6.2.2 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 (см. иллюстрацию Характеристики произвольного сигнала):

• 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(см. иллюстрации Сигнал датчика ECT, Датчик TPS, Лямбда-зонд и Датчик MAF).

Датчик TPS

Лямбда-зонд

Датчик MAF

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

Датчик детонации

Частотно-модулированные сигналы - анализируются амплитуда, частота, форма сигнала и ширина периодических импульсов (см. иллюстрации Индуктивный датчик CKP, Индуктивный датчик CMP, Индуктивный датчик VSS, Датчики оборотов и положения валов, работающие на эффекте Холла, Оптические датчики оборотов и положения валов и Цифровые датчики MAF и MAP).

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 (см. иллюстрации Инжектор топлива, Устройство стабилизации оборотов Х/Х (IAC), Первичная обмотка катушки зажигания, Э/м клапан продувки адсорбера системы EVAP, Клапаны системы EVAP.

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.

Ввиду сказанного, прежде чем приступать к замене подозреваемого компонента в случае несовпадения формы снятого диагностического сигнала с эталонной осциллограммой, следует тщательно проанализировать полученный результат (см иллюстрации Цифровой сигнал и Аналоговый сигнал).

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 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 уровень 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 цепей с э/м управлением (например, система управления оборотами холостого хода) 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 (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 развёрнутыми 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 двумя сигнальными проводами в купе 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.

При помощи тонкого щупа подсоедините красный провод осциллографа к инжекторной клемме ECM. Щуп второго сигнального провода (чёрного) осциллографа надёжно заземлите.

Проанализируйте форму считываемого во время проворачивания двигателя сигнала.

Запустив двигатель, проверьте форму управляющего сигнала на холостых оборотах.

Резко нажав на педаль газа, поднимите частоту вращения двигателя до 3000 об/мин, - продолжительность управляющих импульсов в момент акселерации должна заметно увеличиться, с последующей стабилизацией на уровне, равном, или чуть меньшем свойственному оборотам холостого хода.

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

Запустите двигатель и сравните осциллограмму, снимаемую с выхода индуктивного датчика с эталонной, приведённой на иллюстрации.

Сигнал индуктивного датчика

Увеличение оборотов двигателя должно сопровождаться увеличением амплитуды вырабатываемого датчиком импульсного сигнала.

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 все большую популярность приобретают титановые датчики, рабочий диапазон сигнала которых составляет 0 - 5 В, причем высокий уровень напряжения выдаётся при сгорании обеднённой смеси, низкий, - обогащённой.

Подсоедините осциллограф между клеммой лямбда-зонда на ECM и массой.

Удостоверьтесь, что двигатель прогрет до нормальной рабочей температуры.

Сравните выведенную на экран измерителя осциллограмму с эталонной, приведённой на иллюстрации Лямбда-зонд.

Если снимаемый сигнал не является волнообразным, а представляет собой линейную зависимость, то, в зависимости от уровня напряжения, это свидетельствует о чрезмерном переобеднении (0 - 0.15 В), либо переобогащении (0.6 - 1 В) воздушно-топливной смеси.

Если на холостых оборотах двигателя имеет место нормальный волнообразный сигнал, попробуйте несколько раз резко выжать педель газа, - колебания сигнала не должны выходить за пределы диапазона 0 - 1 В.

Увеличение оборотов двигателя должно сопровождаться повышением амплитуды сигнала, уменьшение - снижением.

Сигнал зажигания на выходе модуля зажигания

Подсоедините осциллограф между клеммой модуля зажигания на 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 модуля зажигания

При увеличении оборотов двигателя частота сигнала должна увеличиваться прямо пропорционально.

Первичная обмотка катушки зажигания

Подсоедините осциллограф между клеммой катушки зажигания и массой.

Прогрейте двигатель до нормальной рабочей температуры и оставьте его работающим на холостых оборотах.

Сравните форму принимаемого сигнала с эталонной, приведённой на иллюстрации Первичная обмотка катушки зажигания, - положительные броски напряжения должны иметь постоянную амплитуду.

Неравномерность бросков может быть вызвана чрезмерным сопротивлением вторичной обмотки, а также неисправностью В/В провода катушки.