Первые эксперименты с осциллографом Rigol DS1054Z

3 июля 2017

В плане идеи осциллограф является достаточно простым устройством. Осциллограф измеряет напряжение, часто сразу в нескольких точках цепи, и отображает результаты измерений в виде графиков. То есть, это что-то вроде очень навороченного вольтметра. Это что касается идеи, а вот внутреннее устройство осциллографа намного сложнее. В сущности, современные осциллографы являются специализированными компьютерами, и цены на них соответствующие. На сегодняшний день оптимальным в плане отношения цена / качество осциллографом начального уровня является Rigol DS1054Z.

Об осциллографе

Примечание: Меня предупреждали, что при покупке осциллографа в Китае через интернет могут возникнуть проблемы на таможне. Если у кого-то из читателей есть опыт, подтверждающий или опровергающий это утверждение, прошу поделиться им в комментариях. Я лично решил купить осциллограф в России, как по только что озвученной причине, так и из соображений безопасности транспортировки и наличия гарантии.

Цена за Rigol DS1054Z колеблется в районе 400-450$, в зависимости от страны и магазина. Не такие уж маленькие деньги, но тут работает правило «скупой платит дважды». Если вообще брать осциллограф, то лучше сразу взять правильный, который подойдет вам для большинства практических задач и прослужит много лет, чем взять подешевле, а затем все равно заплатить за DS1054Z.

Итак, основные характеристики Rigol DS1054Z:

  • Экран: цветной, 7", 800x400;
  • Количество каналов: 4;
  • Полоса пропускания: 50 МГц, можно «разогнать» до 100 МГц;
  • Частота дискретизации: 1 GS/s;
  • Объем памяти: 12 млн точек;

Плюс к этому осциллограф обладает множеством интересных софтверных фичей — сбор статистики, математические операции над сигналами, декодирование RS232, I2C и SPI, снятие скриншотов с сохранением на флешку, возможность печати на принтере, подключения к Ethernet-сети, и так далее.

Что такое полоса пропускания хорошо описано в блоге Adafruit. Очень грубо говоря, это примерное значение максимальной частоты сигнала, с которой может работать осциллограф. Действительность существенно сложнее, но этот вопрос уже выходит за рамки поста. Что означают остальные характеристики и на что они влияют должно быть понятно из названия. Насколько я смог выяснить, это лучшие характеристики для данного ценового класса. За те же деньги среди альтернатив вы найдете либо осциллограф с двумя каналами, либо с меньшей полосой пропускания.

Здорово, конечно, но пока что все это выглядит больно похоже на четыре вольтметра в одном корпусе :) Так зачем же осциллограф может потребоваться на практике, и что он может такого, чего не может вольтметр? Чтобы ответить на эти вопросы, проведем несколько более-менее практических опытов.

Эксперимент 1. Определяем индуктивность катушки

Рассмотрим следующий сигнал:

Осциллограф Rigol DS1054Z и сигнал затухающих колебаний в LC-контуре

Здесь вы видите затухающие колебания в LC-контуре. Чтобы получить такой сигнал, нужно спаять катушку индуктивности с керамическим конденсатором и соединить все как изображено на следующем фото:

Собранный LC-контур

Сигнал возникает при кратковременной подачи питания в цепь. Держать питание подключенным слишком долго не рекомендую, я так одну катушку спалил. Доли секунды будет более, чем достаточно. Заметьте, что для избавления от лишних шумов и лишнего сопротивления цепь нужно именно спаять, а не собрать на макетной плате.

Емкость конденсатора обычно известна, во-первых, потому что на нем есть маркировка, а во-вторых, потому что функция измерения емкости конденсатора есть во многих мультиметрах. Осциллограф же оказался достаточно умным, чтобы автоматически определить период и частоту колебаний в контуре. На фото не особо видно, но они подписаны желтым цветом под сигналом. Период и частота составили 19.2 мкс и 52.1 КГц соответственно.

Зная емкость конденсатора и частоту колебаний, можно по формуле Томсона определить индуктивность катушки:

>>> from math import pow, pi
>>> # частота колебаний - 52.1 КГц
>>> f = 52.1 * pow(10, 3)
>>> # емкость конденсатора, согласно мультиметру - 94.3 нФ
>>> C = 94.3 * pow(10, -9)
>>> # вычисляем индуктивность через формулу Томсона
>>> L = 1 / (4 * pow(pi, 2) * pow(f, 2) * C)
>>> # индуктивность катушки в мкГн
>>> L * pow(10, 6)
98.95850461540098

На практике, конечно же, измерения нужно проводить хотя бы 3 раза, а также оценивать погрешность измерений.

Итак, если у вас есть осциллограф, RLC-метр можно не покупать. Все необходимое для измерения индуктивности катушек у вас уже есть.

Эксперимент 2. Наблюдение за колебательными процессами

Раз уж заговорили о колебаниях, вот еще пара примеров. С помощью осциллографа можно посмотреть, как именно меняется напряжение на светодиодах в мультивибраторе:

Сигнал мультивибратора на осциллографе

На следующем же скриншоте изображены прямоугольный сигнал от таймера 555:

Сигнал от таймера 555 на осциллографе

Горизонтальные и вертикальные линии, которые вы видите, называются курсорами. Их можно перемещать при помощи элементов управления осциллографа для измерения интересных свойств сигнала.

Эксперимент 3. Сравниваем шумы регуляторов напряжения

Говорят, что импульсные регуляторы напряжения имеют больший шум, чем линейные. Но насколько эта разница велика и имеет ли она значение на практике? Давайте выясним!

Шумы от линейного регулятора LM7805, который упоминался в заметке Интегральные схемы: чипы стандартной логики 74xx, выглядят следующим образом:

Шум от линейного регулятора на осциллографе

Сравним его с импульсным регулятором LM2596, шум от которого выглядит так:

Шум от линейного регулятора на осциллографе

Для чистоты эксперимента в качестве источника питания в обоих случаях использовалась одна и та же батарейка крона. Как видите, шум у импульсного регулятора действительно оказался больше, +/- 0.065 В против +/- 0.04 В у линейного регулятора. Однако я не думаю, что это имеет большое значение на практике.

Заключение

Само собой разумеется, применений осциллографу можно найти куда больше, чем определение индуктивности катушек и увлеченное наблюдение за таймерами 555. Выше была приведена лишь пара примеров, первых пришедших мне в голову. На практике же все ограничивается только вашими потребностями и фантазией. Вообще, лично мне нравится думать об осциллографе, как о GDB для железа. Быть может, с его помощью я наконец-то перестану панически бояться чисто аналоговых схем с катушками, фильтрами частот, и вот этим вот всем.

Несколько ссылок по теме:

А есть ли у вас осциллограф и если да, то какой, и какие задачи с его помощью вы решаете?

Метки: , .

Подпишись через RSS, E-Mail, Google+, Facebook, Vk или Twitter!

Понравился пост? Поделись с другими: