balanço de tensão pode ser bastante diversificado, de dezenas de milivolts a dezenas de volts, e ao usar divisores externos de várias centenas de volts.

Deve-se ter em mente que a largura de banda do canal do desvio vertical Y db não menos que 5 vezes maior que a frequência do sinal a ser medido. Ou seja, o amplificador do desvio vertical deve passar pelo menos o quinto harmônico do sinal em estudo. Isso é especialmente necessário ao estudar pulsos retangulares que contêm muitos harmônicos, conforme mostrado na Figura 3. Somente neste caso, uma imagem com distorção mínima é obtida na tela.

Figura 3. Síntese de um sinal retangular a partir de componentes harmônicos

Além da frequência fundamental, a Figura 3 mostra o terceiro e o sétimo harmônicos. À medida que o número harmônico aumenta, sua frequência aumenta: a frequência do terceiro harmônico é três vezes maior que o fundamental, o quinto harmônico é cinco vezes, o sétimo é sete, etc. Consequentemente, a amplitude dos harmônicos mais altos diminui: quanto maior o número harmônico, menor sua amplitude. Somente se o amplificador do canal vertical sem muita atenuação puder perder os harmônicos mais altos, a imagem do pulso será retangular.

A Figura 4 mostra a forma de onda de um meandro com largura de banda Y insuficiente do canal.

Figura 4

O meandro com uma frequência de 500 KHz se parece com isso na tela de um osciloscópio OMSh-3M com uma largura de banda de 0 ... 25 KHz. Como se pulsos retangulares fossem passados ​​através de um circuito RC integrado. Esse osciloscópio foi produzido pela indústria soviética para trabalhos de laboratório nas aulas de física nas escolas. Mesmo a tensão de alimentação deste dispositivo por razões de segurança não era 220, mas apenas 42V. É absolutamente óbvio que um osciloscópio com essa largura de banda permitirá observar um sinal com frequências não superiores a 5 kHz e quase sem distorção.

Para um osciloscópio universal convencional, a largura de banda costuma ser de 5 MHz. Mesmo com essa banda, você pode ver um sinal de até 10 MHz e superior, mas a imagem recebida na tela permite avaliar apenas a presença ou ausência desse sinal. Será difícil dizer algo sobre sua forma, mas em algumas situações a forma não é tão importante: por exemplo, existe um gerador de ondas senoidais e basta apenas garantir que haja ou não essa onda senoidal. Apenas essa situação é mostrada na Figura 4.

Os modernos sistemas de computação e linhas de comunicação operam em frequências muito altas, da ordem de centenas de megahertz. Para ver esses sinais de alta frequência, a largura de banda do osciloscópio deve ser de pelo menos 500 MHz. Uma banda tão larga realmente "expande" o preço do osciloscópio.

Um exemplo é o osciloscópio digital U1610A, mostrado não na Figura 5. Sua largura de banda é de 100 MHz e o preço é de quase 200.000 rublos. Concordo, nem todos podem comprar um dispositivo tão caro.

Figura 5

Não permita que o leitor considere esta imagem como um anúncio publicitário, pois todas as coordenadas do vendedor não estão pintadas: qualquer captura de tela semelhante pode aparecer no lugar dessa imagem.

Tipos de sinais estudados e seus parâmetros

O tipo mais comum de oscilação na natureza e na tecnologia é um sinusóide. Essa é a mesma função de longo sofrimento Y = sinX, realizada na escola nas lições de trigonometria. Muitos processos elétricos e mecânicos têm uma forma sinusoidal, embora muitas vezes outras formas de sinais sejam usadas na tecnologia eletrônica. Alguns deles são mostrados na Figura 6.

Figura 6. Formas de vibrações elétricas

Sinais periódicos. Características do sinal

Um osciloscópio eletrônico universal permite estudar com precisão sinais periódicos. Se, na entrada Y, você enviar um sinal sonoro real, por exemplo, um fonograma musical, as explosões aleatórias aleatórias serão visíveis na tela. Naturalmente, é impossível investigar esse sinal em detalhes. Nesse caso, o uso de um osciloscópio de armazenamento digital ajudará, o que permite salvar a forma de onda.

As oscilações mostradas na Figura 6 são periódicas, repetidas após um certo período de tempo T. Isso pode ser considerado em mais detalhes na Figura 7.

Figura 7. Flutuações periódicas

As oscilações são representadas em um sistema de coordenadas bidimensional: a tensão é medida ao longo do eixo das ordenadas e o tempo é medido ao longo do eixo das abcissas. A tensão é medida em volts, tempo em segundos. Para vibrações elétricas, o tempo é frequentemente medido em milissegundos ou microssegundos.

Além dos componentes X e Y, a forma de onda também contém o componente Z - intensidade, ou simplesmente brilho (figura 8) É ela quem liga a trave durante o tempo de avanço da trave e apaga-se pela hora do golpe de retorno. Alguns osciloscópios têm uma entrada para controlar o brilho, chamada entrada Z. Se você aplicar uma tensão de pulso de um gerador exemplar a esta entrada, poderá ver as etiquetas de frequência na tela. Isso permite medir com mais precisão a duração do sinal ao longo do eixo X.

Figura 8. Três componentes do sinal investigado

Os osciloscópios modernos têm, em regra, varreduras calibradas com o tempo que permitem um tempo preciso. Portanto, praticamente não é necessário usar um gerador externo para criar tags.

No topo da Figura 7, há uma onda senoidal. É fácil ver que ele começa no início do sistema de coordenadas. Durante o tempo T (período), uma oscilação completa é realizada. Então tudo se repete, no próximo período. Tais sinais são chamados periódicos.

Sinais retangulares são mostrados abaixo da onda senoidal: meandro e pulso retangular. Eles também são periódicos no período T. A duração do pulso é indicada como τ (tau). No caso de um meandro, a duração do pulso τ é igual à duração da pausa entre os pulsos, apenas metade do período T. Portanto, o meandro é um caso especial de uma onda quadrada.

Dever e Taxa de Dever

Para caracterizar pulsos retangulares, é usado um parâmetro chamado ciclo de serviço. Esta é a razão entre o período de repetição do pulso T e a duração do pulso τ. Para o meandro, o ciclo de trabalho é igual a dois, - o valor é adimensional: S = T / τ.

Na terminologia inglesa, o oposto é verdadeiro. Lá, os pulsos são caracterizados pelo ciclo de trabalho, a razão entre a duração do pulso e o período do ciclo de trabalho: D = τ / T. O fator de preenchimento é expresso em %%. Assim, para o meandro, D = 50%. Acontece que D = 1 / S, ciclo de trabalho e ciclo de trabalho são mutuamente inversos, embora caracterizem o mesmo parâmetro de pulso. A forma de onda do meandro é mostrada na Figura 9.

Figura 9. Forma de onda do meandro D = 50%

Aqui, a entrada do osciloscópio é conectada à saída do gerador funcional, que é mostrada imediatamente no canto inferior da figura. E aqui um leitor atento pode fazer uma pergunta: “A amplitude do sinal de saída do gerador de 1V, a sensibilidade da entrada do osciloscópio é de 1V / div. E a tela exibe pulsos retangulares com uma magnitude de 2V. Porque

O fato é que o gerador funcional gera pulsos retangulares bipolares em relação ao nível de 0V, aproximadamente o mesmo que um sinusóide, com amplitudes positivas e negativas. Portanto, pulsos com amplitude de ± 1V são observados na tela do osciloscópio. Na figura a seguir, alteramos o ciclo de serviço, por exemplo, para 10%.

Figura 10. Momento retangular D = 10%

É fácil ver que o período de repetição do pulso é de 10 células, enquanto a duração do pulso é de apenas uma célula. Portanto, D = 1/10 = 0,1 ou 10%, como pode ser visto nas configurações do gerador. Se você usar a fórmula para calcular o ciclo de serviço, obtém S = T / τ = 10/1 = 1 - o valor é adimensional. Aqui podemos concluir que o ciclo de serviço caracteriza o impulso muito mais claramente do que o ciclo de trabalho.

Na verdade, o próprio sinal permaneceu o mesmo da Figura 9: um pulso retangular com uma amplitude de 1 V e uma frequência de 100 Hz. Somente o fator de preenchimento ou o ciclo de trabalho está mudando, é como se alguém fosse mais familiar e conveniente. Mas, para conveniência da observação na Figura 10, a duração da varredura é reduzida pela metade em comparação à Figura 9 e é de 1ms / div. Portanto, o período do sinal leva 10 células na tela, o que facilita bastante verificar se o ciclo de trabalho é de 10%. Ao usar um osciloscópio real, a duração da varredura é selecionada aproximadamente a mesma.

Medição de tensão de pulso retangular

Como mencionado no início do artigo, o osciloscópio mede a tensão, ou seja, diferença de potencial entre dois pontos. Normalmente, as medições são feitas em relação a um fio comum, terra (zero volts), embora isso não seja necessário. Em princípio, é possível medir do valor mínimo ao máximo do sinal (valor de pico, pico a pico). De qualquer forma, as etapas de medição são bastante simples.

Os pulsos retangulares geralmente são unipolares, o que é típico da tecnologia digital. Como medir a tensão de um pulso retangular é mostrado na Figura 11.

Figura 11. Medição da amplitude de um pulso retangular

Se a sensibilidade do canal de desvio vertical for de 1V / div, a figura mostra um pulso com uma tensão de 5,5V. Com uma sensibilidade de 0,1V / div. A voltagem será de apenas 0,5V, embora na tela os dois pulsos pareçam exatamente iguais.

O que mais pode ser visto em um impulso retangular

Os pulsos retangulares mostrados nas Figuras 9, 10 são simplesmente ideais porque são sintetizados pelo Electronics WorkBench. E a frequência de pulso é de apenas 100 Hz, portanto, problemas com a "quadratura" da imagem não podem surgir. Em um dispositivo real, a uma alta taxa de repetição, os pulsos são um pouco distorcidos; primeiro, vários surtos e rajadas aparecem devido à indutância da instalação, como mostra a Figura 12.

Figura 12. Impulso retangular real

Se você não prestar atenção a essas "ninharias", o impulso retangular será semelhante ao mostrado na Figura 13.

Figura 13. Parâmetros de um pulso retangular

A figura mostra que as bordas anterior e posterior do pulso não aparecem imediatamente, mas têm alguns tempos de subida e descida e são um pouco inclinadas em relação à linha vertical. Essa inclinação é devida às propriedades de frequência de microcircuitos e transistores: quanto maior o transistor de frequência, menos "frentes" dos pulsos. Portanto, a duração do pulso é determinada pelo nível de 50% de toda a faixa.

Pela mesma razão, a amplitude do pulso é determinada pelo nível de 10 ... 90%. A duração do pulso, assim como a tensão, é determinada pela multiplicação do número de divisões da escala horizontal pelo valor da divisão, como mostra a Figura 14.

Figura 14.

A figura mostra um período de um pulso retangular, ligeiramente diferente do meandro: a duração de um pulso positivo é de 3,5 divisões da escala horizontal e a duração da pausa é de 3,8 divisões. O período de repetição do pulso é de 7,3 divisões. Essa imagem pode pertencer a vários pulsos diferentes com diferentes frequências. Tudo vai depender da duração da varredura.

Suponha uma duração de varredura de 1ms / div. Então, o período de repetição do pulso é 7,3 * 1 = 7,3 ms, o que corresponde à frequência F = 1 / T = 1 / 7,3 = 0,1428KHz ou 143 Hz. Se a duração da varredura for de 1 µs / div, a frequência será mil vezes maior, ou seja, 143KHZ.

Usando os dados da Figura 14, não é difícil calcular o ciclo de trabalho do pulso: S = T / τ = 7,3 / 3,5 = 2,0857, acontece quase como um meandro. Ciclo de trabalho ciclo de trabalho D = τ / T = 3,5 / 7,3 = 0,479 ou 47,9%. Deve-se notar que esses parâmetros não são de forma alguma dependentes da frequência: o ciclo de trabalho e o ciclo de trabalho foram calculados simplesmente por divisões na forma de onda.

Com impulsos retangulares, tudo parece claro e simples. Mas nos esquecemos completamente da onda senoidal. De fato, existe a mesma coisa: você pode medir tensões e parâmetros de tempo. Um período de onda senoidal é mostrado na Figura 15.

Figura 15. Parâmetros da onda senoidal

Obviamente, para o senoide mostrado na figura, a sensibilidade do canal de deflexão vertical é de 0,5 V / div. Os parâmetros restantes podem ser facilmente determinados multiplicando o número de divisões por 0,5V / div.

A onda senoidal pode ser outra, que terá que ser medida com sensibilidade, por exemplo, 5V / div. Então, em vez de 1V, você recebe 10V. No entanto, na tela, a imagem de ambos os sinusoides parece exatamente a mesma.

O momento do sinusóide mostrado é desconhecido. Se assumirmos que a duração da verificação é de 5ms / div, o período será de 20ms, o que corresponde a uma frequência de 50Hz. Os números em graus no eixo do tempo indicam a fase do sinusóide, embora isso não seja particularmente importante para um único sinusóide. Mais frequentemente, é necessário determinar a mudança de fase (diretamente em milissegundos ou microssegundos) pelo menos entre dois sinais. É melhor fazer isso com um osciloscópio de dois feixes. Como isso é feito será mostrado abaixo.

Como medir corrente com um osciloscópio

Em alguns casos, é necessária a medição da magnitude e do formato da corrente. Por exemplo, a corrente alternada que flui através de um capacitor está à frente da tensão em ¼ período. Então, um resistor com uma pequena resistência (décimos de Ohm) é incluído no circuito aberto. Essa resistência não afeta a operação do circuito. A queda de tensão nesse resistor mostrará a forma e a magnitude da corrente que flui através do capacitor.

Um amperímetro de bitola semelhante é disposto aproximadamente da mesma maneira, que será incluído na quebra do circuito elétrico. Nesse caso, o resistor de medição está localizado dentro do próprio amperímetro.

O circuito para medir a corrente através do capacitor é mostrado na Figura 16.

Figura 16. Medição de corrente através de um capacitor

Uma tensão sinusoidal de 50 Hz com uma amplitude de 220 V do gerador XFG1 (feixe vermelho na tela do osciloscópio) é fornecida ao circuito serial pelo capacitor C1 e pelo resistor de medição R1. A queda de tensão nesse resistor mostrará a forma, fase e magnitude da corrente através do capacitor (feixe azul). A aparência da tela do osciloscópio é mostrada na Figura 17.

Figura 17. A corrente através do capacitor está à frente da tensão em ¼ período

A uma frequência de onda senoidal de 50 Hz e um tempo de varredura de 5 ms / Div, um período de onda senoidal realiza 4 divisões ao longo do eixo X, o que é muito conveniente para observação. É fácil ver que o raio azul está à frente do vermelho em exatamente 1 divisão ao longo do eixo X, o que corresponde a ¼ período. Em outras palavras, a corrente através do capacitor está acima da tensão de fase, o que é totalmente consistente com a teoria.

Para calcular a corrente através do capacitor, basta usar a lei de Ohm: I = U / R. Quando a resistência do resistor de medição é de 0,1 Ohm, a queda de tensão é 7 mV. Este é o valor da amplitude. Então a corrente máxima através do capacitor será 7 / 0.1 = 70mA.

Medir a forma da corrente através do capacitor não é uma tarefa muito urgente, tudo é claro e sem medições. Em vez de um capacitor, pode haver qualquer carga: indutor, enrolamento do motor, estágio do amplificador do transistor e muito mais. É importante que esse método possa ser usado para estudar a corrente, que em alguns casos difere significativamente da forma da tensão.

Boris Aladyshkin