22 oscyloskop elektroniczny

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Politechnika

Białostocka

Wydział Elektryczny

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii

Instrukcja do zaj

laboratoryjnych z przedmiotu

METROLOGIA 2

Kod przedmiotu:

F03022

wiczenie pt.

OSCYLOSKOP ELEKTRONICZNY

Numer

wiczenia

Autor

Dr in

. Ryszard Piotrowski

Białystok 2006

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

1. Wprowadzenie

elem

wiczenia jest zapoznanie studentów z wła

ciwo

ciami pomocni-

czego sprz

tu pomiarowego, który b

dzie u

ywany przez nich w tra-kcie

wicze

laboratoryjnych z Metrologii. W instrukcji tej zawarte s

opisy,

obja

nienia, wskazówki i pytania kontrolne dotycz

ce najwa

niejszych

Podstawowe wiadomo

ci z zakresu budowy

i zasad działania oscyloskopu analogowego

Oscyloskop jest jednym z najwa

niejszych i najbardziej uniwersalnych

przyrz

dów pomiarowych. Jego cenn

zalet

jest zdolno

ś ć

wietlania na

ekranie nieruchomych obrazów zmiennych w czasie sygnałów elektrycznych.
Stanowi to dla in

yniera zajmuj

cego si

konstruowaniem układów elektro-

nicznych, czy dla fizyka badaj

cego wła

ciwo

ci materii trudn

do przecenienia

warto

ś ć

Lampa oscyloskopowa

Lampa ta jest najwa

niejsz

ę ś

oscyloskopu. Na niej to strumie

elektronów kre

li lini

wietln

, odwzorowuj

dokładnie przebieg badanego

sygnału w czasie. Lampa oscyloskopowa jest wi

c przetwornikiem elektrolu-

minescencyjnym przetwarzaj

cym wielko

ś ć

elektryczn

na wielko

ś ć

wietln

Uproszczony szkic prostej lampy oscyloskopowej przedstawiony jest na

rysunku 1.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Rys. 1.Szkic lampy oscyloskopowej

W pró

niowej ba

ce szklanej umieszczonych jest szereg elektrod: katoda,

siatka steruj

ca (cylinder Wehnelta), anoda pierwsza, anoda druga. Ich zadaniem

jest emitowanie swobodnych elektronów, skupianie ich w w

przy

pieszanie do du

ych pr

dko

ci, by nada

im odpowiedni

energi

kinetyczn

, wreszcie skierowanie do odpowiedniego punktu ekranu stanowi

cego płaszczyzn

układu współrz

dnych prostok

tnych, w którym uzyskiwany

jest obraz przebiegu czasowego badanej wielko

ci. Lampa mo

e by

sterowana

tylko sygnałem napi

ciowym, dlatego dowolna wielko

fizyczna, któr

chcemy

bada

musi by

uprzednio przetworzona na ten sygnał elektryczny.

Patrz

c od lewej strony na szkic z rysunku 1., napotykamy najpierw katod

K b

ródłem swobodnych elektronów. Jest to najcz

ciej tzw. katoda

tlenkowa opisana ni

ej.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Katoda tlenkowa

Katoda składa si

z rdzenia metalowego,

najcz

ciej niklowego, w kształcie cylin-

dra (rys.2) pokrytego tlenkami metali ziem
alkalicznych

(zwykle

baru,

strontu,

wapnia) albo tlenkami toru. Warstwa
tlenków

grubo

100

m=10

-6

m) i wykazuje du

ż ą

porowa-

(obj

porów stanowi 65% - 85%

obj

ci warstwy). Katoda grzana jest

rednio do temperatury ok. 800

C przez

spiral

grzejn

umieszczon

wewn

trz

cylindra katody.

warstwa

emisyjna

cylinder
niklowy

spirala grzejna

Rys. 2. Szkic katody tlenkowej o

grzaniu po

rednim

Dzi

ki bifilarnemu wykonaniu drutu grzejnego (nie jest to uwidocznione na

szkicu), nie wyst

puje wokół niej pole magnetyczne pr

du grzejnego. Napi

cie

zasilaj

ce grzejnik

(rys.1) wynosi zwykle 6,3V.

Dzi

ki znacznej bezwładno

ci cieplnej, w katodzie grzanej po

rednio nie

wyst

puj

wahania temperatury przy zasilaniu pr

dem zmiennym. Katody grzane

rednio wykazuj

ponadto wi

ksz

katody o grzaniu bezpo

rednim

sztywno

ś ć

i wytrzymało

ś ć

mechaniczn

Cylinder Wehnelta

Katoda K otoczona jest kolejn

z rz

du elektrod

lampy, tzw. cylindrem

Wehnelta b

cym siatk

steruj

S lampy. W czołowej płaszczy

nie tej

elektrody znajduje si

niewielki otworek (rys.3), przez który wydostaje si

ę ś ć

elektronów emitowanych przez katod

. Steruj

ca rola siatki (nazwa nie

adekwatna do wygl

du tego elementu, odpowiadaj

ca jednak funkcji, jak

wypełnia) polega na regulacji liczby elektronów w wi

zce docieraj

cej do ekranu

i tym samym sterowaniu jasno

jego

wiecenia w danym punkcie

w danej chwili. Ma to, jak si

przekonamy, wa

ne znaczenie praktyczne.

Z rysunku 1 wynika,

e siatka S ma potencjał ujemny wzgl

dem katody i od

warto

ci tego potencjału zale

y stopie

hamowania przez ni

elektronów, co

wymownie pokazuje rysunek 3.
Cylinder Wehnelta chroni jednocze

nie delikatn

katod

przed bombardo-

waniem przez jony dodatnie, których pewna liczba zawsze znajduje si

wewn

trz

lampy. Tworz

je pozostałe, mimo starannego odpompowania powietrza,

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

zjonizowane cz

steczki gazu, przyci

gane z racji swego dodatniego ładunku

przez katod

a) cylinder Wehnelta

elektrony
yy

katoda

b) cylinder Wehnelta

elektrony

katoda

Rys.3. Wpływ ujemnego potencjału siatki (cylindra Wehnelta) na tory elektronów

emito- wanych przez katod

: a) siatka ma niewielki potencjał ujemny wzgl

dem

katody (słabe hamowanie elektronów), b) du

y potencjał ujemny siatki (silne

hamowanie elektro- nów)

Elektrony, które przedostały si

przez otworek w cylindrze Wehnelta s

przyci

gane i tym samym przy

pieszane przez anod

o dodatnim potencjale

wzgl

dem katody. Anoda ta ma kształt cylindra z przegrodami wewn

trznymi

wychwytuj

cymi elektrony, które z ró

nych przyczyn wybiegły poza w

, formowaniem której zajmuje si

wła

nie anoda A1. Odpowiedni dobór

kształtu tej elektrody słu

y wytwarzaniu pola elektrycznego skupiaj

cego

elektrony w w

. Wspomaga j

w tym działaniu nast

pna elektroda -

anoda A2 , która ma jeszcze wy

szy potencjał dodatni wzgl

dem katody (od

1500V do 5000 V). Jej głównym zadaniem jest ostateczne przy

pieszanie

elektronów i nadawanie im ko

cowej pr

dko

ci, od której zale

y skutek

wietlny

uderzenia elektronów w luminofor L pokrywaj

cy wewn

trzn

powierzchni

ekranu E. Dla przykładu, pr

dko

ś ć

elektronów uderzaj

cych w luminofor osi

warto

ś ć

20 000 km/s, je

eli napi

cie mi

dzy katod

i anoda drug

wynosi

1000V. Dodajmy jeszcze,

e w wyniku „oczyszczaj

cego” działania cylindra

Wehnelta, oraz anod A1 i A2, tylko od 5% do 20% elektronów emitowanych
przez katod

dociera do ostatecznego celu swojej w

drówki, jakim jest luminofor

pokrywaj

cy wewn

trzn

powierzchni

lampy.

Grupa elektrod: katoda, cylinder Wehnelta i obie anody nosi nazw

wyrzutni elektronowej, zwanej czasem tak

e działem elektronowym.

Luminofor i zjawisko emisji wtórnej

Luminofor L (rys.1) jest to substancja półprzewodnikowa pokrywaj

ca od

strony wewn

trznej ekran lampy oscyloskopowej. W warstwie tej dokonuje si

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

ostatni etap przetwarzania mierzonego sygnału napi

ciowego na sygnał

wietlny.

Luminofory s

to siarczki lub tlenki metali takich jak kadm, wap

, beryl,

magnez, krzem z dodatkiem tzw. aktywatorów, to znaczy zwi

kszaj

cych

zdolno

ś ć

luminescencyjn

niewielkich domieszek manganu, srebra, miedzi.

Luminofory

wiec

pod wpływem bombardowania przez rozp

dzone do du

ych

dko

ci elektrony. Zjawisko to nosi nazw

elektroluminescencji. W wyniku

zderzenia elektronów z warstw

luminoforu, nast

puje zamiana cz

ę ś

ci energii

kinetycznej tych cz

steczek na energi

wietln

. Pozostała cz

ę ś ć

energii zu

yta

zostaje na wybicie z luminoforu tzw. elektronów wtórnych ew (rys.1), które
zmierzaj

do warstwy grafitowej G, sk

d zostaj

odprowadzone do dodatniego

bieguna

ródła zasilania. W ten sposób zostaje zamkni

ty obwód pr

wypływaj

cego z bieguna ujemnego tego

ródła. Mowa tu oczywi

cie o kie-

runku rzeczywistym przepływu pr

du, to znaczy kierunku ruchu elektronów.

Interesuj

cym zagadnieniem jest mechanizm samoczynnej regulacji liczby

elektronów wtórnych zapewniaj

cej jednakowe nat

ę ż

enie pr

du w ka

-dym

punkcie nierozgał

zionego obwodu elektrycznego. Liczba tych elektronów zale

od rodzaju luminoforu i napi

cia przy

pieszaj

cego (napi

cia mi

dzy katod

drug

anod

). Istnieje pewna minimalna warto

ś ć

napi

cia przy

pieszaj

cego U

przy której liczba elektronów wtórnych staje si

równa liczbie elektronów

pierwotnych (padaj

cych na luminofor). Je

eli napi

cie przy

pieszaj

ce ma

warto

ś ć

mniejsz

liczba

elektronów

wybijanych

z luminoforu jest mniejsza od liczby elektronów pierwotnych, w wyniku czego
ekran ładuje si

ujemnie, działaj

c coraz bardziej odpychaj

co na elektrony

przybywaj

ce od strony katody. W ko

cu dopływ elektronów pierwotnych do

ekranu ustaje całkowicie, uniemo

liwiaj

c normalne funkcjonowanie lampy. Gdy

napi

cie przy

pieszaj

ce ma warto

ś ć

ksz

od U

, liczba elektronów

wybijanych z luminoforu staje si

ksza od liczby elektronów padaj

cych,

w wyniku czego ekran zaczyna ładowa

dodatnio i jego potencjał staje si

szy od potencjału warstwy grafitowej. Mi

dzy ekranem a warstw

grafitow

powstaje wtedy pole elektryczne hamuj

ce ruch elektronów wtórnych i

zawracaj

ce ich cz

ę ś ć

do ekranu. Wzrost potencjału ekranu trwa dot

d, dopóki

nie zostanie przywrócona równowaga mi

dzy liczb

elektronów pierwotnych

i wtórnych.

Jedn

z cech luminoforu jest jego czas po

wiaty. Jest to czas, jaki upływa

od chwili znikni

cia pobudzenia (strumienia elektronów) do chwili gdy

luminancja (jaskrawo

ś ć

ekranu) zmaleje do 1% warto

ci pocz

tkowej.

Stosowane s

luminofory o krótkim czasie po

wiaty,5

50 µs, o

rednim czasie

wiaty, 10

50 ms (do fotografowania obrazu) oraz o długim czasie po

wiaty,

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

du pojedynczych sekund (do obserwowania przebiegów jednokrotnych,

a tak

e w radiolokacji).

W celu zmniejszenia strat

wiatła stosuje si

napylanie luminoforu od

wewn

trznej strony lampy cienk

warstw

aluminium o grubo

ci 50

∗

-6

500

∗

-6

mm. Tak cienka powłoka aluminiowa praktycznie bez strat

przepuszcza elektrony, natomiast skutecznie odbija

wiatło. Spełnia przy tym

jeszcze jedn

yteczn

funkcj

, chroni mianowicie luminofor przed

bombardowaniem ujemnych jonów, co czyni zbyteczn

tzw. pułapk

jonow

stosowan

w starszych konstrukcjach lamp oscyloskopowych.

Odchylanie strumienia elektronów

Pozostałe do omówienia elektrody lampy oscyloskopowej, to znaczy płytki

odchylaj

ce P1 i P2 (rys.1) maj

za zadanie zmienia

kierunek lotu elektronów.

Przykładane do tych płytek zmienne w czasie napi

cie, odzwierciedla

odpowiednio: warto

ś ć

chwilow

(y) obrazowanej na ekranie wielko

ci (płytki P1)

oraz odpowiadaj

tej warto

ci chwil

czasu (x) (płytki P2). Pozwala to na

narysowanie

linii

wietlnej

przedstawiaj

cej

dan

wielko

ś ć

w układzie współrz

dnych prostok

tnych y,x. Płytki P1 zwane s

płytkami

odchylania pionowego, albo płytkami odchylania Y, za

płytki P2 - płytkami

odchylania poziomego, albo płytkami odchylania X. Ich rzeczywisty kształt
jest bardziej wyrafinowany ni

ten pokazany na rysunku 1.

Mechanizmy odchylania wi

zki elektronów

Odchylanie wi

zki elektronów mo

e by

elektryczne lub magnetyczne.

Odchylanie elektryczne

W przypadku odchylania elektrycznego, mi

dzy płytkami odchylania

pionowego P1 lub płytkami odchylania poziomego P2 wytwarzane jest pole
elektryczne. Jedna z płytek ka

dej pary mo

e by

poł

czona na stałe z uzie-

mieniem (rys.1). Od wpływu obcych pól elektrycznych płytki chronione s

przez

warstw

grafitu G, naniesion

na wewn

trzn

powierzchni

ki i poł

-czon

anod

, która jest uziemiona.

Zalet

odchylania elektrycznego jest mo

liwo

ś ć

stosowania go w zakre-

esie wielkich cz

stotliwo

ci sygnału mierzonego si

gaj

cych 1 GHz.

Zalet

odchylania elektrycznego jest tak

e mała moc potrzebna do

uzyskania wymaganego odchylenia elektronów.

Dalsz

zalet

tego rodzaju odchylania jest to,

e tor ruchu nie zale

y od

stosunku ładunku elektrycznego do masy cz

stek, w zwi

zku z czym ujemnie

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

naładowane jony gazów lub cz

stek emitowanych przez katod

miały taki

sam tor jak elektrony i pada

na ekran w tym samym miejscu. Zapobiega to

rozmyciu punktu

wietlnego i chroni luminofor przed szybkim zu

yciem,

które miałoby miejsce, gdyby ci

ę ż

kie jony (kilka tysi

cy razy ci

ę ż

sze od

elektronu), nie podlegaj

c dostatecznemu odchylaniu (jak ma to miejsce przy

odchylaniu magnetycznym), uderzały ci

gle w ten sam

rodkowy obszar ekranu.

Wad

odchylania elektrycznego jest stosunkowo du

a zale

ś ć

czuło

od napi

cia przy

pieszaj

cego drugiej anody. Du

emu napi

ciu tej anody

mianowicie odpowiada du

a pr

dko

ś ć

elektronów, dla których odchylania

potrzebne jest wi

ksze napi

cie przykładane do płytek odchylaj

cych, co

oznacza oczywi

cie mniejsz

czuło

ś ć

systemu odchylania. Je

eli zało

ymy

okre

lon

warto

ś ć

czuło

ci, to zwi

kszenie napi

cia drugiej anody zmusza do

wydłu

enia lampy oscyloskopowej dla uzyskania odpowiedniej wielko

ci obrazu

na ekranie.

Zauwa

my,

e maksymalny k

t odchylania w lampach o odchylaniu

elektrycznym jest mniejszy ni

w lampach o odchylaniu magnetycznym. K

zawarty mi

dzy skrajnymi poło

eniami strumienia przy odchylaniu elektrycznym

wynosi 25

- 30

Odchylanie magnetyczne.

W celu realizacji odchylania magnetycznego umieszcza si

na zewn

trz

lampy wokół szyjki, przy ostatniej elektrodzie wyrzutni elektronowej dwie pary
cewek odchylaj

cych, których osie magnetyczne ustawione s

wzgl

dem siebie

pod k

tem prostym. Przez ka

par

cewek przepływa pr

d steruj

cy, który

wytwarza pole magnetyczne skierowane prostopadle do osi podłu

nej lampy.

Istotn

wad

odchylania magnetycznego jest to, i

odchylenie cz

steczki jest tu,

w przeciwie

stwie do odchylania elektrycznego , zale

ne od stosunku ładunku

elektrycznego cz

steczki do jej masy. Ci

ę ż

sze jony odchylane s

znacznie słabiej

lekkie elektrony i padaj

rodkowa cz

ę ś ć

ekranu, przy

pieszaj

c zu

ycie

luminoforu w tym obszarze. Zmuszało to w przeszło

ci konstruktora do

stosowania tzw. pułapek jonowych, wychwytuj

cych jony i nie dopuszcza-

cych ich do ekranu. Obecnie pułapki jonowe nie s

stosowane, poniewa

luminofor od strony wyrzutni elektronów pokrywany jest cienk

warstw

aluminium (ekran metalizowany). Warstwa ta nie stanowi istotnej przeszkody dla
niewielkich elektronów, zatrzymuje natomiast skutecznie o wiele wi

ksze jony.

Zalet

odchylania magnetycznego w porównaniu z elektrycznym jest

mniejsza zale

ś ć

czuło

ci odchylania od napi

cia przy

pieszaj

cego (czuło

ś ć

jest tu odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z napi

cia

przy

pieszaj

cego, gdy tymczasem przy odchylaniu elektrycznym czuło

ś ć

jest

odwrotnie proporcjonalna do tego napi

cia).

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Kolejn

zalet

odchylania magnetycznego w porównaniu z elektrycznym

jest prostsza budowa wewn

trzna lampy oscyloskopowej, poniewa

układ

odchylaj

cy znajduje si

na zewn

trz lampy. Odchylanie magnetyczne powoduje

mniejsze rozogniskowanie wi

zki elektronów, dzi

ki czemu mo

liwe jest

uzyskanie du

ych warto

ci k

ta odchylania, którego typowa warto

ś ć

dla

współczesnych konstrukcji wynosi 110

. W rezultacie otrzymuje si

korzystny

kształt lampy, a wi

c mały stosunek jej długo

ci do

rednicy lub przek

tnej

ekranu. Dla lamp o odchylaniu elektrycznym stosunek ten zawiera si

w gra-

nicach 2,5 -3,5, natomiast dla lamp o odchylaniu magnetycznym wynosi on
0,7 - 0,8.

Wad

odchylania magnetycznego jest stosunkowo du

a moc pobierana ze

ródła pr

du odchylaj

cego. Ponadto odchylanie magnetyczne nie mo

e by

stosowane przy zbyt du

ych cz

stotliwo

ciach, z uwagi na wzrost reaktancji

cewek oraz wzrost strat przy powi

kszaniu cz

stotliwo

ci. Maksymalna

stotliwo

ś ć

, przy której stosowane by

e odchylanie magnetyczne jest

du 50 kHz. Wada ta, mówi

c nawiasem, nie ma istotnego znaczenia

w kineskopach odbiorników telewizyjnych, w których cz

stotliwo

ś ć

odchylania

pionowego wynosi 50 Hz, poziomego za

ok. 15 kHz.

Układy elektroniczne oscyloskopu

Zajmiemy si

teraz układami elektrycznymi, których rol

jest

przetwarzanie sygnałów doprowadzanych do wej

cia oscyloskopu w celu

przystosowania ich do wymogów lampy oscyloskopowej, a tak

e układami

odpowiedzialnymi za generowanie okresowych sygnałów niezb

dnych tak

e do

sterowania prac

lampy.

Omówione dalej układy, zwłaszcza za

organy regulacyjne i ich ozna-

czenia b

odnosiły si

do oscyloskopu OS-351. Pozwoli to na skupienie si

konkretnym urz

dzeniu i unikni

cie rozpraszaj

cych uwag

dygresji.

Wspomniany oscyloskop ma wiele typowych układów, które spotka

w innych oscyloskopach, gdzie mog

inaczej oznaczone, za

ich organy

regulacyjne mog

wyst

powa

w nieco innym zestawieniu. Zrozumienie roli

opisywanych ni

ej układów i regulatorów pozwoli łatwo rozszyfrowa

znaczenie

podobnych układów w innych typach oscyloskopów.

Oscyloskop jednostrumieniowy, dwukanałowy

Oscyloskop OS-351 jest przyrz

dem jednostrumieniowym, co oznacza,

e wewn

trz lampy istnieje tylko jedna wyrzutnia elektronów i co za tym idzie

jeden strumie

elektronów. Istniej

jednak oscyloskopy o wi

kszej liczbie

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

wyrzutni, s

jednak raczej rzadko spotykane ze wzgl

du na wysoki stopie

komplikacji i zwi

zane z tym koszty produkcji.

Oscyloskop OS-351 jest jednocze

nie przyrz

dem dwukanałowym, co

oznacza,

e na jego ekranie mog

ogl

dane jednocze

nie przebiegi dwóch

ró

nych sygnałów. Taka mo

liwo

ś ć

jest podstawowym wymogiem stawianym

nawet prostym konstrukcjom oscyloskopów. Dwukanałowo

ś ć

wymaga wbudo-

wania do przyrz

du dwóch oddzielnych zestawów urz

dze

(gniazd wej-

ciowych, przeł

czników, regulatorów, tłumików, wzmacniaczy, itp.). Oscylo-

skop dwukanałowy ma tak

e pewne układy elektroniczne wspólne dla obydwu

kanałów, np. generator podstawy czasu, wzmacniacz ko

cowy, przeł

cznik

elektroniczny, itp. Ni

ej omówione zostan

układy wyst

puj

ce tylko w jednym

kanale, nast

pnie za

układy wspólne.

Układy wej

ciowe oscyloskopu

Na rysunku 4. przedstawione zostały blokowo typowe układy wej

ciowe

oscyloskopu, przy czym podane na nim oznaczenia dotycz

oscyloskopu OS-351.

Pokazane bloki stanowi

fragment tak zwanego toru odchylania pionowego,

albo toru Y. Badany sygnał jest w nim przetwarzany do takiej postaci, by mógł
wysterowa

płytki odchylania pionowego i da

liwie wierny obraz swojej

zmienno

ci w czasie.

Wej

ciem do jednego z kanałów oscyloskopu (tutaj kanału A) jest gniazdo

typu BNC oznaczone jako INPUT A. St

d sygnał mierzony mo

e by

przy

pomocy trójpoło

eniowego przeł

cznika skierowany do TŁUMIKA jednym z

trzech torów:

•

tor ALT (sprz

ę ż

enie AC)

•

tor DC (sprz

ę ż

enie DC)

•

tor GND

INPUT A

WZMAC

NIACZ

47pF

GND

1 M

Ω

ALT

POSITION

do przeł

cz-

nika elektro-

nicznego

do generatora

podstawy

czasu

VAR. CAL

WTÓR

NIK

TŁU-

MIK

Rys. 4.Układy wej

ciowe oscyloskopu

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

W torze ALT znajduj

cy si

tam kondensator odcina z sygnału ewentualn

składow

stał

. Składowa ta mo

e mie

niekiedy znaczn

warto

ś ć

i powodowa

znikni

cie z pola widzenia nało

onej na ni

niewielkiej składowej

zmiennej, która jest cz

sto jedyna interesuj

nas cz

ę ś

sygnału badanego.

Tak wi

c tor ALT (zwany cz

sto sprz

ę ż

eniem AC) nale

y wybra

, gdy zale

nam na obserwowaniu sygnału zmiennego zawieraj

cego składow

stał

, która

nas nie interesuje.

W torze DC sygnał wej

ciowy jest doprowadzany bezpo

rednio do

TŁUMIKA. Z toru tego korzystamy w przypadku, gdy mierzymy (obserwujemy)
sygnały stałe, albo sygnały zmienne ze składowa stał

, która nas interesuje.

Pozycja GND przeł

cznika powoduje uziemienie wej

cia oscyloskopu

i pozwala ustawi

wietlan

lini

poziom

na osi zerowej podziałki ekranu

oscyloskopu. Dzi

ki temu mo

liwe jest potem zmierzenie warto

ci sygnału

badanego wzgl

dem masy (ziemi). Gdy wspomniany przeł

cznik torów) znajdzie

w pozycji GND, sprz

gni

ty z nim mechanicznie inny przeł

cznik,

spowoduje skierowanie sygnału mierzonego na obci

ą ż

enie zbli

one do tego jakie

powoduje oscyloskop. Stanowi to udogodnienie dla mierz

cego, który nie musi

podczas ustawiania linii zerowej odł

cza

od gniazda wej

ciowego kabla

przył

czeniowego.

Tłumik

Jest to rezystancyjny dzielnik napi

cia (rys.5) o skokowo regulowanym

stopniu tłumienia

napi

cia wej

ciowego (U

Rys. 5. Schemat tłumika wej

ciowego oscyloskopu

Zadaniem tłumika jest zmniejszanie warto

ci sygnałów wej

ciowych i za-

pobieganie przesterowaniu stopni wej

ciowych wzmacniacza Y (rys.1).

Wielko

charakteryzuj

tłumik jest współczynnik tłumienia

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Współczynnik

nie zale

y od cz

stotliwo

ci sygnału wej

ciowego, je

eli

do rezystora R

doł

czona jest pojemno

ś ć

o warto

ci spełniaj

cej równanie:

R C

1 1

gdzie C

jest pojemno

zast

pcz

pojemno

ci monta

owych i pojemno

wej

ciowej

WTÓRNIKA.

eli spełniona jest powy

sza równo

ś ć

mówimy,

e dzielnik jest

skompensowany, co oznacza,

e impuls wyj

ciowy zachowuje kształt impulsu

wej

ciowego. Na rys.6 pokazano przypadki skompensowania, przekompenso-

wania i niedokompensowania dzielnika.

sygnał wej

ciowy

dzielnik skompensowany

dzielnik niedokom-

pensowany

dzielnik przekompensowany

= R

Rys.6. Odpowiedzi dzielnika (U

) na wymuszenie impulsem prostok

tnym dla:

•

dzielnika skompensowanego

•

dzielnika przekompensowanego

•

dzielnika niedokompensowanego

Złe skompensowanie dzielnika powoduje wzrost bł

dów pomiaru. Tłumiki s

tak

konstruowane aby pojemno

ś ć

wej

ciowa C

C C

1 2

miała jednakow

warto

ś ć

dla wszystkich pozycji przeł

cznika współczynnika

tłumienia

W oscyloskopie OS-351 przeł

cznik ten oznaczony jest „VAR.CAL”

(rys.4). Jest to bardzo wa

ny przeł

cznik. Przy jego pomocy u

ytkownik mo

skokowo regulowa

wysoko

ś ć

obrazu na ekranie lampy oraz, co najwa

niejsze,

odczytywa

warto

ś ć

amplitudy mierzonego sygnału. Poszczególne pozycje

przeł

cznika opisane s

bowiem warto

ciami współczynnika odchylania

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

(pionowego) wyra

onego w V/cm albo mV/cm. Pomiar amplitudy (albo

dowolnej warto

ci chwilowej) sygnału polega na odczytaniu wysoko

ci jego

obrazu w centymetrach i pomno

eniu jej przez wspomniany współczynnik od-

chylania.

W oscyloskopach stosowane s

dwa rodzaje tłumików:

•

tłumiki o du

ej rezystancji wej

ciowej ( 1 M

Ω

)

•

tłumiki o małej rezystancji wej

ciowej ( 50

Ω

lub 75

Ω

)

W tłumiku o rezystancji wej

ciowej 50

Ω

negatywny wpływ pojemno

monta

owych jest znacznie mniejszy i dlatego tłumik taki jest czysto

rezystancyjny (bez kondensatorów). Tłumiki o rezystancji wej

ciowej 50

Ω

stosowane w oscyloskopach o pa

mie powy

ej 150 MHz.

Ze wzrostem cz

stotliwo

ci rezystory w tłumiku nale

y traktowa

jako

elementy o stałych rozło

onych, w wyniku czego rezystancja wej

ciowa w fun-

kcji cz

stotliwo

ci maleje. Tak wi

c rezystancja wej

ciowa oscyloskopu ma

warto

ś ć

Ω

tylko dla pr

du stałego i małych cz

stotliwo

ci.

Wtórnik

Jest to wzmacniacz o współczynniku wzmocnienia napi

ciowego w przy-

bli

eniu równym jedno

ci, nie odwracaj

cy w dodatku fazy napi

cia

wyj

ciowego wzgl

dem napi

cia wej

ciowego, a wi

c powtarzaj

cy na wyj

ciu

sygnał wej

ciowy (st

d jego nazwa). Podstawow

jego cech

, dla której

wykorzystuje si

go, jest du

a rezystancja wej

ciowa i mał

wyj

ciowa.

Wzmacniacz ten stanowi wi

c swoisty transformator rezystancji, wykorzys-

tywany do sprz

gania

ródła sygnału o du

ej rezystancji wyj

ciowej z odbior-

nikiem o małej rezystancji wej

ciowej. W oscyloskopie wtórnik separuje

ródło

sygnału mierzonego od wzmacniacza odchylania pionowego (Y), nie
dopuszczaj

c w ten sposób do nadmiernego obci

ą ż

enia pr

dowego tego

ródła,

zniekształcenia sygnału mierzonego, a co za tym idzie, zapobiega powstawaniu
nadmiernego bł

du pomiaru.

Wzmacniacz odchylania pionowego

Wzmacniacz ten (rys.4) wzmacnia wst

pnie sygnał badany zmierzaj

cy do

płytek odchylania pionowego. Jego współczynnik wzmocnienia jest regulowany
w sposób płynny przy pomocy

rodkowego pokr

tła oznaczonego w

oscyloskopie OS-531 „VAR CAL”. Regulacja wzmocnienia pozwala zmienia

wysoko

ś ć

obrazu na ekranie, zwi

kszaj

c w ten sposób jego czytelno

ś ć

. Podczas

pomiarów jednak pokr

tło wzmocnienia musi znajdowa

okre

lonym poło

eniu, najcz

ę ś

ciej prawym skrajnym. Tylko wtedy bowiem

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

prawdziwe s

potrzebne przy pomiarach, warto

ci współczynnika odchylania (w

mV/cm lub V/cm) naniesione wokół przeł

cznika stopnia tłumienia tłumika.

W oscyloskopie OS-351 oba organy regulacyjne: współczynnika tłumienia

i płynnej regulacji wzmocnienia skupione s

w jednym miejscu i opi-sane jako

„VAR CAL” przy czym

rodkowe pokr

tło słu

y do płynnej regulacji

wzmocnienia, za

stosowna strzałka wymownie informuje o wymaganym

poło

eniu tego pokr

tła podczas pomiarów.

eli sygnał wej

ciowy jest zbyt du

y, to pomi

dzy

ródłem sygnału a

wej

ciem wzmacniacza wł

cza si

omówiony wcze

niej tłumik, odpowiednio

zmniejszaj

cy amplitud

tego sygnału.

Ze wzmacniaczem odchylania pionowego zwi

zany jest jeszcze jeden

organ regulacyjny, oznaczony w oscyloskopie OS-351 „POSITION”. Przy jego
pomocy u

ytkownik mo

e przesuwa

nieruchomy obraz w kierunku pionowym,

co jest konieczne w przypadku, gdy na ekranie wy

wietlane s

obrazy dwóch

sygnałów i korzystnie jest umie

je jeden nad drugim, np. na górze sygnał

wej

ciowy badanego układu, na dole za

jego sygnał wyj

ciowy.

Po wzmocnieniu sygnał w

druje dalej do przeł

cznika elektronicznego

(rys.4). Cz

ę ś ć

sygnału odprowadza si

do układu synchronizacyjnego

generatora podstawy czasu. Obydwa te układy b

omówione w dalszej cz

ę ś

wykładu.

Parametry charakteryzuj

ce tor Y oscyloskopu

Mówi

c o torze odchylania pionowego, wypada okre

najwa

niejsze

parametry oscyloskopu, zwi

zanymi z tym torem. S

nimi:

•

pasmo oscyloskopu

•

czas narastania

•

współczynnik odchylania

Pasmo oscyloskopu jest to zakres cz

stotliwo

ci sygnałów badanych

zawartych mi

dzy dwiema warto

ciami: doln

oraz górn

, przy których

wzmocnienie maleje o 3 dB w stosunku do wzmocnienia dla małych cz

stotli-

ci, to znaczy maleje do warto

ci równej 0,707 wzmocnienia tych cz

stotli-

ci.

Od strony małych cz

stotliwo

ci pasmo ograniczone jest stałymi

czasowymi układów sprz

gaj

cych (AC), a przy sprz

ę ż

eniu stałopr

dowym (DC)

zaczyna si

od 0 Hz.

Od strony wysokich cz

stotliwo

ci pasmo ograniczaj

pojemno

ci i indu-

kcyjno

ci monta

owe wzmacniacza oraz parametrów tranzystorów.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

W oscyloskopach o du

ych czuło

ciach pasmo si

ga kilkuset kHz,

natomiast w oscyloskopach szerokopasmowych, mniej czułych, si

ga 500 MHz i

cej.

li za

chodzi o sygnał znacznie odbiegaj

cy kształtem od sinusoidy,

istotna jest wierno

ś ć

, z jaka oscyloskop oddaje jego kształt. Miar

wierno

ci jest

odpowied

wzmacniacza na impuls prostok

tny o krótkim czasie narastania.

Wzmacniacz rzeczywisty odbiega od idealnego, a miar

jego jako

ci jest

m. in. czas narastania.

Czas narastania (opadania) impulsu (t

) jest to czas, w którym zbocze

przednie (tylne) impulsu prostok

tnego zmienia si

od 10% do 90% (od 90% do

10%) amplitudy impulsu. W przypadku wzmacniaczy czas narastania (opadania)
okre

la nast

puj

ca zale

ś ć

[ ]

[

]

MHz

350

gdzie f

oznacza górn

stotliwo

ś ć

pasma.

0,9U

0,1U

Rys. 7. Ilustracja zasady wyznaczania czasu narastania impulsu prostok

tnego

Zdecydowana wi

kszo

ś ć

produkowanych obecnie oscyloskopów ma

wzmacniacze pr

du stałego o sprz

ę ż

eniu bezpo

rednim (DC) od wej

cia a

płytek odchylaj

cych, co umo

liwia pomiar sygnałów o bardzo małych

stotliwo

ciach oraz składowe stałe.

Współczynnik odchylania (pionowego) oscyloskopu jest okre

lony przez

warto

ś ć

dzyszczytowego napi

cia U

jakie nale

y doprowadzi

do jego

wej

cia, aby uzyska

na ekranie obraz o wysoko

ci 1 cm lub 1 działki, je

eli

podziałka skali nie jest wyra

ona w centymetrach.

Przeł

cznik elektroniczny

Przeł

cznik

elektroniczny

umo

liwia

wykorzystanie

pojedynczego

strumienia elektronów do kre

lenia obrazów dwóch sygnałów pochodz

cych

z ró

nych kanałów oscyloskopu.

Na rys.8. przedstawiony jest fragment układu elektrycznego oscyloskopu,

który ilustruje zasad

działania przeł

cznika elektronicznego PE.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Przeł

cznik ten udost

pnia wej

cie wzmacniacza ko

cowego toru odchylania

pionowego sygnałom z dwóch ró

nych kanałów oscyloskopu, co umo

liwia

jednoczesne ogl

danie dwóch przebiegów elektrycznych (np. sinusoidalnego i

prostok

tnego).

Przeł

czanie kanałów odbywa si

jednym z dwóch sposobów wybranych

przez u

ytkownika, mianowicie w trybie przeł

czania przemiennego

oznaczonego jako ALT albo w trybie przeł

czania siekanego oznaczonego jako

CHOP.

KANAŁ A

WZMACNIACZ

COWY

KANAŁ B

(t)

CHOP

ALT

UKŁAD

STERUJ

Rys. 8. Fragment układu elektrycznego oscyloskopu z przeł

cznikiem

elektronicznym PE

Podczas pracy w trybie ALT strumie

elektronów podczas swego biegu od

lewej do prawej strony ekranu kre

li obraz tylko jednego sygnału, za

podczas

powtórnego biegu - obraz drugiego. Je

eli to naprzemienne rysowanie powtarza

z dostatecznie du

ż ą

stotliwo

, obserwator widzi obrazy obydwu

sygnałów, m. in. dzi

ki wła

ciwo

ci ludzkiego wzroku, zachowuj

cego wra

enie

przez jaki

czas po znikni

ciu bod

wietlnego.

Gdy przeł

cznik elektroniczny pracuje w trybie CHOP, podczas biegu

strumienia elektronów od strony lewej ku prawej, rysuje on jednocze

nie obrazy

obydwu przebiegów, ale obrazy te składaj

teraz z wielu odcinków (rys.9).

Przerwy w obrazie jednego przebiegu wykorzystywane s

do kre

lenia odcinków

drugiego z nich. W rezultacie obydwa przebiegi sprawiaj

wra

enie posiekanych

na drobne cz

ę ś

ci. Poniewa

jednak obrazy kre

lone s

wielokrotnie, obserwator

najcz

ę ś

ciej nie widzi efektu siekania, gdy

za ka

dym razem przerwy wyst

puj

w innym, przypadkowym miejscu.

Tryb ALT stosowany jest w przypadku, gdy cz

stotliwo

ci badanych

przebiegów s

odpowiednio du

e, wtedy bowiem czas kre

lenia jednego

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

przebiegu jest krótki (cz

stotliwo

ś ć

napi

cia generatora podstawy czasu jest

ksza), a co za tym idzie, tak

e przerwy w kre

leniu s

krótsze, co wywołuje

wra

enie ci

gło

wiecenia obrazu.

Tryb CHOP stosuje si

przy niewielkiej cz

stotliwo

ci badanych

sygnałów, kiedy to ruch plamki

wietlnej od strony lewej do prawej odbywa si

stosunkowo wolno (cz

stotliwo

ś ć

napi

cie generatora podstawy czasu jest

niewielka) i przemienne kre

lenie ka

dego przebiegu z osobna wywoływałoby

nieprzyjemne migotanie obrazu. Tryb ten jest stosowany tak

e w przypadku

rejestracji fotograficznej przebiegów jednokrotnych.

Rys. 9. Tryb siekany pracy przeł

cznika elektronicznego

W oscyloskopie OS-351 przeł

cznik elektroniczny PE jest przeł

czany

przez układ steruj

cy z cz

stotliwo

20 Hz przy pracy w trybie ALT oraz z

stotliwo

150 kHz gdy u

ytkownik wybierze tryb CHOP.

Generator podstawy czasu

Generator podstawy czasu generuje tzw. napi

cie piłokształtne (rys.10).

które doprowadzone do płytek odchylania poziomego (rys.11), steruje ruchem
plamki

wietlnej na ekranie, odwzorowuj

cym upływ czasu (droga przebyta

przez plamk

jest proporcjonalna do czasu rzeczywistego). Z generatorem tym

zwi

zany jest kolejny wa

ny parametr oscyloskopu, mianowicie współczynnik

czasu.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Współczynnik czasu jest to czas potrzebny do przesuni

cia plamki

wietlnej w kierunku poziomym na odległo

ś ć

1 cm lub 1 działki. Wyra

any jest w

s/cm, ms/cm,

s/cm lub ps/cm (pikosekundy na centymetr)

Generator podstawy czasu pełni rol

wewn

trznego zegara oscyloskopu,

odmierzaj

cego wzorcowe odcinki czasu potrzebne do pomiaru okresu, a tym

samym cz

stotliwo

ci sygnałów okresowych. Jego działanie uzewn

trznia si

poprzez jednostajny ruch plamki

wietlnej wzdłu

poziomej linii ekranu, za który

to ruch generator jest odpowiedzialny. Ruch ten powodowany jest przez napi

cie

wyj

ciowe generatora, zmieniaj

ce si

liniowo od warto

ci -U

do U

(rys.10).

Gdy napi

cie to ma warto

ś ć

-U

plamka

wietlna znajduje si

na lewym skraju

ekranu (w punkcie startowym), kiedy osi

ga ono warto

ś ć

równ

zeru plamka

dociera na

rodek ekranu, przy napi

ciu równym U

znajdzie si

natomiast na

jego

prawym

skraju.

Omówiona

zmiana

napi

cia

odbywa

w czasie T

(rys.10). Szybko

ś ć

ruchu mo

e by

regulowana skokowo i płynnie

poprzez zmian

stotliwo

ci napi

cia generatora.

-U

- czas roboczy, T

- czas powrotu, T

- czas podtrzymania, T

- czas

oczekiwania na impuls wyzwalający, T - minimalny czas powtarzania

Rys. 10. Napi

cie wyj

ciowe generatora podstawy czasu

Pouczaj

jest

nastawienie na pocz

tku małej cz

stotliwo

ci,

zapewniaj

cej powolny ruch plamki

wietlnej od strony lewej ekranu do prawej.

Obserwator widzi wtedy plamk

w jednostajnym ruchu, powtarzaj

cym si

w regularnych cyklach. Plamka docieraj

c do prawego skraju ekranu, znika

nagle, by pojawi

po chwili po jego prawej stronie i rozpocz

ą ć

ponownie

swój ruch ze stał

dko

. Powrót plamki na lew

stron

ekranu odbywa si

za spraw

malej

cego liniowo napi

cia wyj

ciowego generatora (rys.10) i trwa o

wiele krócej ni

poprzedni ruch. Ta faza ruchu jest niewidoczna dla obserwatora,

poniewa

działaj

cy automatycznie układ elektroniczny, dostarcza na ten czas

do siatki steruj

cej lampy oscyloskopowej (cylindra Wehnelta) impuls ujemny,

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

powoduj

c tym całkowite wyhamowanie emitowanych przez katod

elektronów.

Gdyby zabrakło tego mechanizmu, strumie

elektronów kre

liłby lini

swego

ruchu powrotnego nie zwi

zan

z obserwowanym przebiegiem i fałszuj

jego

obraz, co komplikowałoby obserwacj

Kiedy stopniowo zwi

ksza

dziemy cz

stotliwo

ś ć

napi

cia generatora,

ruch plamki stanie si

coraz szybszy i zacznie ona zostawia

za sob

charakterystyczne smu

enie

wietlne, by po osi

gni

ciu pewnej pr

dko

znaczy

swój ruch jednolit

, je

li chodzi o nat

ę ż

enie lini

wietln

. Lini

nazywa si

sto podstaw

czasu.

Opisane obserwacje polecić należy wszystkim początkującym użytko-

wnikom oscyloskopu, ponieważ dają one dobre wyobrażenie zasady działania
generatora podstawy czasu.

Zanim opisany przed chwilą cykl powtórzy się, muszą zaniknąć stany

nieustalone wewnątrz generatora. Związany jest z tym tak zwany czas martwy
albo czas podtrzymania T

(rys.10). Czas martwy jest to odstęp czasu, w którym

przychodzący z układy synchronizacyjnego (rys.11) impuls wyzwalający (gdyby
się pojawił) nie może wyzwolić podstawy czasu, to znaczy zainicjować cyklu
generacyjnego napięcia piłokształtnego. Czas martwy jest dłuższy od czasu
powrotu i wynosi tyle ile jest konieczne w danym układzie do całkowitego
zakończenia się stanów nieustalonych związanych z powrotem układów
oscyloskopu do stanu wyjściowego. Następny impuls wyzwalający jest zdolny
wyzwolić podstawę czasu dopiero po ustaniu wszystkich procesów
przejściowych, co zapewnia dokładną powtarzalność kolejnych odcinków
podstawy czasu.

Płynna regulacja czasu martwego może być dokonywana przez użytkownika przy
pomocy pokrętła oznaczonego „HOLDOFF” (rys.11). Znajduje ona
zastosowanie przy pomiarach przebiegów impulsowych o złożonym kształcie,
czym nie będziemy zajmowali się bliżej w tym wykładzie.

Na rysunku 11. przedstawiono blokowy schemat tej części układu

elektrycznego oscyloskopu, który związany jest z generatorem podstawy czasu.
Pominiemy budowę wewnętrzną generatora, skupiając się na układach
sterujących jego pracą. Występujące na rys.11 oznaczenia związane są z przy-
kładowym oscyloskopem typu OS-351.

Generator

podstawy

czasu

pracuje

pod

nadzorem

układu

synchronizacyjnego, który decyduje każdorazowo o chwili zapoczątkowania
kolejnego cyklu jego pracy. Chodzi o to by przy wielokrotnym rysowaniu
badanego przebiegu, kolejny jego obraz był rysowany dokładnie na obrazie
poprzednim, co jest warunkiem wyświetlania na ekranie nieruchomego i sta-
bilnego obrazu mierzonego sygnału. Innymi słowy sygnał ten musi być rysowany

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

zawsze od tego samego punktu. Wybór tego punktu zależy od użytkownika,
który ma do dyspozycji kilka różnych organów regulacyjnych.

GENERATOR

PODSTAWY

CZASU

WZMAC-

NIACZ

KANAŁ B

KANAŁ A

WZMAC.

KOŃ-

COWY

CH A

CH B

PŁ

TRIG INPUT

MAGNIEFIER

POSITION

INPUT X

UKŁAD

SYNCHRO-

NIZACJI

TV F

TV L

NORM

AUTO

SLOPE

TRIG LEVEL

HOLD OFF

s/cm

ms/cm

s/cm

Rys. 11. Generator podstawy czasu i jego otoczenie

Podstawowym organem jest tu „TRIG LEVEL” czyli poziom

wyzwalania. Pokrętłem poziomu wyzwalania można wybrać wartość napięcia, od
której zacznie się kreślenie krzywej sygnału (rys.12).

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Rys. 12. Efekt regulacji poziomu wyzwalania

Kolejnym organem będącym do dyspozycji użytkownika jest przełącznik

oznaczony „SLOPE”. Służy on do wyboru zbocza (narastającego lub
malejącego) od którego zacznie być rysowany przebieg (rys. 13).

Rys.13. Działanie przełącznika „SLOPE”

Przełącznik „AUTO”, gdy jest włączony, powoduje samoczynną pracę

generatora podstawy czasu z określoną przez konstruktora częstotliwością.
Oznacza to, że generator pracuje pod nieobecność jakiegokolwiek sygnału
badanego. Na ekranie rysowana jest linia podstawy czasu sygnalizując
użytkownikowi sprawność tego generatora i pozwalając ustawić tę linię na
odpowiedniej linii siatki naniesionej na ekranie. Brak jakiegokolwiek obrazu na
ekranie, co powoduje pewną konsternację u początkującego użytkownika,
wywołana jest często uprzednim wciśnięciem przełącznika „NORM”, który
wprowadza odmienny tryb pracy generatora podstawy czasu. Tryb ten wymaga
obecności na wejściu układu synchronizacji sygnału badanego dostarczonego z
kanału A lub B. Sygnał ten jest wówczas porównywany przez układ synchro-
nizacji z napięcie stałym nastawionym przy pomocy regulatora „TRIG LEVEL”
i wyzwala generator podstawy czasu w odpowiednim punkcie badanego
przebiegu. Wynika stąd, że nastawianie poziomu wyzwalania (regulator „TRIG
LEVEL”), a także wybór zbocza (przełącznik „SLOPE”) jest możliwe tylko
przy włączonym przełączniku „NORM” Wybór kanału, z którego dostarczany
jest sygnał do układu synchronizacji dokonuje się przy pomocy przełącznika PŁ,
który ma jeszcze trzecią pozycję oznaczoną „TRIG INPUT”, umożliwiającą
synchronizowanie pracy generatora podstawy czasu sygnałem zewnętrznym.

Tak więc, gdy mierzymy tylko jeden sygnał i korzystamy z jednego

kanału, musimy ustawić przełącznik PŁ w stosownej pozycji: „CH A” albo „CH

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

B”. Jest to warunkiem uzyskania stabilnego obrazu badanego sygnału zarówno
przy włączonym „AUTO” jaki „NORM”.

Kiedy oglądamy jednocześnie dwa obrazy (pracuje przełącznik

elektroniczny PE), musimy zdecydować się na wybór jednego z dwóch badanych
sygnałów, ustawiając przełącznik PŁ w jednej z dwóch pozycji:

„CH A” albo „CH B”. Wybiera się zwykle tę pozycję przełącznika, która
zapewnia lepszą synchronizację (bardziej stabilny obraz).

Z procesem synchronizacji związane są dwa charakterystyczne

przełączniki: „TV L” oraz „TV F” używane do prac serwisowych przy napra-
wie odbiorników telewizyjnych. Przy włączonym „TV L” generator podstawy
czasu jest sterowany impulsami synchronizacyjnymi linii, znaczącymi koniec
każdej linii obrazu telewizyjnego. Przy włączonym „TV F” korzysta się z im-
pulsów synchronizacyjnych znaczących koniec ramki obrazu. Oscyloskop musi w
takich przypadkach zawierać układy separujące z zespolonego sygnału
telewizyjnego wymienione impulsy synchronizacyjne.

Na rysunku 11. widnieje także organ regulacyjny oznaczony „HOLD

OFF”. Służy on do regulacji tak zwanego czasu podtrzymania T

, który

właściwiej byłoby nazwać czasem powstrzymania generatora przed generacją
kolejnego cyklu napięcia piłokształtnego. Jego działanie uwidacznia się tylko
przy badaniu złożonych sygnałów impulsowych. Wydłużenie czasu T

powstrzymuje generację napięcia piłokształtnego do czasu upłynięcia okresu
złożonego sygnału i zapobiega powstaniu tak zwanego obrazu uwikłanego,
z którym mamy do czynienia wówczas, gdy podczas kolejnego biegu plamki
ś

wietlnej rysowana jest końcowa części złożonego sygnału, nie narysowana

podczas poprzedniego biegu.

Przełącznik „MAGNIEFIER” (co tłumaczy się jako „lupa”) zmienia

współczynnik wzmocnienia wzmacniacza X sygnału dostarczonego do toru
odchylania poziomego przez gniazdo wejściowe „INPUT X”. Zwiększając ten
współczynnik można rozciągnąć obraz sygnału w osi X (osi czasu) i dokładniej
obejrzeć te jego fragmenty, które są „zagęszczone” w czasie. Rozciągnięcie
obrazu sprawia, że jego część przestaje być widoczna na ekranie ale można ją
obejrzeć przesuwając obraz w osi X przy pomocy regulatora „POSITION”.

Pozycja przełącznika „MAGNIEFIER” zmienia oczywiście także

skokowo współczynnik czasu (patrz rys.12). Na przykład w oscyloskopie OS-
351 wspominany przełącznik ma dwie pozycje oznaczone: „

××××

1” i „

××××

5”. Pozyc-

jom tym odpowiada współczynnik wzmocnienia w torze X odpowiednio: 0,5
V/cm i 0,1 V/cm (pięciokrotny wzrost czułości). Pięciokrotnie zmieniają się
także współczynniki czasu. Dla pozycji przełącznika „x1” wynoszą one od 0,1

µµµµ

s/cm do 0,5 s/cm, zaś dla pozycji „

××××

5” od 0,02

µµµµ

s do 0,1 s/cm.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Powróćmy do gniazda wejściowego „INPUT X”. Wykorzystuje się je

wówczas, gdy pomiar wymaga sterowania płytkami odchylania poziomego przez
sygnał zewnętrzny, np. sygnał proporcjonalny do napięcia przy zdejmowaniu
charakterystyki prądowo - napięciowej diody. Wyłączony musi być wtedy
oczywiście generator podstawy czasy. W oscyloskopie OS-531 służy do tego
wyłącznik „X” (rys.11).

Jednorazowa podstawa czasu

Zgodnie z nazwą , sygnał odchylania poziomego jest doprowadzony do

płytek odchylania poziomego jednorazowo, dając jednorazowy ruch plamki w
prawo i z powrotem. Sygnał odchylania pionowego powinien z chwilą pojawienia
się wyzwolić jednorazowo generator podstawy czasu.

Jednorazowa podstawa czasu jest stosowana przy pomiarach zjawisk

nieperiodycznych, takich jak przebicia i wyładowania, zjawiska przy wybuchu,
zjawiska przy przełączeniach napięć oraz prądów, itp.

Oscyloskop OS-351 nie ma mechanizmu wyzwalania jednorazowego, nie

jest bowiem przystosowany do rejestracji tak krótkotrwałych zjawisk fizycznych.

W niniejszym ćwiczeniu używany jest klasyczny oscyloskop analogowy,

pozwalający zapoznać studentów z podstawami techniki oscyloskopowej. Jej
opanowanie jest podstawą do studiowania zasad działania oscyloskopów
cyfrowych.

wiczenie zawiera zadania pomiarowe, związane z podstawowymi zasto-

sowaniami oscyloskopu analogowego.

2. Zadania pomiarowe

Zadanie 1

Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu amplitudę U

i okres T zadanego

sygnału sinusoidalnego. Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na
rysunku 1.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

PW-11

Input B

lub

Input A

Przewód ekranowany

Generator

Oscyloskop

Rys. 1. Schemat układu pomiarowego

U(t)

Obraz oscylograficzny sygnału sinusoidalnego

Kolejno

ść

czynno

Przed włączeniem napięcia zasilającego oscyloskopu, należy dokonać

wstępnych nastaw jego organów regulacyjnych.

W torze odchylania Y

•

przełącznik rodzaju sprzężenia (DC,GND,AC) ustawić w pozycji AC

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

•

regulator współczynnika wzmocnienia wzmacniacza VAR. CAL (pokrętło
oznaczone kolorem czerwonym) ustawić w prawym skrajnym położeniu

•

przełącznik NORM / INV w pozycji NORM

W torze odchylania X

•

przełącznik X MAGNIFIER w pozycji X1

•

w zespole przełączników AUTO / NORM / TV-F / TV-L wcisnąć AUTO

•

przełącznik SLOPE w pozycji +

•

przełącznik TRIG SOURCE w pozycji CH A lub CH B, zależnie od tego do
którego wejścia oscyloskopu doprowadzony jest sygnał mierzony

•

regulatory LEVEL / HOLDOFF (środkowy i zewnętrzny) ustawić w po-
zycjach środkowych

Nast

pnie nale

1. Włączyć napięcie zasilające oscyloskopu i odczekać ok. pięciu minut
2. Włączyć napięcie zasilające generator
3. Nastawić częstotliwość generatora 500 Hz i napięcie wyjściowe o wartości ok.

4. Doprowadzić sygnał z generatora przewodem ekranowanym do wejścia

INPUT A albo INPUT B

5. W zespole przełączników VERT MODE wcisnąć wyłącznik CHA A lub

CHA B zależnie od wybranego wejścia A lub B

6. W zespole przełączników X MAGNIFIER wcisnąć odpowiednio CHA A

lub CHA B oraz AUTO

7. Przełącznikiem zmiany współczynnika odchylania pionowego (mV/cm, V/cm)

uzyskać możliwie duży obraz sygnału sinusoidalnego; wyregulować
precyzyjnie jego położenie w osi Y potencjometrem POSITION

↑↓

8. Przełącznikiem zmiany współczynnika czasu (s/cm, ms/cm,

s/cm) uzyskać

obraz co najmniej jednego okresu sinusoidy; wyregulować precyzyjnie jego
położenie w osi X potencjometrem POSITION

↔

W rezultacie opisanych wyżej zabiegów na ekranie oscyloskopu powinien

pojawić się nieruchomy obraz sygnału sinusoidalnego. Należy teraz zmierzyć
amplitudę tego sygnału oraz jego okres. Wyniki odczytów i obliczeń zanotować
w Tablicy 1.

Tablica 1

Współczynnik odchylania w torze Y

=...........................mV/cm, V/cm

niepotrzebne skreślić

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Amplituda sygnału w centymetrach

= ...........................................cm

Amplituda w jednostkach napięcia

= a

∗

..........................mV, V

niepotrzebne skreślić

Współczynnik odchylania w torze X

= ................

s/cm, ms/cm, s/cm

niepotrzebne skreślić

Okres sygnału w centymetrach

= ...........................................cm

Okres sygnału w jednostkach czasu

T = a

∗

..........................

s, ms, s

niepotrzebne skreślić

Zadanie 2

Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu amplitudę U

i okres T zadanego

sygnału prostokątnego. Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na
rysunku 1. Przebieg pomiarów będzie tu analogiczny do opisanego w Zadaniu 1
Wyniki pomiarów należy zapisać w Tablicy 2.

Obraz oscyloskopowy napi

cia okresowego, prostok

tnego

W sprawozdaniu nale

y wyja

sposób wyznaczenia warto

ci skutecznej

mierzonego sygnału na podstawie oscyloskopowego pomiaru jego amplitudy.

Tablica 2

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Współczynnik odchylania w torze Y

=...........................mV/cm, V/cm

niepotrzebne skreślić

Amplituda sygnału w centymetrach

= ...........................................cm

Amplituda w jednostkach napi

cia

= a

∗

..........................mV, V

niepotrzebne skreślić

Współczynnik odchylania w torze X

= ................

s/cm, ms/cm, s/cm

niepotrzebne skreślić

Okres sygnału w centymetrach

= ...........................................cm

Okres sygnału w jednostkach czasu

T = a

∗

..........................

s, ms, s

niepotrzebne skreślić

Zadanie 3

Obejrze

na ekranie efekt ró

niczkowania napi

cia prostok

tnego i

zinterpretowa

otrzymane na ekranie obrazy. Schemat układu poł

cze

przedstawiony jest na rysunku 2.

PW-11

= 4V

f= 2kHz

INPUT A

INPUT B

Rys. 2. Schemat układu ró

niczkuj

cego

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Obraz oscyloskopowy zró

niczkowanego sygnału prostok

tnego

W sprawozdaniu nale

Nale

y poł

czy

układ pomiarowy według schematu przedstawionego na

rysunku 2. Rezystor i kondensator umieszczone s

na wspólnej płytce, a zaciski

utworzonego przez te elementy układu oznaczone s

cyframi 2,3,5.

Aby mo

liwe było ogl

danie jednocze

nie obrazów dwóch sygnałów:

prostok

tnego napi

cia wej

ciowego układu ró

niczkuj

cego (zaciski 3,5)

i napi

cia wyj

ciowego tego układu (zaciski 2,5), nale

y wł

czy

przeł

cznik

elektroniczny, wybieraj

c jeden z dwóch mo

liwych trybów jego pracy: tryb

przemienny (ALT) lub siekany (CHOP).

Zalecane nastawy:

W torach Y: kanał: A: a

= 5V/cm,

kanał: B: a

= 5V/cm;

W torze X: a

= 0,1 ms/cm

1. Naszkicowa

ogl

dane przebiegi

2. Wyja

dlaczego w sygnale wyj

ciowym pojawiaj

impulsy szpilkowe

dodatnie i ujemne

3. Zaproponowa

sposób usuwania z sygnału wyj

ciowego układu ró

nicz-

kuj

cego impulsów ujemnych

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Zadanie 4

Obejrze

na ekranie efekt całkowania napi

cia prostok

tnego i

zinterpretowa

otrzymane na ekranie obrazy. Schemat układu poł

cze

przedstawiony jest na rysunku 3.

W sprawozdaniu nale

PW-11

= 4V

f= 200Hz

INPUT A

INPUT B

Rys. 3. Schemat układu całkuj

cego

Zalecane nastawy:

W torach Y: kanał A: a

= 5V/cm,

kanał B: a

= 50 mV/cm;

W torze X: a

= 0,5 ms/cm

1. Naszkicowa

ogl

dane przebiegi

2. Wyja

dlaczego w rezultacie całkowania sygnału prostok

tnego otrzymuje

sygnał b

cy liniow

funkcj

czasu. Poda

interpretacj

matematyczn

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Obraz oscyloskopowy scałkowanego napi

cia prostok

tnego

Zadanie 5

Zmierzy

przy pomocy oscyloskopu napi

cie U

diody Zenera. Schemat

układu poł

cze

przedstawiony jest na rysunku 3.

PO-21

= 25V

∼

f= 50Hz

INPUT A

X or TRIG

INPUT

10k

Ω

90k

Ω

Rys. 3. Schemat układu do pomiaru napi

cia Zenera

DZ – badana dioda Zenera

– rezystor przetwarzaj

cy pr

d diody Zenera na proporcjonalne do

niego napi

cie

, R

– dzielnik napi

cia obni

cy napi

cie Zenera w stosunku 1/10

przed podaniem go do wej

cia oscyloskopu

Zalecane nastawy:

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

W torze Y: a

= 5V/cm

W torze X: a

= 0,5V/cm (MAGNIFIER X1)

Wcisn

ąć

NORM/INV

)

Obraz oscyloskopowy charakterystyki pr

dowo – napi

ciowej diody Zenera

Przebieg pomiaru

Zwi

ksza

stopniowo napi

cie wyj

ciowe generatora a

do chwili poja-wienia

na ekranie pełnej charakterystyki pr

dowo - napi

ciowej diody Zenera.

Obliczy

warto

ść

napi

cia Zenera badanej diody według nast

puj

cej

formuły:

[V] = L

[cm]

0,5 [V/cm]

Zanotowa

w Tablicy 3 wynik pomiaru napi

cia U

badanej diody.

Tablica 3

= ..................V

3. Pytania kontrolne

1. Jaka elektroda lampy oscyloskopowej emituje strumie

elektronów?

W sprawozdaniu wyja

dlaczego dla otrzymania prawidłowego obrazu

charakterystyki pr

dowo - napi

ciowej diody Zenera nale

ało zmieni

polaryzacj

napi

cia w torze Y oscyloskopu przez wci

cie przeł

cznika

NORM/INV.

Wskazówka: Przeanalizowa

polaryzacj

napi

ęć

dzy punktami 3 - 4

oraz 4 - 5.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

2. Jak

rol

w lampie pełni cylinder Wehnelta?

3. Jakie elektrody odpowiedzialne s

za skupianie i przy

pieszanie strumienia

elektronów?

4. Jak

rol

pełni powłoka grafitowa wewn

trz lampy?

5. Czemu słu

y metalizowanie ekranu?

6. Co to jest emisja wtórna i jakie jest jej znaczenie w pracy lampy?
9. Dlaczego mo

liwe jest ogl

danie jednocze

nie dwóch przebiegów na ekranie

oscyloskopu jednostrumieniowego?

10. Wyja

nij rol

przeł

cznika elektronicznego

11. Obja

nij zasad

działania przeł

cznika elektronicznego oraz tryby jego pracy:

siekany i przemienny.

12. Jaki rodzaj odchylania stosowany jest w oscyloskopach: magnetyczny czy

elektryczny?

13. Wyja

nij rol

generatora podstawy czasu

14. Narysuj przebieg czasowy napi

cia generatora podstawy czasu.

15. Jaka jest zasada pracy tzw. „samobie

nej podstawy czasu”?

16. Jaka jest zasada pracy tzw. „wyzwalanej podstawy czasu”

4. Literatura

1. Rydzewski J.

Pomiary oscyloskopowe

WNT, Warszawa 1994

2. Chwaleba A. i inni

Metrologia elektryczna

WNT, Warszawa 2006

D O D A T E K

Skrócony opis funkcji organów regulacyjnych

oscyloskopu typu OS-351

Zespół przeł

czników dotycz

cych odchylania pionowego

Oscyloskop ma dwa tory odchylania pionowego oznaczone jako „CH A”

oraz „CH B”. W każdym z tych torów występują tak samo oznaczone
przełączniki i organy regulacyjne.

Przykładowy opis dla kanału A

INPUT A - gniazdo wejściowe kanału A
NORM/INV - przełącznik polaryzacji sygnału mierzonego (odwraca fazę

obserwowanego przebiegu o 180

)

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

DC, GND, AC - przełącznik o trzech położeniach umożliwiający wybór rodzaju

sprzężenia:

DC - sprzężenie bezpośrednie (stałoprądowe) umożliwiające pomiar napięcia

stałego oraz napięcia zmiennego zawierającego składową stałą; zakres
mierzonych częstotliwości: 0 Hz - 15 MHz

AC - sprzężenie zmiennoprądowe, wejście zawiera kondensator odcinający

składową stałą napięcia mierzonego; zakres mierzonych częstotliwości:
10 Hz - 15 MHz

GND - wejście wzmacniacza dołączone do masy, sygnał mierzony podawany jest

na obciążenie 1M

Ω

, 47 nF. Ta pozycja przełącznika pozwala na

ustawienie linii odniesienia na zerowej linii siatki ekranu bez
konieczności odłączania oscyloskopu od źródła sygnału mierzonego.

VAR. CAL - środkowe pokrętło (koloru czerwonego) służy do regulacji

współczynnika wzmocnienia wzmacniacza odchylania pionowego.
Podczas pomiarów powinno znajdować się w prawym skrajnym
położeniu.

Przełącznik zewnętrzny służy do skokowej regulacji współczynnika
tłumienia tłumika wejściowego a tym samym do wyboru współczynnika
odchylania pionowego i jest opisany w jednostkach: V/cm , mV/cm

VERT MODE - zespół przełączników o następujących funkcjach:
CH A - kieruje do wzmacniacza sygnał doprowadzony do wejścia INPUT A
CH B - kieruje do wzmacniacza sygnał doprowadzony do wejścia INPUT B
ALT - włącza tryb przemienny pracy przełącznika elektronicznego (przełączanie

z częstotliwością ok. 20 Hz)

CHOP - włącza tryb siekany pracy przełącznika elektronicznego (przełączanie z

częstotliwością 150 kHz)

ADD - umożliwia oglądanie sumy (algebraicznej) sygnałów z kanałów A i B
POSITION

↑↓

- pokrętło przesuwu obrazu w osi Y

Zespół przełączników dotyczących odchylania poziomego

MAGNIFIER - przełącznik

zmiany

współczynnika

czasu

lub

zmiany

współczynnika odchylania poziomego.

pozycja X1 - współczynnik czasu od 0,1

s/cm do 0,5 s/cm

pozycja X5 - współczynnik czasu od 0,02

s/cm do 0,1 s/cm

Gdy napięcie odchylające jest doprowadzane z zewnątrz (do wejścia X or TRIG
INPUT):

pozycja X1 - współczynnik odchylania poziomego 0,5 V/cm
pozycja X5 - współczynnik odchylania poziomego 0,1 V/cm

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

VAR. CAL - przełącznik współczynnika czasu i pokrętło (środkowe koloru

czerwonego) płynnej regulacji współczynnika czasu

TRIG MODE - przełączniki sposobu wyzwalania podstawy czasu:
AUTO - generator

podstawy

czasu

jest

wyzwalany

automatycznie

częstotliwością ok. 20 Hz, bez względu na istnienie czy brak sygnału
mierzonego. Zaleca się korzystanie z tego rodzaju wyzwalania,
ponieważ umożliwia on oglądanie linii odniesienia jeszcze przed
przyłączeniem sygnału mierzonego.

NORM - generator podstawy czasu jest wyzwalany sygnałem mierzonym, przy

braku tego sygnału na ekranie nie pojawia się linia odniesienia, co
sugerować może uszkodzenie oscyloskopu !

TV-F

- generator podstawy czasu jest wyzwalany impulsem synchronizującym

ramkę obrazu telewizyjnego

TV-L - generator podstawy czasu jest wyzwalany impulsem synchronizującym

linię obrazu telewizyjnego

SLOPE - przełącznik wyboru zbocza (narastającego „+” lub opadającego „-”),

które wyzwalać będzie generator podstawy czasu

LEVEL HOLDOFF - regulacja poziomu napięcia od którego wyzwalany będzie

generator podstawy czasu ( tryb pracy aktywny tylko przy włączonym
przełączniku NORM)

LEVEL HOLDOFF - (środkowe pokrętło) - regulacja czasu powstrzymania

wyzwolenia generatora podstawy czasu. Wykorzystywane przy
oglądaniu złożonych sygnałów z układów elektronicznych.

TRIG SOURCE - zespół przełączników służących do wyboru źródła sygnału

wyzwalania generatora podstawy czasu:

CH A - wyzwalanie

generatora

podstawy

czasu

sygnałem

mierzonym

doprowadzonym do gniazda INPUT A

CH B - wyzwalanie

generatora

podstawy

czasu

sygnałem

mierzonym

doprowadzonym do gniazda INPUT B

X - wyzwalanie

generatora

podstawy

czasu

sygnałem

mierzonym

doprowadzonym do gniazda X or TRIG INPUT

POSITION FINE

↔

- pokrętło przesuwu zgrubnego i dokładnego (środkowy

potencjometr) obrazu w osi X. Podczas pomiaru czasu (np. okresu
sygnału), pokrętło to powinno być ustawione w prawym skrajnym
położeniu.

X or TRIG INPUT - gniazdo wejściowe sygnału sterującego płytkami

odchylania poziomego, służące także do wyzwalania generatora

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

podstawy czasu sygnałem zewnętrznym. Gniazdo używane do
zdejmowania charakterystyk, np. prądowo - napięciowych.

ASTG - regulacja astygmatyzmu elektrycznego układu optycznego oscyloskopu
INTENSITY - regulacja jasności obrazu
FOCUS - regulacja ostrości obrazu
SCALE ILUM - regulacja oświetlenia siatki naniesionej na ekran
POWER ON/OFF - wyłącznik napięcia sieciowego

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Wymagania BHP

Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest

zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz
przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na
stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed
rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi
wskazanymi przez prowadzącego.

W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad.

♦

Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w
stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie.

♦

Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń.

♦

Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po
wyrażeniu zgody przez prowadzącego.

♦

Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą
obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami
układu znajdującymi się pod napięciem.

♦

Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana
elementów składowych stanowiska pod napięciem.

♦

Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się
odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia.

♦

W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć
wszystkie urządzenia.

♦

Stwierdzone

wszelkie

braki

wyposażeniu

stanowiska

oraz

nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać
prowadzącemu zajęcia.

♦

Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z
urządzeń nie należących do danego ćwiczenia.

♦

W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy
niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą
wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej w
laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego.