7.2.2 Применение осциллографа для наблюдения сигналов в цепях систем управления

Применение осциллографа для наблюдения сигналов в цепях систем управления

Цифровые мультиметры отлично подходят для проверки находящихся в статическом состоянии электрических цепей, а также для фиксации медленных изменений отслеживаемых параметров. При проведении же динамических проверок, выполняемых на работающем двигателе, а также при выявлении причин периодических сбоев совершенно незаменимым инструментом становится осциллограф.

Некоторые осциллографы позволяют сохранять осциллограммы во встроенном модуле памяти с последующим выводом результатов на печать или копированием их на цифровой носитель уже в стационарных условиях.

Осциллограф позволяет наблюдать периодические сигналы и измерять характеристики прямоугольных импульсов, а также уровни медленно меняющихся напряжений. Осциллограф может быть использован для:

• Выявления сбоев нестабильного характера;
• Проверки результатов произведённых исправлений;
• Мониторинга активности лямбда-зонда;
• Анализа вырабатываемых лямбда-зондом сигналов, отклонение параметров которых от нормы является безусловным свидетельством нарушения исправности функционирования системы управления в целом, - с другой стороны, правильность формы выдаваемых лямбда-зондом импульсов может служить надёжной гарантией отсутствия нарушений в системе управления.

Надёжность и простота эксплуатации современных осциллографов не требуют от оператора особых специальных знаний и опыта. Интерпретация полученной информации может быть легко произведена путём элементарного визуального сравнения снятых в ходе проверки осциллограмм с приведёнными ниже временными зависимостями, типичными для различных датчиков и исполнительных устройств автомобильных систем управления.

Параметры периодических сигналов

Каждый снимаемый при помощи осциллографа сигнал может быть описан при помощи следующих основных параметров:

• амплитуда – разность максимального и минимального напряжений (В) сигнала в пределах периода;
• период – длительность цикла сигнала (мс);
• частота – количество циклов в секунду (Гц);
• ширина – длительность прямоугольного импульса (мс, мкс);
• скважность – отношение периода повторения к ширине (В зарубежной терминологии применяется обратный скважности параметр называемый рабочим циклом, выраженный в %);
• форма сигнала – последовательность прямоугольных импульсов, единичные выбросы, синусоида, пилообразные импульсы, и т.п.

Характеристики произвольного сигнала

Обычно характеристики неисправного устройства сильно отличаются от эталонных, что позволяет оператору легко и быстро визуально выявить отказавший компонент.

Сигналы постоянного тока - анализируется только напряжение сигнала.

Сигнал датчика ECT

Датчик TPS

Лямбда-зонд

Датчик MAF

Сигналы переменного тока - анализируются амплитуда, частота и форма сигнала.

Датчик детонаций

Частотно-модулированные сигналы - анализируются амплитуда, частота, форма сигнала и ширина периодических импульсов.

Индуктивный датчик CKP

Индуктивный датчик CMP

Индуктивный датчик VSS

Датчики оборотов и положения валов, работающие на эффекте Холла

Оптические датчики оборотов и положения валов

Цифровые датчики MAF и MAP

Сигналы, модулированные по ширине импульса (ШИМ) - анализируются амплитуда, частота, форма сигнала и скважность периодических импульсов.

Инжектор топлива

Устройство стабилизации оборотов Х/Х (IAC)

Первичная обмотка катушки зажигания

Э/м клапан продувки адсорбера системы EVAP

Клапаны системы EVAP

Форма выдаваемого осциллографом сигнала зависит от множества различных факторов и может в значительной мере изменяться.

В виду сказанного, прежде чем приступать к замене подозреваемого компонента в случае несовпадения формы снятого диагностического сигнала с эталонной осциллограммой, следует тщательно проанализировать полученный результат.

Цифровой сигнал

Аналоговый сигнал

Напряжение

Нулевой уровень эталонного сигнала нельзя рассматривать в качестве абсолютного опорного значения, - “ноль” реального сигнала в зависимости от конкретных параметров проверяемой цепи может оказаться сдвинутым относительно эталонного (см. диапазон 1 на иллюстрации Цифровой сигнал) в пределах определённого допустимого диапазона (см. диапазон 2 на иллюстрации Цифровой сигнал и 1 на иллюстрации Аналоговый сигнал).

Полная амплитуда сигнала зависит от напряжения питания проверяемого контура и также может варьироваться относительно эталонного значения в определённых пределах (см. диапазон 2 на иллюстрации Цифровой сигнал и 2 на иллюстрации Аналоговый сигнал).

В цепях постоянного тока амплитуда сигнала ограничивается напряжением питания. В качестве примера можно привести цепь системы стабилизации оборотов холостого хода (IAC), сигнальное напряжение которой никак не изменяется с изменением оборотов двигателя.

В цепях переменного тока амплитуда сигнала уже однозначно зависит от частоты работы источника сигнала, так, амплитуда сигнала, выдаваемого датчиком положения коленчатого вала (CKP) будет увеличиваться с повышением оборотов двигателя.

В виду сказанного, если амплитуда снимаемого при помощи осциллографа сигнала оказывается чрезмерно низкой или высокой (вплоть до обрезания верхних уровней), достаточно лишь переключить рабочий диапазон прибора, перейдя на соответствующую шкалу измерения.

При проверке оборудования цепей с э/м управлением (например, система IAC) при отключении питания могут наблюдаться броски напряжения (см. 4 на иллюстрации Цифровой сигнал), которые можно спокойно игнорировать при анализе результатов измерения.

Не следует беспокоиться также при появлении таких деформаций осциллограммы, как скашивание нижней части переднего фронта прямоугольных импульсов (см. значения 5 на иллюстрации Цифровой сигнал), если, конечно, сам факт выполаживания фронта не является признаком нарушения исправности функционирования проверяемого компонента.

Частота

Частота повторения сигнальных импульсов зависит от рабочей частоты источника сигналов.

Форма снимаемого сигнала может быть отредактирована и приведена к удобному для анализа виду путём переключения на осциллографе масштаба временной развёртки изображения.

При наблюдении сигналов в цепях переменного тока временная развёртка осциллографа зависит от частоты источника сигнала (см. диапазон 3 на иллюстрации Аналоговый сигнал), определяемой оборотами двигателя.

Как уже говорилось выше, для приведения сигнала к удобочитаемому виду достаточно переключить масштаб временной развёртки осциллографа.

В некоторых случаях характерные изменения сигнала оказываются развернутыми зеркально относительно эталонных зависимостей, что объясняется реверсивностью полярности подключения соответствующего элемента и, при отсутствии запрета на изменение полярности подключения, может быть проигнорировано при анализе.

Типичные сигналы компонентов систем управления двигателем

Современные осциллографы обычно оборудованы лишь двумя сигнальными проводами вкупе с набором разнообразных щупов, позволяющих осуществить подключение прибора практически к любому устройству.

Красный провод подключен к положительному полюсу осциллографа и обычно подсоединяется к клемме ECM. Чёрный провод следует подсоединять к надёжно заземлённой точке (массе).

Инжекторы

Управление составом воздушно-топливной смеси в современных автомобильных электронных системах впрыска топлива осуществляется путём своевременной корректировки длительности открывания электромагнитных клапанов инжекторов.

Длительность пребывания инжекторов в открытом состоянии определяется продолжительностью вырабатываемых ECM электрических импульсов, подаваемых на вход э/м клапанов. Продолжительность импульсов обычно не выходит за пределы диапазона 1 ÷ 14 мс.

Типичная осциллограмма импульса, управляющего срабатыванием инжектора, представлена на иллюстрации Инжектор топлива. Часто на осциллограмме можно наблюдать также серию коротких пульсаций, следующих непосредственно за инициирующим отрицательным прямоугольным импульсом и поддерживающих э/м клапан инжектора в открытом состоянии, а также резкий положительный бросок напряжения, сопровождающий момент закрывания клапана.

Исправность функционирования ECM может быть легко проверена при помощи осциллографа путём визуального наблюдения изменений формы управляющего сигнала при варьировании рабочих параметров двигателя. Так, длительность импульсов при проворачивании двигателя на холостых оборотах должна быть несколько выше, чем при работе агрегата на низких оборотах. Повышение оборотов двигателя должно сопровождаться соответственным увеличением времени пребывания инжекторов в открытом состоянии. Данная зависимость особенно хорошо проявляется при открывании дроссельной заслонки короткими нажатиями на педаль газа.

Быстрое закрывание дроссельной заслонки должно приводить к спрямлению осциллограммы, подтверждающему факт перекрывания инжекторов (для систем с отсечкой подачи топлива).

При холодном запуске двигатель нуждается в некотором обогащении воздушно-топливной смеси, что обеспечивается автоматическим увеличением продолжительности открывания инжекторов. По мере прогрева длительность управляющих импульсов на осциллограмме должна непрерывно сокращаться, постепенно приближаясь к типичному для холостых оборотов значению.

В системах впрыска, в которых не применяется инжектор холодного запуска, при холодном запуске двигателя используются дополнительные управляющие импульсы, проявляющиеся на осциллограмме в виде пульсаций переменной длины.

В приведённой ниже таблице представлена типичная зависимость длительности управляющих импульсов открывания инжекторов от рабочего состояния двигателя.

Индуктивные датчики

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ

Запустите двигатель и сравните осциллограмму, снимаемую с выхода индуктивного датчика с эталонной. Сигнал индуктивного датчика Увеличение оборотов двигателя должно сопровождаться увеличением амплитуды вырабатываемого датчиком импульсного сигнала.

Э/м клапан стабилизации оборотов холостого хода (IAC)

В автомобилестроении используются электромагнитные клапаны IAC множества различных типов, выдающих сигналы также различной формы.

Общей отличительной чертой всех клапанов является тот факт, что скважность сигнала должна уменьшаться с возрастанием нагрузки на двигатель, связанной с включением дополнительных потребителей мощности, вызывающих понижение оборотов холостого хода.

Если скважность осциллограммы изменяется с увеличением нагрузки, однако при включении потребителей имеет место нарушение стабильности оборотов холостого хода, проверьте состояние цепи электромагнитного клапана, а также правильность выдаваемого ECM командного сигнала.

Обычно в цепях стабилизации оборотов холостого хода используется 4-полюсный шаговый электродвигатель, описание которого приведено ниже. Проверка 2-контактных и 3-контактных клапанов IAC производится в аналогичной манере, однако осциллограммы выдаваемых ими сигнальных напряжений совершенно непохожи.

Шаговый электромотор, реагируя на выдаваемый ECM пульсирующий управляющий сигнал, производит ступенчатую корректировку оборотов холостого хода двигателя в соответствии с рабочей температурой охлаждающей жидкости и текущей нагрузкой на двигатель.

Уровни управляющих сигналов могут быть проверены при помощи осциллографа, измерительный щуп которого подключается поочередно к каждой из четырёх клемм шагового мотора.

Лямбда-зонд (кислородный датчик)

В данном подразделе приводятся осциллограммы, типичные для наиболее часто используемых на автомобилях лямбда-зондов циркониевого типа, в которых не используется опорное напряжение 0.5 В. В последнее время всё большую популярность приобретают титановые датчики, рабочий диапазон сигнала которых составляет 0÷5 В, причем высокий уровень напряжения выдаётся при сгорании обеднённой смеси, низкий, - обогащённой.

Датчик детонации (KS)

Сигнал зажигания на выходе усилителя зажигания

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ

Подсоедините осциллограф между клеммой усилителя зажигания ECM и массой. Прогрейте двигатель до нормальной рабочей температуры и оставьте его работающим на холостых оборотах. На экран осциллографа должна выдаваться последовательность прямоугольных импульсов постоянного тока. Сравните форму принимаемого сигнала с эталонной, уделяя пристальное внимание совпадению таких параметров, как амплитуда, частота и форма импульсов. Управляющий сигнал усилителя зажигания При увеличении оборотов двигателя частота сигнала должна увеличиваться прямо пропорционально.

Первичная обмотка катушки зажигания