Осциллограф. Часть 7. Частотные спектры сигналов

В Интернете можно прочитать: «Надо знать частоты, спектры...». Говорится многозначительно и с намеком на некую «секретность и сложность» этого «знания».

Фото №55. Вот осциллограмма реального датчика. Смотрим частоту повторения импульсов (маркеры установлены). Обороты, при которых снималась осциллограмма - ХХ. Частота повторения импульсов 416Гц. Можно увеличить обороты в 10 раз. Частота тоже увеличится, и спектр сигнала и диапазон легко определяется. Проведем еще измерение:

Фото №56

Здесь мы смотрим время нарастания амплитуды во фронте. И осциллограф сам выдал полосу спектра сигнала 35,71 кГц. Вот и вся тайна. Имеете осциллограф - смотрите любой сигнал управления или датчика - определяете. Вот это и будут те «засекреченные» непонятно кем и для чего данные. Давайте посмотрим еще несколько осциллограмм на привычном сигнале, посмотрим спектр сигнала, составляющие.

Фото №58

Вот на этом. Теперь я изменю, масштаб и развертку, чтобы видны были отдельные участки.

Фото №59

Укрупнил, есть и начало, и конец, и все интересующие участки. Здесь все хорошо видно: и момент включения и насыщение, и момент пробоя и время горения искры и затухания. Но таким крупным масштабом вряд ли кто из диагностов пользуется. И то, что я делаю сейчас, в принципе не нужно делать. Только с целью показа или когда процессы нужно рассмотреть более детально, чтобы научиться потом с первого взгляда определять проблему. Маркеры поставил на первый участок. Сразу же получаю и длительность временного промежутка, и полосу спектра сигнала между маркерами. Дальше буду обрезать осциллограмму, оставляя только выделенные участки и укрупняя панель, где будут отображаться данные. Ну а поскольку нас интересует только спектр сигнала, то на панели мы видим его полосу. Она равна 1,811 кГц. Посмотрим другой участок.

Фото№60. Маркеры поставил так чтобы определить время нарастания амплитуды во фронте. Сразу же имеем и временные данные, и полосу сигнала. Проверим расчетом. Я выше писал как. Теперь делаю пошагово

Фото№61.

Вводим 0,5-это половина полосы спектра. Считается, что этого вполне достаточно, чтобы получить всю информацию об интересующем сигнале. Кроме того, остальная часть спектра содержит составляющие, значительно меньшей амплитуды. И выделять их отдельно, усиливать - смысла не имеет, поскольку в данном случае к общей картине процесса они ничего существенного не добавят.

Фото 62. Делим на время нарастания полученное путем маркерных измерений

Фото№63. Разделили и умножили на 2, чтобы получить полный спектр сигнала.

Получили 22,727кГц. Совпало с показаниями на панели осциллографа. Калькулятор оказался точнее. Вон сколько знаков после запятой выдал, я округлил до третьего знака.

ИМХО. Я сказал, что калькулятор посчитал точнее. Но я не сказал, что калькулятор лучше осциллографа, потому что считает точнее и стоит дешевле. Не надо торопиться выбрасывать свой осциллограф и собирать прибор на базе калькулятора. При измерении частот до второго знака после запятой, точности автомобильного осциллографа хватит за глаза.

Поищем ВЧ составляющую, которая, как говорят в Интернете, содержит в себе очень важную для автомобильного диагноста информацию .

Фото №64. Это участок где наступает пробой искрового промежутка и затем искра некоторое время горит. Вот в самом начале есть участок, где не сразу установилось напряжение горения искры, а идет ее «перестарт». Здесь она норовит то исчезнуть, то опять появляется, затем идет участок когда напряжение горения искры стабилизировалось. Вот тут уж точно найдем ВЧ составляющую. Но первая попытка на фото №64 не совсем удалась, получили всего 64,5 кГц. Делаем вторую попытку.

Фото№65. Ну вот , здесь уже 250 кГц. Попал маркерами, но с трудом. Но только что с этого мы имеем?

1. Производитель, заявив возможности своего прибора, не обманул

2. Точность измерения частоты несколько снизилась (с такой точностью маркеры вывести мне бы просто не удалось).

…можем подтвердить вышесказанное, что при выходе за рабочий диапазон, точность измерения снижается. А какой толк получит диагност, потратив время и «выцепляя» эту составляющую? Да никакого.

…может, посмотрим на других участках осциллограммы? Был намек на то, что есть ВЧ составляющая в точках включения и выключения ключа. А чего смотреть – фото №59 есть. Там этот участок виден полностью. Ни одного участка, на котором можно было бы поискать ВЧ составляющую, я не вижу. Да и процесс на этом временном отрезке достаточно медленный, и время нарастания большое. Может на участке горения искры посмотреть?

Фото№66. Вот на «ежика» навел маркеры. Получилось 83,33кГц.

В общем, реально это смотрится не так. А смотрится в двух режимах развертки:

Фото №67. Вот общая картина, все значения на панели есть.

Фото№68 - а так детализировал, и можно прокруткой просмотреть остальные импульсы. А как же все составляющие, которые имеют место быть.

В Интернете есть такая осциллограмма:

Картинка №1

Желтым цветом рисует Модис, а белым – мотор-тестер. И второй прибор как бы «не совсем «точно» сигнал отображает. О том, какие условия нужно соблюсти при сравнении сигналов различных приборов, и почему так сравнение проводить нельзя, я в самом начале написал и показал. Теперь покажу, как подобные осциллограммы получаются.

Фото №69. Расположил две осциллограммы друг над другом. Для скептиков сохранил верхнюю часть экрана, чтобы было видно, что открыт один и тот же документ. Данные панели: задействован один канал, значения по каналу есть, маркер установлен в одну и ту же точку, развертка, масштаб не изменены, данные автоматического пересчета параметров в нижней части панели одни и те же. Вопрос первый: почему сигналы «не совсем похожи»? Вопрос второй: «что сделано»? Ответ: Сигналы абсолютно одинаковы, отображают один и тот же процесс в одинаковом промежутке времени. Просто на верхнем фото я усреднил некоторые значения сигнала, используя возможности осциллографа. Один щелчок мышки. Это все что я сделал. А кто и как привык смотреть - это уже вопрос другой. Ну, а для того чтобы совсем было понятно, я поставлю еще две осциллограммы этого же сигнала.

Фото№70.

Вот так. Но попасть точно в «оригинальное изображение» не получится. Потому что осциллограммы на нем сняты в различных режимах. И эти режимы у Модиса и мотор - тестера не совпадают (по пороговым значениям и по времени развертки). Я же все показываю на совершенно другом осциллографе, и просто подобрал близкие режимы. Но фото №70 я привел для другого. В Интернете, при сравнении Модис и мотор - тестера (картинка№1), высказывалось предположение, что мотор-тестер не фиксирует какую-то ВЧ составляющую. Первое: ВЧ составляющая – это «термин связи». Мы не имеем дела с ВЧ сигналами, тем более модулированными. Это в этих сигналах есть ВЧ составляющая и модулирующий сигнал. ВЧ составляющая всегда убирается на приеме и до оконечного устройства никогда не доходит. Второе: Мы имеем дело с периодическим сигналом, а значит с его гармоническими составляющими. А это разные вещи. Высшая гармоника - это спектральная компонента периодического сигнала, с частотой кратной частоте основного сигнала (как видите даже здесь разница: получается ВГ, а не ВЧ). Иными словами, если скажем, частота основного сигнала равна 1 кГц, то его первая гармоническая составляющая будет 2кГц, вторая - 3кГц ...и т.д. Но чем выше гармоническая составляющая 3-я, 4-я... и т.д. тем меньше ее амплитуда. А информация в ней содержится та же, что и в основном сигнале. А реально всегда измеряются параметры основного сигнала.

Фото №71. Вот так они выглядят: Желтым цветом сигнал гармоники, а зеленым основной сигнал. Но разве они нужны при автомобильной диагностике? А теперь вернемся к фото №70. Я не случайно поставил на этом участке маркеры. На фото №65 я в этом же месте находил составляющую с частотой 250кГц. То, что они на этом месте есть, даже гадать не надо. Это участок, на котором нарастает напряжение до величины пробоя воздушного зазора на свече. Затем наступает пробой. А значит, на импульсе будет участок с малым временем нарастания (спада) амплитуды. Такой сигнал сразу же образует широчайший спектр. И гармоник в нем будет предостаточно. Сравнивайте верхнюю и нижнюю осциллограммы (фото№70) На верхнем явно гармоник поубавилось. И как от этого сигнал пострадал? Да никак.

Осциллографу наплевать, он основной сигнал измеряет. Посмотрим следующий участок, на этих же осциллограммах, от момента включения ключа, насыщение…. и т.д. На нижнем фото присутствуют «ежики», на верхнем их нет. Отсутствие «ежиков» сказалось на отображении процесса? Нет. Просто на верхнем фото появились некие сглаженные «неровности». Линия прошла по усредненным значениям. И если провести на этом участке маркерные измерения в общих точках для обеих осциллограмм - они будут одинаковы. А усреднение и фильтрация не одно и то же.

О фильтрах осциллографа.

Здесь скажу коротко: «Фильтры с осциллографами используются». Но не при автомобильной диагностике, ремонте и настройке. И вообще, осциллограф тем и силен, что принимает и графически воспроизводит почти реальный существующий сигнал. Насколько он это делает точно – зависит от его возможностей. Рассуждение о фильтрации чего-то при рассмотрении реального сигнала, с целью получения большей информации о сигнале при диагностике, не более чем фикция. Чтобы понять это, нужно вспомнить для чего служат фильтры, и хотя бы вспомнить несколько их названий. Навскидку:

* фильтр заградительный

* фильтр полосовой, с ограничением по верхней или по нижней полосе…

Уже названия говорят сами за себя. Так какой из них будем применять? Да любой, но при этом в полосу фильтра обязательно попадет и часть основного полезного сигнала. И что получим? Искаженный сигнал. Некоторые в этой связи ведут речь о «красоте» сигнала. Так вот - красота при измерениях не нужна, а вот достоверность не помешает.

Фото №72. Вот так работает фильтр с осциллографом. Вверху ВЧ сигнал, под ним сигнал после фильтра. И делается это потому, что в осциллографе нет приемника для такого сигнала, а ВЧ составляющую убрать надо. Но в этом случае я знаю частоту ВЧ сигнала или могу ее измерить. А интересует меня сигнал, по закону которого ВЧ составляющая изменяется. Вот он и выделен с помощью фильтра. Ну , не знаю, может кто-то во время диагностики еще и моделированием занимается. И есть необходимость в получении так называемых «золотых» сигналов: идеальная синусоида, идеальный прямоугольный импульс, идеальные затухающие колебания.… Тогда без фильтров никак. Но только осциллограф при этом должен быть соответствующий, и задачи тоже. С такими осциллографами фильтры, настраиваемые пользователем, обычно идут в комплекте. Денег он стоит тоже немалых. А осциллографу, по параметрам чуть лучше того, что собран на базе звуковой карты, даже с соответствующим программным обеспечением - фильтры нужны примерно так же, как зайцу стоп- сигнал, -☺

МАРКИН Александр Васильевич

г. Белгород

Таврово мкр 2, пер. Парковый 29Б

(4722) 300-709

© 1999 – 2010 Легион-Автодата