Как работают осциллографы

Блип… блип… блип… блип… уууууууууу… «Скорая
сестра, она разбила… весла!» Ни одна телевизионная больничная драма не
была бы полной без вида и звука кардиомонитора у
постели пациента. Мы все наблюдали за этими ярко освещенными линиями,
прыгающими вверх и вниз, но вы когда-нибудь задумывались, как именно
они работают? Такие кардиомониторы основаны на своего рода электронной
графографической машине, называемой осциллографом, которая работает во многом как
старомодный телевизор. Давайте поближе рассмотрим эти
удобные приборы и узнаем, как они работают!

Фото: Взрыв из прошлого! Представьте себе попытку построить компактный осциллограф до того, как
миниатюрные электронные компоненты стали легкодоступными. Это была проблема, с которой
столкнулись ученые Национального бюро стандартов и Бюро аэронавтики ВМС США (BuAer) в 1950-х годах, прежде чем
они смогли заполучить транзисторы. То, что они придумали, было этой удивительно компактной машиной, Субминиатюрным радиолокационным индикаторным осциллографом, который датируется 1954–1956 годами.
Фото любезно предоставлено Национальным институтом стандартов и технологий Digital Collections, Гейтерсберг, Мэриленд 20899.

Что такое осциллограф?

Вы наверняка рисовали диаграммы в школе и видели их в
газетах. Многие из них показывают, как определенная величина чего-либо
(например, частота сердечных сокращений, цена акций корпорации или
обменный курс страны) изменяется с течением времени: величина
откладывается по вертикали (называемой осью Y),
а период времени — по горизонтали (осью X).

Проблема с такими диаграммами в том, что их
построение может занять много времени, если, конечно, вы не осциллограф!
Это удобный маленький гаджет, который автоматически рисует диаграммы, используя сигналы, которые вы подаете в него с
датчиков, подключенных к электронной схеме, научному прибору
или части медицинского контрольного оборудования.

Иллюстрация: Ниже: Типичная диаграмма/график. Этот показывает устойчивый рост электронной коммерции в последние годы. Ось x (время) проходит горизонтально по странице; ось y (доход) проходит вертикально вверх по странице.
Предоставлено Бюро переписи населения США.

Для чего можно использовать осциллографы?

Фото: Электрик ВМС США использует осциллограф для проверки производительности электродвигателя
на борту авианосца. Фото Паоло Байаса предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

Мы можем использовать осциллографы для просмотра всех видов сигналов различными
способами. Если вы когда-нибудь изучали электронику,
вы будете использовать осциллографы для наблюдения за тем, как сигналы изменяются в цепях с течением времени; вы
также можете использовать их для обнаружения неисправностей в сломанных телевизорах, радиоприемниках и всех
видах подобного оборудования. Зонды на типичном осциллографе позволяют
вам подавать электрический ток через коаксиальные кабели, но это не значит, что осциллограф может измерять только электричество. Подключите преобразователь (который преобразует один
вид энергии в другой), и вы сможете использовать осциллограф для измерения практически чего угодно.
Например, вы можете использовать микрофон
(тип преобразователя, который
преобразует звуковую энергию в электрический сигнал) для изучения звуковых
сигналов с помощью осциллографа; вы можете использовать термопару (
преобразователь, который преобразует тепло в электричество) для изучения
изменений температуры; или вы можете использовать пьезоэлектрический преобразователь
(который генерирует электричество при сжатии) для изучения вибраций, например,
сердцебиения человека.

Одной из действительно полезных вещей в осциллографах является то, как они превращают невидимые сигналы в то, что мы можем
видеть и понимать. Так, например, вы не можете услышать ультразвук — звук выше диапазона человеческого слуха — по определению. Но вы можете увидеть и изучить его очень легко с помощью осциллографа. Точно так же осциллографы предоставляют очень полезный способ для людей с нарушениями слуха видеть и изучать звуки, которые
они не могут оценить никакими другими способами.

Фото: Делаем звук видимым. Вы можете использовать осциллографы в качестве звуковых «визуализаторов». Это, по сути, трасса с компьютерного визуализатора, в который я скормил отрывок Бетховена, но ничто не мешает вам делать то же самое с помощью физического осциллографа, подключенного к hi-fi (или приложению на вашем телефоне).

Как работает осциллограф

Традиционный осциллограф работает почти так же, как и
традиционный (электронно-лучевой) телевизор; действительно, иногда вы будете видеть
осциллографы, называемые электронно-лучевыми осциллографами или CRO. В телевизоре
электронные лучи сканируют вперед и назад по экрану, покрытому
сзади специальными химикатами, называемыми люминофорами. Каждый раз, когда
луч попадает на экран, он заставляет люминофоры загораться. За время, меньшее,
чем требуется, чтобы моргнуть глазом, электронные лучи проносятся по
всему экрану и создают изображение, которое вы можете видеть. Затем они делают это
снова и снова. И снова. И снова. Таким образом, вы видите движущееся изображение
вместо неподвижного. (Быстро просмотрите нашу телевизионную статью, чтобы увидеть схему, показывающую,
как все это работает на практике.) В осциллографе электронные
лучи работают так же, но вместо того, чтобы создавать изображение, они рисуют график.
Когда вы смотрите на линию, рисуемую на экране осциллографа, на
самом деле вы видите электронный луч, колеблющийся вверх и вниз!

Вот что следует отметить: электрические сигналы, поданные в соединения x и y, фактически
становятся значениями x и y на вашей экранной диаграмме. Поскольку между этими двумя вещами существует однозначное
соответствие, традиционный осциллограф
является аналоговым устройством. (Другой способ взглянуть
на это — сказать, что след на экране является аналогом того, что вы
изучаете или измеряете.)

Фото: Осциллограф рисует след (график) некоторой величины (отложенной по оси Y), которая меняется со временем (отложенной по оси X). Один из распространенных шаблонов, который вы увидите, — это плавно волнообразный, змеевидный след вверх-вниз, который называется синусоидой или синусоидой (зеленая верхняя линия).
Другой довольно распространенный шаблон — пилообразная волна (синий ступенчатый след, показанный под синусоидой).
Это демонстрационный скриншот из Oscium, подключаемого осциллографа, который воспроизводит некоторые функции традиционного осциллографа на вашем смартфоне или планшете.

Электронные графики

Как осциллограф на самом деле рисует след?
Представьте, что вы осциллограф!
Представьте, что вы держите карандаш в руке в нулевой точке на листе
миллиметровой бумаги. Теперь предположим, что ваша рука привязана к двум
электродвигателям,
один из которых может перемещать ее на точные величины в вертикальном (y)
направлении (то есть вверх и вниз по странице), а другой может
перемещать ее в горизонтальном (x) направлении (по странице из стороны в
сторону). Двигатели подключены к электронным схемам, которые
могут дискретизировать сигналы разных видов.

Для начала предположим, что мы
подключаем x-цепь к электронным кварцевым
часам. Каждый раз, когда
часы тикают, они посылают сигнал x-двигателю, который
слегка перемещает вашу руку вправо. Таким образом, в течение нескольких секунд ваша рука
постепенно перемещается вправо, рисуя горизонтальную линию по мере своего движения.
Теперь предположим, что мы подключаем y-цепь к какому-то электронному
прибору, который определяет сердцебиение человека. Если x- и y-цепи
подключены одновременно, ваша рука будет двигаться по странице,
как и раньше, но подпрыгивать вертикально каждый раз, когда бьется сердце, рисуя
классическую кривую сердцебиения, которую вы видите в телевизионных драмах о больнице.
Замените карандаш и миллиметровую бумагу электронным
лучом и экраном телевизора, и вы сможете увидеть, как именно осциллограф
рисует свои кривые. Каждый раз, когда сигнал поступает через y-цепь,
электронный луч подпрыгивает. Все это время временной сигнал заставляет
кривую двигаться слева направо вдоль горизонтальной оси (x).

Иллюстрация: Как осциллограф рисует синусоидальную волну. 1) Внутри электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) электронная пушка (желтая) выстреливает пучком электронов (зеленые точки) в направлении фосфоресцирующего экрана. 2) При отсутствии сигнала, подключенного к осциллографу, схема синхронизации питает электромагнитные катушки (синие), которые заставляют электронный луч медленно перемещаться по экрану слева направо (фактически питая ось x графика). 3) Когда вы подаете волнообразный сигнал (оранжевый) на зонды осциллографа, другая схема питает перпендикулярную пару катушек (красные), которые заставляют луч перемещаться вверх и вниз. 4) Действуя вместе, катушки заставляют электронные лучи перемещаться по извилистому следу вверх и вниз (синусоидальная волна).

Как пользоваться осциллографом?

Все просто! Вы подключаете сигнал, который хотите изучить, к
y-контуру и используете x-контур (иногда называемый временной базой), чтобы
изучить, как сигнал изменяется со временем. В качестве альтернативы вы можете подключить
второй сигнал к x-контуру, а затем изучить, как
сигналы y и x изменяются вместе. При включенном осциллографе и подключении
к сигналу вы увидите след, формирующийся на фоне
экранной «миллиметровой бумаги» (которая известна как сетка,
размеченная на квадраты, называемые делениями).

Если след слишком мал для правильного просмотра, вам нужно настроить
калибровку осей x и y — так же, как при использовании
шкалы другого размера при построении диаграммы на бумаге. Если вы поворачиваете элемент
управления Time/Division (часто обозначенный как Time/Div или Secs/Div), вы изменяете каждое деление оси x экрана,
так что входящему сигналу требуется больше времени для перемещения. Например,
если сердцебиение создает импульс каждую секунду, а экран установлен
на одну секунду на деление, вы увидите импульс, появляющийся на каждом
делении (линии) экрана. Если вы поворачиваете элемент
управления Time/Division так, чтобы он был установлен на 0,5 секунды на деление, импульсы будут распространяться, занимая
в два раза больше горизонтального пространства (потому что одна секунда времени теперь
представлена ​​двумя делениями экрана). Вы можете настроить элемент
управления осью y (часто обозначенный как Volts/Division или Volts/Div) таким же образом.
Как правило, идея состоит в том, чтобы сделать след растянутым и заполнить
весь экран, чтобы можно было использовать сетку для проведения точных измерений.

Типы осциллографов

CRO и LCD

Как мы уже видели, осциллографы изначально были основаны на
электронно-лучевых трубках (ЭЛТ), которые относительно громоздки, тяжелы,
энергоемки, ненадежны и дороги.
(Вы можете увидеть прекрасную фотографию электронно-лучевой трубки старого осциллографа
на Wikimedia Commons.) Так же, как телевизоры с ЭЛТ
теперь в значительной степени заменены более удобной
технологией ЖК, так и многие осциллографы с ЭЛТ были заменены плоскими ЖК-экранами.
Вместо использования движущихся электронных лучей для рисования трасс, ЖК-
осциллографы используют цифровую электронику для рисования трассы
— эффективно имитируя то, что происходит со старой
технологией. ЖК-осциллографы, как правило, намного дешевле и компактнее
: вы даже можете поместить их в карман!

Фото: Типичный полноразмерный цифровой осциллограф. Фото
Брайана Рида предоставлено ВМС США и
Wikimedia Commons.

В отличие от традиционных осциллографов, которые используют полностью аналоговую
технологию (отображая на экране изменяющиеся сигналы, которые точно соответствуют
сигналам, которые вы на них подаете), ЖК-осциллографы, как правило, являются
цифровыми: они используют аналого-цифровые преобразователи для преобразования входящих
(аналоговых) сигналов в числовую (цифровую) форму, а затем выводят эти числа на экран.

Фото: Цифровые осциллографы намного меньше и более портативны, чем
устаревшие аналоговые. Это портативный осциллограф Fluke Scopemeter, используемый для проверки
сигналов связи в стойке электронного оборудования позади.
Фото Эндрю Ли предоставлено ВВС США.

Подключаемые (USB) осциллографы

Поскольку ваш компьютер, планшет или смартфон уже имеет дисплей CRT или LCD, больше нет необходимости покупать
осциллограф для нерегулярного использования в хобби. Такие компании, как Cleverscope, продают недорогие подключаемые осциллографы
(с разъемами USB или эквивалентными проводами для мобильных устройств), которые имитируют схему традиционного осциллографа и отображают след на экране вашего ПК или мобильного устройства. Как это удобно!
(Вы можете увидеть изображение типичного модуля USB-осциллографа на Wikimedia Commons.)

Приложения для осциллографов

Поищите в своем любимом магазине приложений, и вы найдете довольно много результатов по запросу «осциллограф», начиная от простых
демонстраций трассировки сигналов и заканчивая полностью функциональными осциллографами, которые принимают сигналы от подключаемых зондов. Базовые приложения
используют микрофон в качестве своего очень грубого источника сигнала. С помощью кабеля-адаптера USB для вашего мобильного телефона и подключаемого зонда
ваш мобильный телефон мгновенно становится карманным осциллографом! Oscium производит самые известные подключаемые зонды осциллографа для
iPhone/iPod Touch и Android, и, несомненно, они доступны и у других производителей.

Фото: Вот скриншоты двух типичных приложений-осциллографов. 1) Самое простое приложение Oscillo (доступно в обычных магазинах приложений) рисует простую амплитудную кривую любого звукового сигнала, который в данный момент поступает через микрофон вашего мобильного устройства. Это отличный способ продемонстрировать детям, как звуки разного тона и высоты создают волны разной формы. Здесь я напеваю один тон в свой мобильный телефон, чтобы создать приблизительную синусоидальную волну, и я могу изменять громкость и высоту и смотреть, что происходит с кривыми при этом. Что произойдет, если я свистну или напеваю, или попытаюсь заставить свой голос звучать как труба или флейта? Это отличное введение в осциллографы и гораздо более интересный, интерактивный способ изучения волн, чем вы найдете в традиционных научных книгах. 2) Чуть более сложное приложение Sound Oscilloscope (от Дениса Большойдена, для Android) может рисовать ту же амплитудную кривую или, как вариант (как показано здесь), частотную кривую (БПФ) звукового сигнала с вашего микрофона, что добавляет дополнительное измерение к действию.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Электроника
• Интегральные схемы
• ЖК-дисплеи (жидкокристаллические дисплеи)
• Телевидение (основная идея электронно-лучевых трубок)

На других сайтах

Учебники

• Использование осциллографа: это простое в использовании онлайн-руководство станет отличным началом, если вы никогда раньше не пользовались осциллографом. [Архивировано через Wayback Machine.]

История и предыстория

• История осциллографов в Википедии описывает развитие осциллографов от полуавтоматических машин для построения графиков до современных цифровых осциллографов.
• VintageTEK: частично виртуальный, частично реальный музей классических осциллографов Tektronix (и связанных с ними гаджетов) с экспонатами, насчитывающими более полувека.

Книги

• «Как диагностировать и чинить все электронные устройства» Майкла Гейера. McGraw-Hill, 2015. Включает введение в осциллографы, мультиметры и другие контрольно-измерительные приборы.
• Осциллографы Яна Хикмана. Newnes/Elsevier, 2001. Базовый учебник, охватывающий те же темы, что и эта статья, но гораздо более подробно: что такое осциллографы, для чего они предназначены, какие существуют типы и для чего их можно использовать.
• «Цифровые запоминающие осциллографы» Яна Хикмана. Newnes/Elsevier, 1997. Несколько устаревший взгляд на современные осциллографы, но все же заслуживающий внимания.
• «Как использовать осциллографы и другое испытательное оборудование» Р. А. Пенфолда. Бернард Бабани, 1989. Описывает современные цифровые осциллографы и способы их использования.

Статьи

• Музыка Jerobeam Fenderson’s Trippy Oscilloscope от Нила В. Пателя. IEEE Spectrum, 19 февраля 2015 г. Как использовать осциллограф с ЭЛТ в качестве визуализатора старой школы!
• «Как построить осциллограф для iPad» Джеймса Тернера, IEEE Spectrum, 31 августа 2011 г.
  и «Осциллограф превращает iPad в серьезный научный инструмент» Брайана Маклафлина, Wired, 8 декабря 2011 г. Два кратких введения в приложение Oscium для iPad.
• TI-Nspire и
  фигуры Лиссажу Уильяма Ханны, Майкла С. Дэвиса, Кэтлин Линч-Дэвис и Трейси Гудсон Эспи.
  Учитель математики, том 103, № 8, апрель 2010 г. Если вам сложно преподавать (или изучать)
  фигуры Лиссажу с помощью осциллографа, вот альтернативный подход.

Патенты

• Патент США: 3,795,834: Осциллограф с режимом отображения внешнего запуска, Роланд Эндрюс и Роберт Уайт, Tektronix, Inc. 5 марта 1974 г. Подробное техническое объяснение типичного аналогового осциллографа начала 1970-х годов.
• Патент США: 3,816,815: Цифровой осциллограф и метод хранения и отображения форм сигналов Уильяма Осбона, Nicolet Instrument Corp. 11 июня 1974 г. Первый цифровой осциллограф, который «преобразует входящие электронные импульсы в двоичные числа и отображает, измеряет и сохраняет их».
• Патент США: 1,934,322: Электронно-лучевой осциллограф Уильяма Осбона, Westinghouse Electric. 7 ноября 1933 г. Ранняя конструкция осциллографа на ЭЛТ.