Измерение мгновенных значений тока с помощью осциллографа
Измерение мгновенных значений тока с помощью осциллографа связано с преобразованием тока в пропорциональный ему потенциал и измерением этого потенциала по приведенным выше методикам. Простейший способ преобразования тока в потенциал заключается во включении в цепь измеряемого тока резистора с небольшим сопротивлением, как это делается в реальных схемах. Один из выводов резистора должен быть заземлен и измеряется потенциал другого вывода, который в данном случае пропорционален току. На рис. 10 показана схема для измерения тока в RC-цепи при питании от источника гармонического напряжения и приведены соответствующие осциллограммы. Именно такой метод наиболее распространен в лабораторной практике и его необходимо освоить в первую очередь, научившись оценивать степень искажения исследуемого процесса включением дополнительного элемента (шунта) и способам включения шунта и подсоединения его к осциллографу.
Чем меньше сопротивление шунта, тем меньше его влияние на процессы в схеме, но тем меньше и снимаемый с него сигнал. Чтобы усилить, его можно подключить между шунтом и осциллографом усилитель. Идеальным является случай, когда сопротивление шунта стремится к нулю. Такой способ измерения можно реализовать в Electronics Workbench, включив последовательно в измеряемую цепь вход источника напряжения, управляемого током, заземлив один из его выходов, а второй подключив к осциллографу (рис. 11). Напряжение, измеряемое в этом случае осциллографом, вычисляется по формуле :
Uосц — сигнал на входе осциллографа,Iизм — мгновенное значение измеряемого тока, Кп — коэффициент передачи источника. Поскольку входное сопротивление зависимого идеального источника равно нулю, включение его в ветвь не влияет на процессы в схеме, а коэффициент передачи позволяет выбрать удобный для наблюдения масштаб сигнала, если для этого не хватает возможностей, заложенных в осциллографе.
Проведение измерений с помощью осциллографа
Цифровой осциллограф, конечно, намного совершеннее обычного электронного, позволяет запоминать осциллограммы, может подключаться к персональному компьютеру, имеет математическую обработку результатов, экранные маркеры и многое другое. Но при всех достоинствах эти приборы нового поколения обладают одним существенным недостатком, — это высокая цена.
Именно она делает цифровой осциллограф недоступным для любительских целей, хотя существуют «карманные» осциллографы стоимостью всего в несколько тысяч рублей, которые продаются на Алиэкспресс, но пользоваться ими не особенно удобно. Ну, просто интересная игрушка. Поэтому пока речь пойдет об измерениях с помощью электронного осциллографа.
На тему выбора осциллографа для использования в домашней лаборатории в интернете можно найти достаточное количество форумов. Не отрицая достоинств цифровых осциллографов, на многих форумах советуют остановить выбор на простых малогабаритных и надежных осциллографах отечественной разработки С1-73 и С1-101 и подобных, с которыми мы ранее познакомились в этой статье.
При достаточно демократичной цене эти приборы позволят выполнить большинство радиолюбительских задач. А пока познакомимся с общими принципами измерений с помощью осциллографа.
Рисунок 1. Осциллограф С1-73
Что измеряет осциллограф
Измеряемый сигнал подается на вход канала вертикального отклонения Y, который имеет большое входное сопротивление, как правило, 1MΩ, и малую входную емкость, не более 40pF, что позволяет вносить минимальные искажения в измеряемый сигнал. Эти параметры часто указываются рядом с входом канала вертикального отклонения.
Рисунок 2. Осциллограф С1-101
Высокое входное сопротивление свойственно вольтметрам, поэтому можно с уверенностью сказать, что осциллограф измеряет напряжение. Применение внешних входных делителей позволяет снизить входную емкость и увеличить входное сопротивление. Это также снижает влияние осциллографа на исследуемый сигнал.
Здесь следует вспомнить, что существуют специальные высокочастотные осциллографы, входное сопротивление которых всего 50 Ом. В радиолюбительской практике такие приборы не находят применения. Поэтому далее речь пойдет об обычных универсальных осциллографах.
Полоса пропускания канала Y
Осциллограф измеряет напряжения в очень широких пределах: от напряжений постоянного тока, до напряжений достаточно высокой частоты. Размах напряжения может быть достаточно разнообразным, — от десятков милливольт до десятков вольт, а при использовании внешних делителей вплоть до нескольких сотен вольт.
При этом следует иметь в виду, что полоса пропускания канала вертикального отклонения Y д.б. не менее, чем в 5 раз выше частоты сигнала, который будет измеряться. То есть усилитель вертикального отклонения должен пропускать не ниже пятой гармоники исследуемого сигнала. Особенно это требуется при исследовании прямоугольных импульсов, которые содержат множество гармоник, как показано на рисунке 3. Только в этом случае на экране получается изображение с минимальными искажениями.
Рисунок 3. Синтез прямоугольного сигнала из гармонических составляющих
Кроме основной частоты на рисунке 3 показаны третья и седьмая гармоники. С увеличением номера гармоники возрастает ее частота: частота третьей гармоники в три раза выше основной, пятой гармоники в пять раз, седьмой в семь и т.д. Соответственно амплитуда высших гармоник падает: чем выше номер гармоники, тем ниже ее амплитуда. Только если усилитель вертикального канала без особого ослабления сможет пропустить высшие гармоники, изображение импульса получится прямоугольным.
На рисунке 4 показана осциллограмма меандра при недостаточной полосе пропускания канала Y.
Примерно так выглядит меандр частотой 500 КГц на экране осциллографа ОМШ-3М с полосой пропускания 0…25 КГц. Как будто прямоугольные импульсы пропущены через интегрирующую RC цепочку. Такой осциллограф выпускался советской промышленностью для лабораторных работ на уроках физики в школах. Даже напряжение питания этого прибора в целях безопасности было не 220, а всего 42В. Совершенно очевидно, что осциллограф с такой полосой пропускания позволит почти без искажений наблюдать сигнал с частотами не более 5КГц.
У обычного универсального осциллографа полоса пропускания чаще всего составляет 5 МГц. Даже при такой полосе можно увидеть сигнал до 10 МГц и выше, но полученное на экране изображение позволяет судить лишь о наличии или отсутствии этого сигнала. О его форме что-либо сказать будет затруднительно, но в некоторых ситуациях форма не столь уж и важна: например есть генератор синусоиды, и достаточно просто убедиться, есть эта синусоида или ее нет. Как раз такая ситуация показана на рисунке 4.
Современные вычислительные системы и линии связи работают на очень высоких частотах, порядка сотен мегагерц. Чтобы увидеть столь высокочастотные сигналы полоса пропускания осциллографа должна быть не менее 500 МГц. Такая широкая полоса очень «расширяет» цену осциллографа.
В качестве примера можно привести цифровой осциллограф U1610A показанный не рисунке 5. Его полоса пропускания 100МГц, при этом цена составляет почти 200 000 рублей. Согласитесь, не каждый может позволить себе купить столь дорогой прибор.
Пусть читатель не сочтет этот рисунок за рекламу, поскольку все координаты продавца не закрашены: на месте этого рисунка мог оказаться любой подобный скриншот.
Виды исследуемых сигналов и их параметры
Наиболее распространенным видом колебаний в природе и технике является синусоида. Это та самая многострадальная функция Y=sinX, которую проходили в школе на уроках тригонометрии. Достаточно много электрических и механических процессов имеют синусоидальную форму, хотя достаточно часто в электронной технике применяются и другие формы сигналов. Некоторые из них показаны на рисунке 6.
Рисунок 6. Формы электрических колебаний
Периодические сигналы. Характеристики сигналов
Универсальный электронный осциллограф позволяет достаточно точно исследовать периодические сигналы. Если же на вход Y подать реальный звуковой сигнал, например, музыкальную фонограмму, то на экране будут видны хаотично мелькающие всплески. Естественно, что детально исследовать такой сигнал невозможно. В этом случае поможет применение цифрового запоминающего осциллографа, который позволяет сохранить осциллограмму.
Колебания, показанные на рисунке 6, являются периодическими, повторяются, через определенный период времени T. Подробнее это можно рассмотреть на рисунке 7.
Рисунок 7. Периодические колебания
Колебания изображены в двухмерной системе координат: по оси ординат отсчитывается напряжение, а по оси абсцисс время. Напряжение измеряется в вольтах, время в секундах. Для электрических колебаний время чаще измеряется в миллисекундах или микросекундах.
Кроме компонентов X и Y осциллограмма содержит еще компонент Z – интенсивность, или попросту яркость (рисунок 8). Именно она включает луч на время прямого хода луча и гасит на время обратного хода. Некоторые осциллографы имеют вход для управления яркостью, который так и называется вход Z. Если на этот вход подать импульсное напряжение от образцового генератора, то на экране можно увидеть частотные метки. Это позволяет точнее отсчитывать длительность сигнала по оси X.
Рисунок 8. Три компонента исследуемого сигнала
Современные осциллографы имеют, как правило, калиброванные по времени развертки, позволяющие точно отсчитывать время. Поэтому пользоваться внешним генератором для создания меток практически не приходится.
В верхней части рисунка 7 располагается синусоида. Нетрудно видеть, что начинается она в начале координатной системы. За время T (период) выполняется одно полное колебание. Далее все повторяется, идет следующий период. Такие сигналы называются периодическими.
Ниже синусоиды показаны прямоугольные сигналы: меандр и прямоугольный импульс. Они также периодические с периодом T. Длительность импульса обозначена как τ (тау). В случае меандра длительность импульса τ равна длительности паузы между импульсами, как раз половина периода T. Поэтому меандр является частным случаем прямоугольного сигнала.
Скважность и коэффициент заполнения
Для характеристики прямоугольных импульсов используется параметр, называемый скважностью. Это есть отношение периода следования импульсов T к длительности импульса τ. Для меандра скважность равна двум, — величина безразмерная: S= T/τ.
В англоязычной терминологии как раз все наоборот. Там импульсы характеризуются коэффициентом заполнения, соотношением длительности импульса к периоду следования Duty cycle: D=τ/T. Коэффициент заполнения выражается в %%. Таким образом, для меандра D=50%. Получается, что D=1/S, коэффициент заполнения и скважность величины взаимно обратные, хотя характеризуют собой один и тот же параметр импульса. Осциллограмма меандра показана на рисунке 9.
Рисунок 9. Осциллограмма меандра D=50%
Здесь вход осциллографа подключен к выходу функционального генератора, показанного тут же в нижнем углу рисунка. И вот тут внимательный читатель может задать вопрос: «Амплитуда выходного сигнала с генератора 1В, чувствительность входа осциллографа 1В/дел., а на экране прямоугольные импульсы с размахом 2В. Почему?»
Дело в том, что функциональный генератор выдает двухполярные прямоугольные импульсы относительно уровня 0В, примерно так же, как синусоида, с положительной и отрицательной амплитудой. Поэтому на экране осциллографа наблюдаются импульсы с размахом ±1В. На следующем рисунке изменим коэффициент заполнения Duty cycle, например, до 10%.
Рисунок 10. Прямоугольный импульс D=10%
Нетрудно видеть, что период следования импульсов составляет 10 клеток, в то время, как длительность импульса всего одна клетка. Поэтому D=1/10=0,1 или 10 %, что видно по настройкам генератора. Если воспользоваться формулой для подсчета скважности, то получится S = T / τ = 10 / 1 = 1 – величина безразмерная. Вот здесь можно сделать вывод, что Duty cycle намного наглядней характеризует импульс, чем скважность.
Собственно сам сигнал остался такой же, как на рисунке 9: прямоугольный импульс амплитудой 1В и частотой 100Гц. Изменяется только коэффициент заполнения или скважность, уж это как кому привычней и удобней. Но для удобства наблюдения на рисунке 10 длительность развертки снижена в два раза по сравнению с рисунком 9 и составляет 1мс/дел. Поэтому период сигнала занимает на экране 10 клеток, что позволяет достаточно легко убедиться, что Duty cycle составляет 10%. При пользовании реальным осциллографом длительность развертки выбирается примерно также.
Измерение напряжения прямоугольного импульса
Как было сказано в начале статьи, осциллограф измеряет напряжение, т.е. разность потенциалов между двумя точками. Обычно измерения проводятся относительно общего провода, земли (ноль вольт), хотя это необязательно. В принципе возможно измерение от минимального до максимального значения сигнала (пиковое значение, размах). В любом случае действия по измерению достаточно просты.
Прямоугольные импульсы чаще всего бывают однополярными, что характерно для цифровой техники. Как измерить напряжение прямоугольного импульса, показано на рисунке 11.
Рисунок 11. Измерение амплитуды прямоугольного импульса
Если чувствительность канала вертикального отклонения выбрана 1В/дел, то получается, что на рисунке показан импульс с напряжением 5,5В. При чувствительности 0,1В/дел. Напряжение будет всего 0,5В, хотя на экране оба импульса выглядят совершенно одинаково.
Что еще можно увидеть в прямоугольном импульсе
Прямоугольные импульсы, показанные на рисунках 9, 10 просто идеальные, поскольку синтезированы программой Electronics WorkBench. Да и частота импульсов всего 100Гц, поэтому проблем с «прямоугольностью» изображения возникнуть не может. В реальном устройстве при высокой частоте следования импульсы несколько искажаются, прежде всего, появляются различные выбросы и всплески, обусловленные индуктивностью монтажа, как показано на рисунке 12.
Рисунок 12. Реальный прямоугольный импульс
Если не обращать внимания на подобные «мелочи», то прямоугольный импульс выглядит так, как показано на рисунке 13.
Рисунок 13. Параметры прямоугольного импульса
На рисунке показано, что передний и задний фронты импульса возникают не сразу, а имеют какое-то время нарастания и спада, несколько наклонены относительно вертикальной линии. Этот наклон обусловлен частотными свойствами микросхем и транзисторов: чем более высокочастотный транзистор, тем менее «завалены» фронты импульсов. Поэтому длительность импульса определяется по уровню 50% от полного размаха.
По этой же причине амплитуда импульса определяется по уровню 10…90%. Длительность импульса, так же, как и напряжение, определяется умножением числа делений горизонтальной шкалы на значение деления, как показано на рисунке 14.
На рисунке показан один период прямоугольного импульса, несколько отличного от меандра: длительность положительного импульса составляет 3,5 деления горизонтальной шкалы, а длительность паузы 3,8 деления. Период следования импульса составляет 7,3 деления. Такая картинка может принадлежать нескольким разным импульсам с различной частотой. Все будет зависеть от длительности развертки.
Предположим, что длительность развертки 1мс/дел. Тогда период следования импульса 7,3*1=7,3мс, что соответствует частоте F=1/T=1/7.3= 0,1428КГц или 143ГЦ. Если длительность развертки будет 1мкс/дел, то частота получится в тысячу раз выше, а именно 143КГЦ.
Пользуясь данными рисунка 14 нетрудно подсчитать скважность импульса: S=T/τ=7,3/3,5=2,0857, получается почти, как у меандра. Коэффициент заполнения Duty cycle D=τ/T=3,5/7,3=0,479 или 47.9%. При этом следует обратить внимание, что эти параметры ни в коем случае не зависят от частоты: скважность и коэффициент заполнения были подсчитаны просто по делениям на осциллограмме.
С прямоугольными импульсами все вроде бы понятно и просто. Но мы совсем забыли о синусоиде. В сущности, там то — же самое: можно измерить напряжения и временные параметры. Один период синусоиды показан на рисунке 15.
Рисунок 15. Параметры синусоиды
Очевидно, что для показанной на рисунке синусоиды чувствительность канала вертикального отклонения составляет 0,5В/дел. Остальные параметры нетрудно определить умножив число делений на 0,5В/дел.
Синусоида может быть и другой, которую придется измерять при чувствительности, например, 5В/дел. Тогда вместо 1В получится 10В. Однако, на экране изображение обеих синусоид выглядит абсолютно одинаково.
Временные параметры показанной синусоиды неизвестны. Если предположить, что длительность развертки 5мс/дел., период составит 20мс, что соответствует частоте 50ГЦ. Цифры в градусах на оси времени показывают фазу синусоиды, хотя для одиночной синусоиды это не особо важно. Чаще приходится определять сдвиг по фазе (непосредственно в миллисекундах или микросекундах) хотя бы между двумя сигналами. Лучше всего это делать с помощью двухлучевого осциллографа. Как это делается, будет показано чуть ниже.
Как осциллографом измерить ток
В некоторых случаях требуется измерение величины и формы тока. Например, переменный ток, протекающий через конденсатор, опережает напряжение на ¼ периода. Тогда в разрыв цепи включают резистор с небольшим сопротивлением (десятые доли Ома). На работу схемы такое сопротивление не влияет. Падение напряжения на этом резисторе покажет форму и величину тока, протекающего через конденсатор.
Примерно так же устроен обычный стрелочный амперметр, который включатся в разрыв электрической цепи. При этом измерительный резистор находится внутри самого амперметра.
Схема для измерения тока через конденсатор показана на рисунке 16.
Рисунок 16. Измерение тока через конденсатор
Синусоидальное напряжение частотой 50 Гц амплитудой 220 В с генератора XFG1 (красный луч на экране осциллографа) подается на последовательную цепь из конденсатора C1 и измерительного резистора R1. Падение напряжения на этом резисторе покажет форму, фазу и величину тока через конденсатор (синий луч). Как это будет выглядеть на экране осциллографа, показано на рисунке 17.
Рисунок 17. Ток через конденсатор опережает напряжение на ¼ периода
При частоте синусоиды 50 Гц и развертке 5 ms/Div один период синусоиды занимает 4 деления по оси X, что очень удобно для наблюдения. Нетрудно видеть, что синий луч опережает красный ровно на 1 деление по оси X, что соответствует ¼ периода. Другими словами ток через конденсатор опережает по фазе напряжение, что полностью соответствует теории.
Чтобы рассчитать ток через конденсатор достаточно воспользоваться законом Ома: I = U/R. При сопротивлении измерительного резистора 0,1Ом падение напряжения на нем 7мВ. Это амплитудное значение. Тогда максимальный ток через конденсатор составит 7/0,1=70мА.
Измерение формы тока через конденсатор не является какой-то очень актуальной задачей, тут все ясно и без измерений. Вместо конденсатора может быть любая нагрузка: катушка индуктивности, обмотка электродвигателя, транзисторный усилительный каскад и многое другое. Важно, что именно таким методом можно исследовать ток, который в некоторых случаях значительно отличается по форме от напряжения.
- Как пользоваться осциллографом
- Электронный осциллограф — устройство, принцип работы
- Как определить параметры неизвестного трансформатора
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника
Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Измерение Тока Осциллографом
Вы можете написать сейчас и зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.
Поделиться
Последние посетители 0 пользователей онлайн
- Ни одного зарегистрированного пользователя не просматривает данную страницу
Объявления
Сообщения
Спасибо Спасибо. Заменил я резисторы. Все три, два по 360 Ом и один 39 Ом 2 Вт. Значит этот резистор 39 Ом я его проверял тестером, он так и показывает около 40 ом (стрелочным). Но. ведь маркировка у него 11 Ом (коричневый-коричневый-черный-золотой-коричневый), подпаленный значит?. И не известно как он себя вел при работе. Поэтому поставил, правда в параллель два, получилось 35 с копейками Ом. Плата заработала, на выходе 200 Вольт. Все работает. Теперь по трансу. Подключил последовательно кипятильник, 1 или 1,5 КВт, точно не знаю. Показало на трансе первичка всего 97 Вольт. Вторичка — 1 Вольт. Межвитковое, в перемотку? Эх.
Если даже от банки фонит то дело не в бп.
Ну так чини а с таким конструктивом про 5A забудь. Там по хорошему всё переделывать надо что бы хоть 2А нормально отдавал.
для школы пойдёт . мне его учитель по физике дал починить . он на опытах спалил) бонус для школы ремонт копейки бесплатно .
@dolmatovva Этого никто и не отрицал.
У меня 2 источника питания: 1) Для материнки 3d принтера на 24в. 2) Для лазерного модуля на 12в (по ошибке не тот приобрел, конечно на 24в было бы удобнее). Последовал вашему совету и начал проверять от фундамента. Начал с 24В. БП 24В без нагрузки. Пульсации в пределах 20мВ (почти эталон ). Подключал скоп напрямую к выходу с БП. В самом БП криминала не увидел и пошел дальше. Ниже скрин тот же БП, но уже с подключенной материнкой 3d принтера. Появились пульсации. Подключал щуп на предохранитель на входе на материнку. GND цеплял к пину GND лазера/куллера обдува. У меня лазер и куллер сидят на одном пине через переключатель, т.е. исключают работу друг друга. И вот такая белиберда происходит при включении куллера обдува и подаче на него ШИМ. Подключение скопа аналогично предыдущему пункту. Т.е. я пытаюсь смотреть пульсации на 24В линии и они стали зашкаливать под 500мВ. Тут меня осенило прозвонить GND от пина куллера к GND БП. Заметил вместо положенных 1-2Ом целых 8Ом. Прозвонил GND от БП до материнки — 0,9Ом (норм). А вот от входа материнки до пина куллера/лазера 8Ом. Подключил опять осциллограф к 24В линии, но GND уже взял с входа на материнку. Включаю ШИМ на куллер/лазер и осциллограмма уже похожа на нормальную. Пульсации в пределах 30мВ. Какой-то вывод я из этого могу сделать? Вижу, что GND на куллере/лазере какой-то сомнительный. Может мне взять с входа на материнку этот самый GND для куллера/лазера? Для куллера это не криминально, крутится он и при таком подключении. Пойду эксперимент проведу.
Как осциллографом измерить ток
Не так давно встала перед нами задача: изучить работу дросселя в нашем силовом преобразователе. А именно — выяснить, не насыщается ли его магнитопровод при работе на больших токах. Самая первая и самая верная мысль — для этого надо посмотреть форму тока через дроссель. Если форма правильная, пилообразная — значит дроссель работает нормально. Если есть тычки — значит насыщается.
Но как посмотреть ток? Конечно же с помощью шунта.
Итак, взяли мы 75-амперный шунт и включили его в разрыв плюсового провода (опыт №1). Почему плюсового? Да просто так было удобнее. Рассудили, как и Пружина в свое время, что «все равно от сети отвязано — посему похер куда включать». Включили — и охренели! Послышались возгласы «Да дроссель-то не работает совсем!», «Как же банки-то при таких импульсах тока на взрываются?»
Глядя на такую не поддающуюся объяснению картинку, я вспомнил, как советовал Пружине включить шунт в разрыв общего провода, т.е. минуса. И решил поступить так же (опыт №2). Результат — совершенно другая картинка, к тому же щедро сдобренная выбросами в сотни ампер и высокочастотными колебаниями. «Ндааа. » сказали мы и удалились обдумывать увиденное.
И тут я вспомнил: сколько было попыток посмотреть ток с помощью шунта, ни разу мы не получили достоверную картину. Я взял датчик тока «LEM LT100» (тут немного теории с сайта производителя, тут PDF на используемый датчик), просунул в него провод, подал питание (датчику нужно питание) — и увидел желанные треугольники (опыт №3). Опыт показал, что несмотря на некоторую потерю индуктивности, даже на максимальном токе дроссель продолжает выполнять свои функции.
Так я в очередной раз убедился, что показаниям шунта надо доверять очень и очень осторожно. На что и обращаю внимание всех, кому придется мерить ток таким образом.
- Для действующего значения — шунт и измерительная головка (но не осциллограф или питаемый от сети вольтметр!);
- Для переменной составляющей — трансформатор тока на кольцевом магнитопроводе.
- LEM модуль позволяет измерять и постоянную, и переменную составляющую тока. Но его цена слишком высока, чтобы покупать себе домой.
| I.gif (6.56 Кб) Схема опытов |
 |
| I_plus.jpg (92.49 Кб) Опыт №1 — шунт в плюсовой цепи, 50А в клетке |
 |
| I_minus.jpg (107.74 Кб) Опыт №2 — шунт в минусовой цепи, 50А в клетке |
 |
| I_lem.jpg (101.57 Кб) Опыт №3 — осциллограмма тока, снятая с помощью датчика LEM, 2А в клетке |
