Zweck eines Oszilloskops. Der Aufbau eines Oszilloskops, seine Einstellungen und Einsatzgebiete. Zweck, Aufbau und Funktionsweise eines analogen Oszilloskops

Kathodenstrahloszilloskope.

Kathodenstrahloszilloskope sind Instrumente zur visuellen Beobachtung der Formen der untersuchten elektrischen Signale. Darüber hinaus können Oszilloskope zur Messung von Frequenz, Periode und Amplitude verwendet werden.

Der Hauptbestandteil eines elektronischen Oszilloskops ist eine Kathodenstrahlröhre (siehe Abbildung), die in ihrer Form an eine Fernsehbildröhre erinnert.

Der Röhrenschirm (8) ist innen mit einem Leuchtstoff beschichtet – einem Stoff, der unter Einwirkung von Elektronen leuchten kann. Je größer der Elektronenfluss ist, desto heller leuchtet der Teil des Bildschirms, auf den sie fallen. Elektronen werden von der sogenannten Elektronenkanone emittiert, die sich am Ende der Röhre gegenüber dem Bildschirm befindet. Es besteht aus einer Heizung (Filament) (1) und einer Kathode (2). Zwischen der „Kanone“ und dem Bildschirm befinden sich ein Modulator (3), der den Fluss der zum Bildschirm fliegenden Elektronen reguliert, zwei Anoden (4 und 5), die für die notwendige Beschleunigung des Elektronenstrahls und dessen Fokussierung sorgen, und zwei Plattenpaare, mit deren Hilfe Elektronen entlang der horizontalen Y- (6) und vertikalen X-Achse (7) abgelenkt werden können.

Eine Kathodenstrahlröhre funktioniert wie folgt:

Dem Glühfaden wird eine Wechselspannung zugeführt, dem Modulator wird eine konstante Spannung zugeführt, die Polarität ist gegenüber der Kathode negativ und die Anoden positiv und die Spannung an der ersten Anode (Fokussierung) ist deutlich geringer als an der zweiten (beschleunigt). Die Ablenkplatten werden sowohl mit einer konstanten Spannung versorgt, die es ermöglicht, den Elektronenstrahl in jede Richtung relativ zur Bildschirmmitte zu verschieben, als auch mit einer Wechselspannung, die eine Scanlinie der einen oder anderen Länge erzeugt (Px-Platten). sowie das „Zeichnen“ der Form der untersuchten Schwingungen auf dem Bildschirm (Pu-Platten).

Um sich vorzustellen, wie ein Bild auf dem Bildschirm entsteht, stellen wir uns den Röhrenbildschirm als Kreis vor (obwohl die Röhre auch einen rechteckigen haben kann) und platzieren darin Ablenkplatten (siehe Abbildung). Wenn Sie eine Sägezahnspannung an die horizontalen Platten Px anlegen, erscheint auf dem Bildschirm eine leuchtende horizontale Linie – sie wird Scanlinie oder einfach Scan genannt. Seine Länge hängt von der Amplitude der Sägezahnspannung ab.

Wenn nun gleichzeitig mit der an die Platten Px angelegten Sägezahnspannung eine Wechselspannung beispielsweise in Sinusform an ein anderes Plattenpaar (vertikal - Pu) angelegt wird, wird sich die Scanlinie entsprechend der Form genau „verbiegen“. der Schwingungen und „zeichnen“ ein Bild auf dem Bildschirm.

Wenn die Perioden der Sinus- und Sägezahnschwingungen gleich sind, zeigt der Bildschirm ein Bild einer Periode der Sinuskurve an. Bei ungleichen Perioden erscheinen auf dem Bildschirm so viele vollständige Schwingungen, wie ihre Perioden in die Schwingungsperiode der Sägezahn-Sweep-Spannung passen. Das Oszilloskop verfügt über eine Einstellung der Wobbelfrequenz, mit deren Hilfe die gewünschte Anzahl von Schwingungen des untersuchten Signals auf dem Bildschirm erreicht wird.

Blockdiagramm eines Oszilloskops.

Die Abbildung zeigt ein Blockschaltbild eines Oszilloskops. Heutzutage gibt es eine große Anzahl von Oszilloskopen unterschiedlicher Bauart und Verwendungszweck. Ihre Frontplatten (Bedienfelder) sehen unterschiedlich aus, die Bezeichnungen der Bedienknöpfe und Schalter unterscheiden sich geringfügig. Aber in jedem Oszilloskop gibt es einen Mindestsatz an Komponenten, ohne den es nicht funktionieren kann. Betrachten wir den Zweck dieser Hauptknoten. Am Beispiel des Oszilloskops C 1-68.

Auf dem Bild:

VA-Eingang Dämpfer; VK – Verstärkereingangsstufe; PU - vorläufig Verstärker; LZ – Verzögerungsleitung; VU – Ausgangsverstärker; K – Kalibrator; SB – Sperrschema; UP – Hintergrundbeleuchtungsverstärker; SS – Synchronisationsschaltung; GR – Sweep-Generator; CRT – Kathodenstrahlröhre.

Das Schema funktioniert wie folgt.

Netzteil

Das Netzteil liefert Energie für den Betrieb aller Komponenten des elektronischen Oszilloskops. Der Eingang des Netzteils empfängt eine Wechselspannung, normalerweise 220 V. Darin wird sie in Spannungen unterschiedlicher Größe umgewandelt: Wechselspannung von 6,3 V zur Versorgung des Glühfadens der Kathodenstrahlröhre, Gleichspannung von 12–24 V zur Versorgung der Verstärker und Generator, etwa 150 V zur Versorgung der endgültigen horizontalen und vertikalen Strahlablenkverstärker, mehrere hundert Volt zur Fokussierung des Elektronenstrahls und mehrere tausend Volt zur Beschleunigung des Elektronenstrahls.

Zusätzlich zum Netzschalter befinden sich auf der Vorderseite des Oszilloskops die folgenden Regler: „FOCUS“ und „BRIGHTNESS“. Durch Drehen dieser Knöpfe ändert sich die Spannung, die der ersten Anode und dem Modulator zugeführt wird. Wenn sich die Spannung an der ersten Anode ändert, ändert sich die Konfiguration des elektrostatischen Feldes, was zu einer Änderung der Breite des Elektronenstrahls führt. Wenn sich die Spannung am Modulator ändert, ändert sich der Strom des Elektronenstrahls (die kinetische Energie der Elektronen ändert sich), was zu einer Änderung der Helligkeit des Leuchtstoffs des Bildschirms führt.

Scan-Generator

Es erzeugt eine Sägezahnspannung, deren Frequenz grob (in Stufen) und stufenlos verändert werden kann. Auf der Vorderseite des Oszilloskops werden sie als „COARSE FREQUENCY“ (oder „SCALE DURATION“) und „SOFT FREQUENCY“ bezeichnet. Der Frequenzbereich des Generators ist sehr breit – von Hertz- bis Megahertz-Einheiten. In der Nähe des Bereichsschalters befinden sich Werte für die Dauer (Dauer) von Sägezahnschwingungen.

Horizontalkanalverstärker

Vom Scangenerator wird das Signal dem Verstärker des Horizontalablenkkanals (X-Kanal) zugeführt. Dieser Verstärker ist notwendig, um eine solche Sägezahnspannungsamplitude zu erhalten, mit der der Elektronenstrahl über den gesamten Bildschirm abgelenkt wird. Der Verstärker enthält einen Regler für die Länge der Scanlinie, auf der Frontplatte des Oszilloskops heißt er „GAIN X“ oder „AMPLITUDE X“, und einen Regler für die horizontale Verschiebung der Scanlinie.

Vertikaler Kanal

Es besteht aus einem Eingangsabschwächer (Eingangssignalteiler) und zwei Verstärkern – Vorverstärker und Endverstärker. Mit dem Dämpfer können Sie die gewünschte Amplitude des betrachteten Bildes abhängig von der Amplitude der untersuchten Schwingungen auswählen. Durch Verwendung des Eingangsdämpfungsschalters kann die Signalamplitude reduziert werden. Sanftere Änderungen des Signalpegels und damit der Größe des Bildes auf dem Bildschirm werden mit dem Empfindlichkeitsregler des Endverstärkers von Kanal Y erreicht. Im Endverstärker dieses Kanals gibt es wie im Horizontalablenkkanal einen Vertikalablenkkanal Verschiebungsanpassung des Strahls und damit des Bildes.

Zusätzlich befindet sich am Eingang des Vertikalablenkkanals Schalter 1, mit dem Sie entweder den Gleichstromanteil des untersuchten Signals dem Verstärker zuführen oder ihn durch Einschalten des Trennkondensators entfernen können. Dadurch können Sie das Oszilloskop wiederum als Gleichspannungsmesser verwenden, der Gleichspannungen messen kann. Darüber hinaus ist die Eingangsimpedanz von Kanal Y recht hoch – mehr als 1 MOhm.

ÜBER ANDERE ANPASSUNGEN

Der Sweep-Generator verfügt über einen weiteren Schalter – den Sweep-Modus-Schalter. Es wird auch auf der Vorderseite des Oszilloskops angezeigt (auf Strukturdiagramm es ist nicht angegeben). Der Sweep-Generator kann in zwei Modi arbeiten: im automatischen Modus – er erzeugt eine Sägezahnspannung einer bestimmten Dauer und im Standby-Modus – er „wartet“ auf die Ankunft des Eingangssignals und startet, wenn dieses erscheint. Dieser Modus ist erforderlich, wenn Signale untersucht werden, die zufällig auftreten, oder wenn die Parameter eines Impulses untersucht werden, wenn seine Vorderflanke am Anfang des Sweeps liegen sollte. Im automatischen Modus kann überall im Sweep ein Zufallssignal auftreten, das die Beobachtung erschwert. Es empfiehlt sich, bei Pulsmessungen den Standby-Modus zu nutzen.

Synchronisation

Wenn keine Verbindung zwischen dem Wobbelgenerator und dem Signal besteht, beginnt der Wobbel und das Signal erscheint zu unterschiedlichen Zeiten. Das Bild des Signals auf dem Oszilloskopbildschirm bewegt sich je nach Unterschied entweder in die eine oder andere Richtung in den Frequenzen des Signals und des Sweeps. Um das Bild zu stoppen, müssen Sie den Generator „synchronisieren“, d. h. stellen einen Betriebsmodus bereit, bei dem der Beginn des Sweeps mit dem Beginn des Auftretens eines periodischen Signals am Y-Eingang (z. B. sinusförmig) zusammenfällt. Darüber hinaus kann der Generator sowohl über ein internes Signal (es stammt vom Vertikalablenkverstärker) als auch über ein externes Signal synchronisiert werden, das an die „SYNC INPUT“-Buchsen angelegt wird. Wählen Sie den einen oder anderen Modus mit dem Schalter S2 – INTERNAL – EXTERNAL. Synchronisation (im Blockschaltbild befindet sich der Schalter in der Position „interne Synchronisation“).

Das folgende Diagramm erläutert das Synchronisationsprinzip.

Zur Beobachtung hochfrequenter Signale, deren Frequenz um ein Vielfaches höher ist als die grundsätzlich mögliche Frequenz der Oszilloskop-Verstärkungskanäle, werden Stroboskop-Oszilloskope eingesetzt.

Das folgende Diagramm erläutert das Funktionsprinzip eines Stroboskop-Oszilloskops.

Das Oszilloskop funktioniert wie folgt: In jeder Periode der zu prüfenden Spannung u(t) wird ein Synchronimpuls Uc erzeugt, der den Wobbelgenerator ansteuert. Der Scangenerator erzeugt eine Sägezahnspannung, die mit einer schrittweise (um U) ansteigenden Spannung verglichen wird (siehe Diagramm). Im Moment der Spannungsgleichheit wird ein Strobe-Impuls gebildet, und jede nachfolgende Periode des Strobe-Impulses erhöht sich relativ zur vorherigen um den Wert t. Im Moment des Eintreffens des Strobe-Impulses wird ein Abtastimpuls gebildet. Seine Amplitude entspricht der Amplitude des untersuchten Signals und wird auf dem Oszilloskopbildschirm angezeigt. Dadurch entsteht auf dem Bildschirm ein Bild in Form von Impulsen, deren Amplitudenhüllkurve dem untersuchten Signal nur zeitlich „gestreckt“ entspricht. Stroboskop-Oszilloskope werden in Fernseh-, Radar- und anderen Arten von Hochfrequenzgeräten eingesetzt.

Oszilloskopfehler.

Beim Messen von Spannungen treten bei Oszilloskopen folgende Fehler auf:

Anwendung von Oszilloskopen.

1. Messung der Amplitude des untersuchten Signals.

Die Amplitude des untersuchten Signals kann mit den folgenden Methoden gemessen werden:

Amplitudenmessung mit der kalibrierten Skalenmethode. Die Methode basiert auf der Messung der linearen Abmessungen eines Bildes direkt mithilfe der CRT-Bildschirmskala. Die gemessene Amplitude U m ist definiert als U m = K oh . K o - vertikaler Abweichungskoeffizient.

Amplitudenmessung mit der Substitutionsmethode. Die Methode basiert darauf, den gemessenen Teil des Signals durch eine kalibrierte Spannung zu ersetzen. (Die Methode wird für die Messung niedriger Spannungen empfohlen.)

Amplitudenmessung durch Oppositionsmethode. Die Methode besteht darin, dass im Differenzverstärker des Eingangskanals Y das untersuchte Signal durch ein kalibriertes Signal kompensiert wird. Die Methode bietet eine hohe Genauigkeit bei der Messung kleiner Signale.

2. Zeitintervalle messen.

Zeitintervalle mit der kalibrierten Skalenmethode messen. Die Methode basiert auf der Messung der linearen Abmessungen der Bildperiode entlang der X-Achse direkt aus der Skala des CRT-Bildschirms. Die gemessene Zeit t x ist definiert als t x =K pl M p . K p – Scan-Koeffizient, M p – mscan-Skala entlang der X-Achse, l – Länge der Bildperiode auf dem CRT-Bildschirm.

Messen von Zeitintervallen mithilfe von Eichmarken. Die Methode basiert auf der Erstellung von Helligkeitsmarkierungen einer Referenzfrequenz in der Kurve des untersuchten Signals. Dies wird erreicht, indem ein Signal vom Messgenerator an den CRT-Modulator (Eingang Z) angelegt wird.

Zeitintervalle mit verzögertem Sweep messen. Die Methode basiert auf der Verschiebung des Bildes entlang der Scanlinie relativ zum ausgewählten Fixpunkt (Maßstabslinie). Der Countdown erfolgt über die Einstellskala „Verzögerung“.

In dem Artikel wird ausführlich beschrieben, wie man ein Oszilloskop verwendet, was es ist und für welche Zwecke es benötigt wird. Kein Labor kann ohne Messgeräte oder Signal-, Spannungs- und Stromquellen existieren. Und wenn Sie vorhaben, verschiedene Geräte zu entwerfen und herzustellen (insbesondere wenn es um Hochfrequenztechnologie geht, zum Beispiel Wechselrichter-Netzteile), wird es problematisch sein, alles ohne Oszilloskop zu tun.

Was ist ein Oszilloskop?

Hierbei handelt es sich um ein Gerät, mit dem Sie die Spannung, oder genauer gesagt, ihre Form über einen bestimmten Zeitraum „sehen“ können. Mit seiner Hilfe können Sie viele Parameter messen – Spannung, Frequenz, Strom, Phasenwinkel. Das Besondere an diesem Gerät ist jedoch, dass Sie damit die Form des Signals visuell beurteilen können. Tatsächlich ist sie es in den meisten Fällen, die darüber spricht, was genau in dem Stromkreis passiert, in dem die Messung durchgeführt wird.

In manchen Fällen kann die Spannung beispielsweise nicht nur einen Gleichanteil, sondern auch einen Wechselanteil enthalten. Und die Form des zweiten ist möglicherweise weit von einer idealen Sinuskurve entfernt. Voltmeter beispielsweise nehmen ein solches Signal mit großen Fehlern wahr. Zeigerinstrumente geben einen Wert an, digitale - viel weniger und Gleichvoltmeter - ein Vielfaches. Die genaueste Messung kann mit dem im Artikel beschriebenen Gerät durchgeführt werden. Dabei spielt es keine Rolle, ob das H3013-Oszilloskop (wie man es benutzt, wird weiter unten besprochen) oder ein anderes Modell verwendet wird. Die Maße sind gleich.

Merkmale des Geräts

Dies ist ganz einfach zu implementieren: Sie müssen einen Kondensator an den Verstärkereingang anschließen. In diesem Fall ist der Eingang geschlossen. Bitte beachten Sie, dass in diesem Messmodus niederfrequente Signale mit einer Frequenz kleiner 5 Hz gedämpft werden. Daher können sie nur im offenen Eingabemodus gemessen werden.

Wenn der Schalter in die mittlere Position gebracht wird, wird der Verstärker vom Eingangsstecker getrennt und es entsteht ein Kurzschluss zum Gehäuse. Dadurch ist es möglich, eine Kehrmaschine zu installieren. Da es unmöglich ist, das S1-49-Oszilloskop und seine Analoga ohne Kenntnisse der grundlegenden Bedienelemente zu verwenden, lohnt es sich, näher darauf einzugehen.

Oszilloskop-Kanaleingang

Auf der Frontplatte befindet sich eine Skala in der vertikalen Ebene – sie wird anhand des Empfindlichkeitsreglers des Kanals bestimmt, entlang dem die Messung erfolgt. Mit einem Schalter ist es möglich, den Maßstab nicht stufenlos, sondern schrittweise zu ändern. Welche Werte damit eingestellt werden können, sehen Sie auf dem Gehäuse daneben. Auf derselben Achse wie dieser Schalter befindet sich ein Regler zur stufenlosen Einstellung (hier erfahren Sie, wie Sie das Oszilloskop S1-73 und ähnliche Modelle verwenden).

Auf der Frontplatte befindet sich ein Griff mit einem Doppelpfeil. Wenn Sie es drehen, beginnt sich das Diagramm dieses Kanals in der vertikalen Ebene (nach unten und oben) zu bewegen. Bitte beachten Sie, dass sich neben diesem Knopf eine Grafik befindet, die zeigt, in welche Richtung Sie ihn drehen müssen, um den Multiplikatorwert nach oben oder unten zu ändern. Beide Kanäle sind gleich. Darüber hinaus befinden sich auf der Vorderseite Drehknöpfe zum Einstellen von Kontrast, Helligkeit und Synchronisation. Es ist erwähnenswert, dass ein digitales Taschenoszilloskop (wir besprechen die Verwendung des Geräts) auch über eine Reihe von Einstellungen für die Anzeige von Diagrammen verfügt.

Wie Messungen durchgeführt werden

Wir beschreiben weiterhin die Verwendung eines digitalen oder analogen Oszilloskops. Es ist wichtig zu beachten, dass sie alle einen Fehler haben. Erwähnenswert ist, dass alle Messungen visuell durchgeführt werden, sodass das Risiko eines hohen Fehlers besteht. Sie sollten auch die Tatsache berücksichtigen, dass Wobbelspannungen eine extrem niedrige Linearität aufweisen, was zu einer Phasen- oder Frequenzverschiebung von etwa 5 % führt. Um diese Fehler zu minimieren, muss eine einfache Bedingung erfüllt sein: Das Diagramm sollte etwa 90 % der Bildschirmfläche einnehmen. Beim Messen von Frequenz und Spannung (es gibt ein Zeitintervall) sollten die Regler für die Eingangssignalverstärkung und die Abtastgeschwindigkeit ganz rechts eingestellt werden. Bemerkenswert ist eine Besonderheit: Da auch Einsteiger ein digitales Oszilloskop bedienen können, haben Geräte mit Kathodenstrahlröhre an Relevanz verloren.

So messen Sie die Spannung

Um die Spannung zu messen, müssen Sie Skalenwerte in der vertikalen Ebene verwenden. Um zu beginnen, müssen Sie einen der folgenden Schritte ausführen:

Verbinden Sie beide Eingangsanschlüsse des Oszilloskops miteinander.
Bewegen Sie den Eingangsmodusschalter in die Position, die der Verbindung mit dem gemeinsamen Kabel entspricht. Verwenden Sie dann den Regler, neben dem sich ein bidirektionaler Pfeil befindet, um sicherzustellen, dass die Scanlinie mit der zentralen (horizontalen) Linie auf dem Bildschirm übereinstimmt.

Schalten Sie das Gerät in den Messmodus und legen Sie das Signal an den zu untersuchenden Eingang an. In diesem Fall ist der Modusschalter auf eine beliebige Arbeitsposition eingestellt. Aber wie benutzt man ein tragbares digitales Oszilloskop? Es ist etwas komplizierter – solche Geräte verfügen über viel mehr Anpassungsmöglichkeiten.

Als Ergebnis sehen Sie eine Grafik auf dem Bildschirm. Um die Höhe genau zu messen, verwenden Sie einen Stift mit einem horizontalen Doppelpfeil. Stellen Sie sicher, dass der obere Punkt des Diagramms auf den Punkt in der Mitte fällt. Es ist mit einer Skala versehen, sodass die effektive Spannung im Stromkreis viel einfacher berechnet werden kann.

So messen Sie die Frequenz

Mit einem Oszilloskop können Sie Zeitintervalle, insbesondere die Signalperiode, messen. Sie verstehen, dass die Frequenz eines Signals immer proportional zur Periode ist. Periodenmessungen können in jedem Bereich des Oszillogramms durchgeführt werden. Es ist jedoch bequemer und genauer, an den Punkten zu messen, an denen der Graph die horizontale Achse schneidet. Stellen Sie daher vor Beginn der Messungen sicher, dass der Scan genau auf eine horizontale Linie in der Mitte ausgerichtet ist. Da die Verwendung eines tragbaren digitalen Oszilloskops viel einfacher ist als die Verwendung eines analogen Oszilloskops, sind letztere längst in Vergessenheit geraten und werden nur noch selten für Messungen verwendet.

Als nächstes müssen Sie mithilfe des durch den horizontalen Doppelpfeil gekennzeichneten Griffs den Beginn des Zeitraums mit der Zeile ganz links auf dem Bildschirm verschieben. Nachdem Sie die Periode des Signals berechnet haben, können Sie eine einfache Formel verwenden, um die Frequenz zu berechnen. Dazu müssen Sie die Einheit durch den zuvor berechneten Zeitraum dividieren. Die Messgenauigkeit variiert. Um es zu vergrößern, müssen Sie das Diagramm so weit wie möglich horizontal strecken.

Beachten Sie eine Regelmäßigkeit: Mit zunehmender Periode nimmt die Häufigkeit ab (das Verhältnis ist umgekehrt). Und umgekehrt – mit abnehmender Periode nimmt die Frequenz zu. Eine geringe Fehlerquote liegt vor, wenn sie weniger als 1 Prozent beträgt. Aber nicht jedes Oszilloskop kann eine so hohe Genauigkeit liefern. Nur mit digitalen Geräten, bei denen der Scan linear erfolgt, können solch genaue Messungen erzielt werden.

Wie wird die Phasenverschiebung bestimmt?

Und nun zur Verwendung des Oszilloskops S1-112A zur Messung der Phasenverschiebung. Aber zuerst eine Definition. Die Phasenverschiebung ist ein Merkmal, das zeigt, wie sich zwei Prozesse (oszillierend) über einen bestimmten Zeitraum relativ zueinander befinden. Darüber hinaus erfolgt die Messung nicht in Sekunden, sondern in Teilen einer Periode. Mit anderen Worten: Die Maßeinheit sind Winkeleinheiten. Wenn die Signale relativ zueinander gleich positioniert sind, ist auch ihre Phasenverschiebung gleich. Darüber hinaus hängt dies nicht von der Häufigkeit und Periode ab – der tatsächliche Maßstab der Diagramme auf der horizontalen (Zeit-)Achse kann beliebig sein.

Die maximale Messgenauigkeit erreichen Sie, wenn Sie die Grafik über die gesamte Länge des Bildschirms ausdehnen. Bei analogen Oszilloskopen hat die Signalkurve für jeden Kanal die gleiche Helligkeit und Farbe. Um diese Diagramme voneinander zu unterscheiden, ist es notwendig, jedem Diagramm eine eigene Amplitude zu geben. Und es ist wichtig, die dem ersten Kanal zugeführte Spannung so groß wie möglich zu machen. Dadurch wird es viel besser, das Bild auf dem Bildschirm synchron zu halten. So verwenden Sie das Oszilloskop S1-112A. Andere Geräte unterscheiden sich geringfügig in der Bedienung.

Ich habe eine besondere Liebe zu Oszilloskopen. Manche Leute mögen Bentleys, andere mögen Oszilloskope. Jeder hat seine eigenen Macken. Ich mag Bentley auch, aber im Gegensatz zu all seinen anderen Besitzern mag ich auch Oszilloskope! =)

Die Hauptaufgabe eines Oszilloskops besteht darin, Änderungen im untersuchten Signal aufzuzeichnen und zur Betrachtung auf dem Bildschirm anzuzeigen. Dies ist das unverzichtbarste Gerät im Labor eines Funkamateurs. Sie können die Frequenz abschätzen, die Amplitude betrachten und, was oft noch wichtiger ist, die Form des Signals untersuchen. Ich habe mich für den Einstieg in die Elektronik entschieden – unbedingt kaufen.

Kurzgeschichte

Die Geschichte des Oszilloskops reicht mehr als 100 Jahre zurück. Zu verschiedenen Zeiten arbeiteten so berühmte Persönlichkeiten wie Adre Blondel, Robert Andreevich Colley, William Crookes, Karl Brown, I. Zenneck, A. Wenelt, Leonid Isaakovich Mandelstam und viele andere an der Verbesserung des Geräts.

Wussten Sie übrigens, dass der erste Anschein eines Oszilloskops im Russischen Reich geschaffen wurde? Dies wurde 1885 vom russischen Physiker Robert Colley durchgeführt. Das Gerät wurde Oszillometer genannt. Die damaligen Oszilloskope waren ganz anders als die heute verwendeten!

Allgemeines Funktionsprinzip

Ich muss sagen, dass es mittlerweile eine Vielzahl unterschiedlicher Oszilloskope gibt. Für uns ist jedoch das allgemeine Funktionsprinzip wichtig: Das Gerät erfasst die Änderung der Signalspannung und zeigt sie auf dem Bildschirm an. Ja, genau dafür ist ein Oszilloskop da, das ist alles. Aber das ist für Physiker und Ingenieure so wichtig, dass es schwer in Worte zu fassen ist. Die Bedeutung dieses Geräts ist vergleichbar mit der Entdeckung des Gesetzes der universellen Gravitation.

Das Bild oben zeigt ein typisches Oszilloskop-Bedienfeld. Eine Menge aller möglichen Bedienelemente, Tasten, Anschlüsse und ein Bildschirm. Horror, wie kann man das alles herausfinden? Ja, einfach. Gehen.

Niemand wird beleidigt sein, wenn ich sage, dass das Oszilloskop zwei Hauptsteuerungen hat. Darüber steht normalerweise „Sweep“ oder „Duration“, „V/div“. Lass es uns herausfinden!

Zunächst zu „V/div“. Sie können dem Eingang des Geräts ein Signal unterschiedlicher Amplitude zuführen. Ich wollte eine Sinuskurve mit einer Amplitude von 1 V liefern, wollte aber 0,2 V oder 10 V. Wie Sie im Bild oben sehen können, ist der Gerätebildschirm normalerweise in Zellen unterteilt. Ja, das ist das gleiche bekannte kartesische Koordinatensystem. Mit „V/div“ können Sie also die Skala entlang der Y-Achse ändern. Mit anderen Worten, Sie können die Größe der Zelle in Volt ändern. Wenn Sie 0,1 V auswählen und eine Sinuskurve mit einer Amplitude von 0,2 V anlegen, nimmt die gesamte Sinuskurve 4 Zellen auf dem Bildschirm ein.

Und wenn man ein Signal in einem realen Schaltkreis untersucht, kann die Signalamplitude so groß sein, dass das gesamte Signal nicht auf den Gerätebildschirm passt. Anschließend drehen Sie den „V/div“-Einstellknopf und stellen die erforderliche Y-Achsenskala ein, sodass Sie das gesamte Signal sehen können.

Nun zur „Dauer“. Die meisten elektronischen Oszilloskope waren in der Geschichte analog. Als Bildschirm wurden CRTs (Kathodenstrahlröhren) verwendet. Dieselben, die im Fernsehen ohnehin nur schwer zu finden sind. Wer Interesse hat, kann sich das Video unten ansehen. Es erklärt perfekt das Prinzip der Darstellung des untersuchten Signals auf dem Bildschirm eines CRT-Oszilloskops. Oder lesen Sie weiter, wenn Sie zu faul sind, nachzuschauen, ich erzähle Ihnen das Wichtigste.

Daher wird der Knopf „Dauer“ („Sweep“) benötigt, um einzustellen, mit welcher Geschwindigkeit sich der Strahl auf dem Gerätebildschirm von links nach rechts bewegt. (Haben Sie gedacht, dass dort die gesamte Grenze gezogen ist? Nein, das trifft auf moderne digitale Geräte zu, aber sie kommen später) Wozu dient das? Ja, genau darauf basiert die Arbeit eines Oszilloskops. Der Strahl verläuft von links nach rechts und das am Eingang eingespeiste Signal lenkt ihn einfach nach oben oder unten ab. Als Ergebnis sehen Sie auf dem Gerätebildschirm ein schönes Bild einer Sinuskurve oder etwas Rauschen.

Okay, warum das nötig ist, ist jetzt klar. Bleibt die Frage: Warum die Bewegungsgeschwindigkeit oder anders gesagt die Frequenz des über den Bildschirm laufenden Strahls (Sweep-Frequenz) ändern?

Vielleicht haben Sie selbst bei einer Show oder einem Konzert einen solchen Effekt bemerkt oder gesehen, dass, wenn ein helles Licht für den Bruchteil einer Sekunde in der Dunkelheit aufblitzte, es schien, als ob alle Bewegung aufhörte und die Welt stillstand? Herzlichen Glückwunsch, Sie haben den Stroboskopeffekt bemerkt. Es gibt sogar ein solches Gerät – ein Blitzlicht. Mit einem Blitzlicht können Sie sich schnell bewegende Objekte betrachten. Das Gleiche gilt für ein Oszilloskop; es ist im Wesentlichen ein „elektronischer“ Blitz! Nur durch Ändern der Scanfrequenz erreichen wir ein Einfrieren des Bildes auf dem Gerätebildschirm. Und wenn die Wobbelfrequenz nahe bei der Signalfrequenz liegt oder mit dieser übereinstimmt, sehen Sie auf dem Bildschirm ein statisches Bild, das wie auf Papier gezeichnet zu sein scheint.

Andernfalls scheint es, als ob die Sinuskurve irgendwo verläuft. Ich werde Ihnen nicht sagen, wie dies erreicht wird. Die Hauptsache ist, das Prinzip zu verstehen, und die Details der konkreten Implementierung sind nicht so wichtig. Alle anderen Funktionen des Oszilloskops sind bereits eine Ergänzung. Ihre Anwesenheit vereinfacht die Untersuchung von Signalen erheblich. Und wenn einige davon nicht in Ihrem Gerät vorhanden sind, können Sie in Frieden leben.

Welche Arten von Oszilloskopen gibt es?

Bisher lassen sich drei Haupttypen von Oszilloskopen unterscheiden: analoge, digitale und Analog-zu-Digital-Oszilloskope. Seit den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts gibt es immer mehr digitale. Mittlerweile stellen sie die größte Gruppe dar. Sie verfügen über viele nützliche Zusatzfunktionen, geringe Größe, geringes Gewicht und einen angemessenen Preis.

Zum Zeitpunkt des Schreibens dieser Zeilen liegt der Durchschnittspreis für ein digitales Gerät bei 15.000 für das unhandlichste Modell. Ein mehr oder weniger normales Gerät kann man ab 25.000 kaufen, während ein altes sowjetisches Gerät mit ernsthaften Eigenschaften, die dem durchschnittlichen digitalen Modell um ein Vielfaches überlegen sind, für 3-6.000 zu finden ist, das Gewicht, die Abmessungen und einige andere Eigenschaften jedoch möglicherweise nicht passt zu jedem =)

Hauptmerkmale

Oszilloskope haben viele Eigenschaften. Für einen Funkamateur ist es sinnlos, über alles Bescheid zu wissen. Es sei denn, ein Funkamateur hat sich entschieden, Profi zu werden =) Aber es gibt einige, die Sie kennen und verstehen sollten, was sie bedeuten.

Ein Oszilloskop ist ein Gerät zur Untersuchung der Zeit- und Amplitudenparameter eines elektrischen Signals, das an seinen Eingang angelegt wird, entweder direkt auf dem Bildschirm oder auf einem Fotoband aufgezeichnet. Heutzutage ist dies eine der gebräuchlichsten Arten von Kontroll- und Messgeräten, die neben Multimetern die Produktion und wissenschaftliche Forschung ermöglicht.

Heute steht die Branche nicht still. Es entstehen moderne Geräte, die die Forschungs- und Entwicklungszeit erheblich verkürzen können. Sie verfügen über ein umfangreiches Spektrum an Messanwendungen, ein kapazitives Touch-Display, einen großen Speicher und die höchste Geschwindigkeit bei der Aktualisierung von Signalen auf dem Bildschirm.

Arten

Es gibt verschiedene Arten von Geräten, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden:

Analog.

Analog Digital.

Digitaler Speicher.

Mixed-Signal-Geräte.

Virtuelle Geräte.

Basierend auf der Anzahl der Strahlen kann ein Oszilloskop sein:

Einzelner Strahl.
Doppelstrahl und so weiter.

Die Anzahl der Strahlen kann 16 oder mehr betragen (ein N-Strahl-Gerät verfügt über n Signaleingänge, einschließlich der Möglichkeit, n Diagramme von Eingangssignalen gleichzeitig auf dem Bildschirm anzuzeigen).

Geräte werden auch nach ihrem Funktionsprinzip klassifiziert:

Elektronisch: analog und digital.
Elektromechanisch: elektrodynamisch, Gleichrichter, elektrostatisch, thermoelektrisch, elektromagnetisch, magnetoelektrisch.

Entsprechend ihrer Entwicklung lassen sie sich einteilen:

Besonders.
Unvergesslich.
Stroboskopisch.
Äußern.
Universal.

Es gibt auch Instrumente, die mit anderen Messgeräten kompatibel sind. Dies kann nicht nur ein eigenständiges Gerät sein, sondern auch eine Set-Top-Box, beispielsweise ein Computer, eine Erweiterungskarte oder sogar ein Anschluss an einen externen Port.

Gerät

Das Design analoger Geräte basiert auf der Verwendung analoger horizontaler Abtastsysteme und Kathodenstrahlröhren. Einer der Hauptblöcke dieser Geräte sind Generatoren mit linear variierender Sägezahnspannung.

Ein analoges Oszilloskop verfügt über:

Die Ablenkung des Strahls auf dem Schirm wird durch die Spannung der Platten bestimmt. Die Röhren zeichnen sich durch ihren großen Frequenzbereich aus. Der horizontale Scan wirkt auf die Spannung der horizontalen Platten gemäß einer linearen Beziehung. Die obere Frequenzgrenze wird durch den Verstärker und die Plattenkapazität bestimmt. Die untere Grenze entspricht 10 Hertz.
Um die Eigenschaften und Form des untersuchten Signals in analog-digitalen Geräten zu visualisieren, werden analoge horizontale Abtastsysteme, Kathodenstrahlröhren, einschließlich linearer Spannungsgeneratoren, verwendet. Darüber hinaus verfügen die Geräte über integrierte Speichermodule, die zur Speicherung von Bildern dienen.
Digitale Speichergeräte nutzen die Hocanaloger Signale, sorgen für deren Speicherung und zeigen sie auf einer Flüssigkristallanzeige an, die anstelle einer Kathodenstrahlröhre verwendet wird. Ein digitales Oszilloskop verfügt über einen analogen Signalwandler, einen Verstärker, einen Teiler, eine Steuereinheit, einen Speicher und eine Ausgabeeinheit für das LCD-Panel.
Mixed-Signal-Geräte digitalisieren schnell analoge Signale und bieten die Möglichkeit, digitale Sequenzen einzugeben. Alle notwendigen Informationen werden im Speichermodul gespeichert und bei Bedarf auf dem LCD-Monitor angezeigt.

Funktionsprinzip

Analoge Geräte verwenden eine Kathodenstrahlröhre, um ein Bild auf einem Bildschirm zu erzeugen. Darin bewirkt die an die X- und Y-Achse angelegte Spannung, dass sich ein Punkt über den Bildschirm bewegt. In der Horizontalen erkennt man die Abhängigkeit von der Zeit, während in der Vertikalen eine Anzeige proportional zum Eingangssignal erfolgt. Im Allgemeinen wird das Signal verstärkt und an Elektroden gesendet, die mithilfe analoger Technologie entlang der Y-Achse der Kathodenstrahlröhre abgelenkt werden.

Ein digitales Oszilloskop funktioniert etwas anders:

Das eingehende analoge Signal wird in digitale Form umgewandelt.
Dann wird gespeichert. Die Speichergeschwindigkeit hängt vom Steuergerät ab. Die Obergrenze wird durch die Drehzahl des Konverters bestimmt, während die Untergrenze unbegrenzt ist.
Durch die Umwandlung des Signals in einen digitalen Code können Sie die Anzeigestabilität erhöhen, die Skalierung und Dehnung vereinfachen und Daten im Speicher speichern.
Die Verwendung eines Displays anstelle einer Elektronenröhre ermöglicht die Anzeige beliebiger Daten, einschließlich der Steuerung des Geräts. Teure Geräte verfügen über Farbbildschirme, die es ermöglichen, verschiedene Stellen farblich hervorzuheben und Cursor und Signale von anderen Kanälen zu unterscheiden.
Die Synchronisierung kann direkt vor dem Einschalten des Sweeps beobachtet werden. Die verwendeten Signalprozessoren ermöglichen eine Signalverarbeitung mittels Fourier-Transformationsanalyse.
Informationen in digitale Form ermöglicht die Aufzeichnung des Bildschirms mit den Messergebnissen im Speicher, einschließlich des Ausdrucks auf einem Drucker. Die meisten Geräte verfügen über Speichergeräte, sodass Bilder in einem Archiv gespeichert und später verarbeitet werden können.

Anwendung

Ein Oszilloskop ist ein Messgerät, mit dem man:

Bestimmen Sie die Signalspannung (Amplitude) und die Timing-Parameter.
Durch Messung der zeitlichen Eigenschaften des Signals lässt sich dessen Frequenz bestimmen.
Beobachten Sie die Phasenverschiebung, die beim Durchlaufen verschiedener Abschnitte des Stromkreises auftritt.
Finden Sie die Variable (AC) und die Konstante (DC) heraus, aus denen das Signal besteht.
Beobachten Sie die Signalverzerrung, die durch einen bestimmten Abschnitt der Schaltung verursacht wird.
Bestimmen Sie das Signal-Rausch-Verhältnis und bestimmen Sie, ob das Rauschen stationär ist oder sich im Laufe der Zeit ändert.
Verstehen Sie die Prozesse, die in einem Stromkreis ablaufen.
Finden Sie die Schwingungsfrequenz usw. heraus.

Diese Geräte werden hauptsächlich in der Elektronik und Funktechnik eingesetzt. Ein besonders wichtiger Bestandteil des Gerätes wird in elektromechanischen Produktionsbereichen eingesetzt. Dieses Gerät fungiert als Fixiergerät, das alle Vibrationen deutlich anzeigt elektrischer Strom, die in einem bestimmten elektrischen Mechanismus auftritt. Mit dem Gerät können Sie Störungen sowie Verzerrungen beim Durchgang eines elektrischen Impulses in verschiedenen Schaltungsknoten feststellen.

Anwendung in der Autodiagnose und -reparatur

Auch in anderen Bereichen werden diese Geräte eingesetzt. Daher werden sie häufig zur Feststellung von Fehlfunktionen im Aktorsystem und für andere Diagnosezwecke eingesetzt. Sie können sogar bei der Diagnose mechanischer Motorprobleme helfen.

Ein Oszilloskop ist beispielsweise in der Lage:

Identifizieren Sie einen fehlerhaften Katalysator.
Bestimmen Sie die Übereinstimmung der Installation der Kurbelwellen-Antriebsriemenscheibe in Bezug auf den Kurbelwellen-Positionssensor.
Identifizieren Sie starke Luftlecks.
Beobachten Sie Signale von Systemsensoren und verfolgen Sie deren Änderungen.
Vom System gespeicherte Fehlercodes lesen.
Geben Sie die Identifikationsdaten des Systems, ECU, an.
Überprüfen Sie die Funktion der Aktuatoren usw.

Natürlich muss ein solches Gerät über einen speziellen Logikanalysator verfügen Software und in der Lage sein, Protokolle zu entschlüsseln.

So wählen Sie ein Oszilloskop aus

Der Markt bietet viele davon am meisten verschiedene Modelle. Deshalb sollten Sie sich vor dem Kauf entscheiden:

Sollten Sie wissen, wo das Gerät eingesetzt wird?
Welche Amplitude haben die gemessenen Signale?
Signale an wie vielen Punkten im Stromkreis müssen gleichzeitig gemessen werden?
Müssen Sie einzelne und periodische Signale messen?
Benötigen Sie Frequenzbereichssignale, schnelle Fourier-Transformationsfunktionen usw.?

Bei der Auswahl sollten Sie auf folgende Parameter achten:

Anzahl der Kanäle. Diese beeinflussen die Anzahl der unabhängigen Signale, die auf dem Display angezeigt werden. Ihre gleichzeitige Anwesenheit ermöglicht es Ihnen, mehrere Diagramme zu beobachten, zu vergleichen und zu analysieren. Um mit einfacher Ausrüstung zu arbeiten, reichen 2-4 Kanäle. Am fortschrittlichsten sind Geräte mit Logikanalysatorfunktion und 16 Kanälen.
Die Abtastrate beeinflusst die Anzahl der Signalabtastungen pro Sekunde, also die Qualität der Bildauflösung auf dem Bildschirm. Mit einer größeren Anzahl von Signalpunkten können Sie ein genaueres Bild erstellen. Dieser Parameter ist wichtig bei der Messung transienter und einmaliger Prozesse.
Art von Essen. Wenn Sie das Gerät unterwegs oder abseits des Netzwerks verwenden, ist es besser, ein Modell mit Akku zu kaufen. In anderen Fällen ist es besser, Messgeräte zu kaufen, die über das Netzwerk arbeiten.
Bandbreite. Es ist zu berücksichtigen, dass die Bandbreite 3-5 mal höher sein sollte als die Frequenzen der untersuchten Signale. Für einfache Audioverstärker und digitale Schaltungen ist ein Parameter von 25 MHz ausreichend. Für professionelle Forschung und HF-Schaltungen benötigen Sie ein Gerät mit einer Bandbreite von etwa 100-200 MHz.

Heute ist es durchaus möglich, Geräte zu kaufen, die vor 30-40 Jahren hergestellt wurden. Es ist jedoch besser, kein solches Oszilloskop zu verwenden, denn:

Zur Kalibrierung ist die Verwendung von Trimmern erforderlich, von denen es sowohl oben als auch an den Seiten reichlich gibt. Es wird schwierig sein, eine präzise Abstimmung zu erreichen.
Getrocknete Elektrolyte.
Abmessungen und so weiter.