Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
2
Politechnika
Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii
Instrukcja do zaj
ę
ć
laboratoryjnych z przedmiotu
METROLOGIA 2
Kod przedmiotu:
F03022
Ć
wiczenie pt.
OSCYLOSKOP ELEKTRONICZNY
Numer
ć
wiczenia
22
Autor
Dr in
Ŝ
. Ryszard Piotrowski
Białystok 2006
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
2
1. Wprowadzenie
elem
ć
wiczenia jest zapoznanie studentów z wła
ś
ciwo
ś
ciami pomocni-
czego sprz
ę
tu pomiarowego, który b
ę
dzie u
Ŝ
ywany przez nich w tra-kcie
ć
wicze
ń
laboratoryjnych z Metrologii. W instrukcji tej zawarte s
ą
opisy,
obja
ś
nienia, wskazówki i pytania kontrolne dotycz
ą
ce najwa
Ŝ
niejszych
Podstawowe wiadomo
ś
ci z zakresu budowy
i zasad działania oscyloskopu analogowego
Oscyloskop jest jednym z najwa
Ŝ
niejszych i najbardziej uniwersalnych
przyrz
ą
dów pomiarowych. Jego cenn
ą
zalet
ą
jest zdolno
ś ć
wy
ś
wietlania na
ekranie nieruchomych obrazów zmiennych w czasie sygnałów elektrycznych.
Stanowi to dla in
Ŝ
yniera zajmuj
ą
cego si
ę
konstruowaniem układów elektro-
nicznych, czy dla fizyka badaj
ą
cego wła
ś
ciwo
ś
ci materii trudn
ą
do przecenienia
warto
ś ć
.
Lampa oscyloskopowa
Lampa ta jest najwa
Ŝ
niejsz
ą
cz
ę ś
ci
ą
oscyloskopu. Na niej to strumie
ń
elektronów kre
ś
li lini
ę
ś
wietln
ą
, odwzorowuj
ą
c
ą
dokładnie przebieg badanego
sygnału w czasie. Lampa oscyloskopowa jest wi
ę
c przetwornikiem elektrolu-
minescencyjnym przetwarzaj
ą
cym wielko
ś ć
elektryczn
ą
na wielko
ś ć
ś
wietln
ą
.
Uproszczony szkic prostej lampy oscyloskopowej przedstawiony jest na
rysunku 1.
C
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
3
P1
R2
R3
R1
G
P2
ew
e
L
E
S
ś
K
A2
A1
+
Rys. 1.Szkic lampy oscyloskopowej
W pró
Ŝ
niowej ba
ń
ce szklanej umieszczonych jest szereg elektrod: katoda,
siatka steruj
ą
ca (cylinder Wehnelta), anoda pierwsza, anoda druga. Ich zadaniem
jest emitowanie swobodnych elektronów, skupianie ich w w
ą
sk
ą
wi
ą
zk
ę
,
przy
ś
pieszanie do du
Ŝ
ych pr
ę
dko
ś
ci, by nada
ć
im odpowiedni
ą
energi
ę
kinetyczn
ą
, wreszcie skierowanie do odpowiedniego punktu ekranu stanowi
ą
-
cego płaszczyzn
ą
układu współrz
ę
dnych prostok
ą
tnych, w którym uzyskiwany
jest obraz przebiegu czasowego badanej wielko
ś
ci. Lampa mo
Ŝ
e by
ć
sterowana
tylko sygnałem napi
ę
ciowym, dlatego dowolna wielko
ś
ć
fizyczna, któr
ą
chcemy
bada
ć
musi by
ć
uprzednio przetworzona na ten sygnał elektryczny.
Patrz
ą
c od lewej strony na szkic z rysunku 1., napotykamy najpierw katod
ę
K b
ę
d
ą
c
ą
ź
ródłem swobodnych elektronów. Jest to najcz
ę
ś
ciej tzw. katoda
tlenkowa opisana ni
Ŝ
ej.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
4
Katoda tlenkowa
Katoda składa si
ę
z rdzenia metalowego,
najcz
ę
ś
ciej niklowego, w kształcie cylin-
dra (rys.2) pokrytego tlenkami metali ziem
alkalicznych
(zwykle
baru,
strontu,
wapnia) albo tlenkami toru. Warstwa
tlenków
ma
grubo
ś
ć
10
µ
m
÷
100
µ
m
(1
µ
m=10
-6
m) i wykazuje du
Ŝ ą
porowa-
to
ś
ć
(obj
ę
to
ś
ć
porów stanowi 65% - 85%
obj
ę
to
ś
ci warstwy). Katoda grzana jest
po
ś
rednio do temperatury ok. 800
0
C przez
spiral
ę
grzejn
ą
umieszczon
ą
wewn
ą
trz
cylindra katody.
warstwa
emisyjna
cylinder
niklowy
spirala grzejna
Rys. 2. Szkic katody tlenkowej o
grzaniu po
ś
rednim
Dzi
ę
ki bifilarnemu wykonaniu drutu grzejnego (nie jest to uwidocznione na
szkicu), nie wyst
ę
puje wokół niej pole magnetyczne pr
ą
du grzejnego. Napi
ę
cie
zasilaj
ą
ce grzejnik
ś
(rys.1) wynosi zwykle 6,3V.
Dzi
ę
ki znacznej bezwładno
ś
ci cieplnej, w katodzie grzanej po
ś
rednio nie
wyst
ę
puj
ą
wahania temperatury przy zasilaniu pr
ą
dem zmiennym. Katody grzane
po
ś
rednio wykazuj
ą
ponadto wi
ę
ksz
ą
ni
Ŝ
katody o grzaniu bezpo
ś
rednim
sztywno
ś ć
i wytrzymało
ś ć
mechaniczn
ą
.
Cylinder Wehnelta
Katoda K otoczona jest kolejn
ą
z rz
ę
du elektrod
ą
lampy, tzw. cylindrem
Wehnelta b
ę
d
ą
cym siatk
ą
steruj
ą
c
ą
S lampy. W czołowej płaszczy
ź
nie tej
elektrody znajduje si
ę
niewielki otworek (rys.3), przez który wydostaje si
ę
cz
ę ś ć
elektronów emitowanych przez katod
ę
. Steruj
ą
ca rola siatki (nazwa nie
adekwatna do wygl
ą
du tego elementu, odpowiadaj
ą
ca jednak funkcji, jak
ą
on
wypełnia) polega na regulacji liczby elektronów w wi
ą
zce docieraj
ą
cej do ekranu
i tym samym sterowaniu jasno
ś
ci
ą
jego
ś
wiecenia w danym punkcie
i
w danej chwili. Ma to, jak si
ę
przekonamy, wa
Ŝ
ne znaczenie praktyczne.
Z rysunku 1 wynika,
Ŝ
e siatka S ma potencjał ujemny wzgl
ę
dem katody i od
warto
ś
ci tego potencjału zale
Ŝ
y stopie
ń
hamowania przez ni
ą
elektronów, co
wymownie pokazuje rysunek 3.
Cylinder Wehnelta chroni jednocze
ś
nie delikatn
ą
katod
ę
przed bombardo-
waniem przez jony dodatnie, których pewna liczba zawsze znajduje si
ę
wewn
ą
trz
lampy. Tworz
ą
je pozostałe, mimo starannego odpompowania powietrza,
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
5
zjonizowane cz
ą
steczki gazu, przyci
ą
gane z racji swego dodatniego ładunku
przez katod
ę
.
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
ę
: a) siatka ma niewielki potencjał ujemny wzgl
ę
dem
katody (słabe hamowanie elektronów), b) du
Ŝ
y potencjał ujemny siatki (silne
hamowanie elektro- nów)
Elektrony, które przedostały si
ę
przez otworek w cylindrze Wehnelta s
ą
przyci
ą
gane i tym samym przy
ś
pieszane przez anod
ę
A1
o dodatnim potencjale
wzgl
ę
dem katody. Anoda ta ma kształt cylindra z przegrodami wewn
ę
trznymi
wychwytuj
ą
cymi elektrony, które z ró
Ŝ
nych przyczyn wybiegły poza w
ą
sk
ą
wi
ą
zk
ę
, formowaniem której zajmuje si
ę
wła
ś
nie anoda A1. Odpowiedni dobór
kształtu tej elektrody słu
Ŝ
y wytwarzaniu pola elektrycznego skupiaj
ą
cego
elektrony w w
ą
sk
ą
wi
ą
zk
ę
. Wspomaga j
ą
w tym działaniu nast
ę
pna elektroda -
anoda A2 , która ma jeszcze wy
Ŝ
szy potencjał dodatni wzgl
ę
dem katody (od
1500V do 5000 V). Jej głównym zadaniem jest ostateczne przy
ś
pieszanie
elektronów i nadawanie im ko
ń
cowej pr
ę
dko
ś
ci, od której zale
Ŝ
y skutek
ś
wietlny
uderzenia elektronów w luminofor L pokrywaj
ą
cy wewn
ę
trzn
ą
powierzchni
ę
ekranu E. Dla przykładu, pr
ę
dko
ś ć
elektronów uderzaj
ą
cych w luminofor osi
ą
ga
warto
ś ć
20 000 km/s, je
Ŝ
eli napi
ę
cie mi
ę
dzy katod
ą
i anoda drug
ą
wynosi
1000V. Dodajmy jeszcze,
Ŝ
e w wyniku „oczyszczaj
ą
cego” działania cylindra
Wehnelta, oraz anod A1 i A2, tylko od 5% do 20% elektronów emitowanych
przez katod
ę
dociera do ostatecznego celu swojej w
ę
drówki, jakim jest luminofor
pokrywaj
ą
cy wewn
ę
trzn
ą
powierzchni
ę
lampy.
Grupa elektrod: katoda, cylinder Wehnelta i obie anody nosi nazw
ę
wyrzutni elektronowej, zwanej czasem tak
Ŝ
e działem elektronowym.
Luminofor i zjawisko emisji wtórnej
Luminofor L (rys.1) jest to substancja półprzewodnikowa pokrywaj
ą
ca od
strony wewn
ę
trznej ekran lampy oscyloskopowej. W warstwie tej dokonuje si
ę
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
6
ostatni etap przetwarzania mierzonego sygnału napi
ę
ciowego na sygnał
ś
wietlny.
Luminofory s
ą
to siarczki lub tlenki metali takich jak kadm, wap
ń
, beryl,
magnez, krzem z dodatkiem tzw. aktywatorów, to znaczy zwi
ę
kszaj
ą
cych
zdolno
ś ć
luminescencyjn
ą
niewielkich domieszek manganu, srebra, miedzi.
Luminofory
ś
wiec
ą
pod wpływem bombardowania przez rozp
ę
dzone do du
Ŝ
ych
pr
ę
dko
ś
ci elektrony. Zjawisko to nosi nazw
ę
elektroluminescencji. W wyniku
zderzenia elektronów z warstw
ą
luminoforu, nast
ę
puje zamiana cz
ę ś
ci energii
kinetycznej tych cz
ą
steczek na energi
ę
ś
wietln
ą
. Pozostała cz
ę ś ć
energii zu
Ŝ
yta
zostaje na wybicie z luminoforu tzw. elektronów wtórnych ew (rys.1), które
zmierzaj
ą
do warstwy grafitowej G, sk
ą
d zostaj
ą
odprowadzone do dodatniego
bieguna
ź
ródła zasilania. W ten sposób zostaje zamkni
ę
ty obwód pr
ą
du
wypływaj
ą
cego z bieguna ujemnego tego
ź
ródła. Mowa tu oczywi
ś
cie o kie-
runku rzeczywistym przepływu pr
ą
du, to znaczy kierunku ruchu elektronów.
Interesuj
ą
cym zagadnieniem jest mechanizm samoczynnej regulacji liczby
elektronów wtórnych zapewniaj
ą
cej jednakowe nat
ę Ŝ
enie pr
ą
du w ka
Ŝ
-dym
punkcie nierozgał
ę
zionego obwodu elektrycznego. Liczba tych elektronów zale
Ŝ
y
od rodzaju luminoforu i napi
ę
cia przy
ś
pieszaj
ą
cego (napi
ę
cia mi
ę
dzy katod
ą
i
drug
ą
anod
ą
). Istnieje pewna minimalna warto
ś ć
napi
ę
cia przy
ś
pieszaj
ą
cego U
0
,
przy której liczba elektronów wtórnych staje si
ę
równa liczbie elektronów
pierwotnych (padaj
ą
cych na luminofor). Je
Ŝ
eli napi
ę
cie przy
ś
pieszaj
ą
ce ma
warto
ś ć
mniejsz
ą
od
U
0
,
liczba
elektronów
wybijanych
z luminoforu jest mniejsza od liczby elektronów pierwotnych, w wyniku czego
ekran ładuje si
ę
ujemnie, działaj
ą
c coraz bardziej odpychaj
ą
co na elektrony
przybywaj
ą
ce od strony katody. W ko
ń
cu dopływ elektronów pierwotnych do
ekranu ustaje całkowicie, uniemo
Ŝ
liwiaj
ą
c normalne funkcjonowanie lampy. Gdy
napi
ę
cie przy
ś
pieszaj
ą
ce ma warto
ś ć
wi
ę
ksz
ą
od U
0
, liczba elektronów
wybijanych z luminoforu staje si
ę
wi
ę
ksza od liczby elektronów padaj
ą
cych,
w wyniku czego ekran zaczyna ładowa
ć
si
ę
dodatnio i jego potencjał staje si
ę
wy
Ŝ
szy od potencjału warstwy grafitowej. Mi
ę
dzy ekranem a warstw
ą
grafitow
ą
powstaje wtedy pole elektryczne hamuj
ą
ce ruch elektronów wtórnych i
zawracaj
ą
ce ich cz
ę ś ć
do ekranu. Wzrost potencjału ekranu trwa dot
ą
d, dopóki
nie zostanie przywrócona równowaga mi
ę
dzy liczb
ą
elektronów pierwotnych
i wtórnych.
Jedn
ą
z cech luminoforu jest jego czas po
ś
wiaty. Jest to czas, jaki upływa
od chwili znikni
ę
cia pobudzenia (strumienia elektronów) do chwili gdy
luminancja (jaskrawo
ś ć
ekranu) zmaleje do 1% warto
ś
ci pocz
ą
tkowej.
Stosowane s
ą
luminofory o krótkim czasie po
ś
wiaty,5
÷
50 µs, o
ś
rednim czasie
po
ś
wiaty, 10
÷
50 ms (do fotografowania obrazu) oraz o długim czasie po
ś
wiaty,
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
7
rz
ę
du pojedynczych sekund (do obserwowania przebiegów jednokrotnych,
a tak
Ŝ
e w radiolokacji).
W celu zmniejszenia strat
ś
wiatła stosuje si
ę
napylanie luminoforu od
wewn
ę
trznej strony lampy cienk
ą
warstw
ą
aluminium o grubo
ś
ci 50
∗
10
-6
mm
÷
500
∗
10
-6
mm. Tak cienka powłoka aluminiowa praktycznie bez strat
przepuszcza elektrony, natomiast skutecznie odbija
ś
wiatło. Spełnia przy tym
jeszcze jedn
ą
po
Ŝ
yteczn
ą
funkcj
ę
, chroni mianowicie luminofor przed
bombardowaniem ujemnych jonów, co czyni zbyteczn
ą
tzw. pułapk
ę
jonow
ą
stosowan
ą
w starszych konstrukcjach lamp oscyloskopowych.
Odchylanie strumienia elektronów
Pozostałe do omówienia elektrody lampy oscyloskopowej, to znaczy płytki
odchylaj
ą
ce P1 i P2 (rys.1) maj
ą
za zadanie zmienia
ć
kierunek lotu elektronów.
Przykładane do tych płytek zmienne w czasie napi
ę
cie, odzwierciedla
odpowiednio: warto
ś ć
chwilow
ą
(y) obrazowanej na ekranie wielko
ś
ci (płytki P1)
oraz odpowiadaj
ą
c
ą
tej warto
ś
ci chwil
ę
czasu (x) (płytki P2). Pozwala to na
narysowanie
linii
ś
wietlnej
przedstawiaj
ą
cej
dan
ą
wielko
ś ć
w układzie współrz
ę
dnych prostok
ą
tnych y,x. Płytki P1 zwane s
ą
płytkami
odchylania pionowego, albo płytkami odchylania Y, za
ś
płytki P2 - płytkami
odchylania poziomego, albo płytkami odchylania X. Ich rzeczywisty kształt
jest bardziej wyrafinowany ni
Ŝ
ten pokazany na rysunku 1.
Mechanizmy odchylania wi
ą
zki elektronów
Odchylanie wi
ą
zki elektronów mo
Ŝ
e by
ć
elektryczne lub magnetyczne.
Odchylanie elektryczne
W przypadku odchylania elektrycznego, mi
ę
dzy płytkami odchylania
pionowego P1 lub płytkami odchylania poziomego P2 wytwarzane jest pole
elektryczne. Jedna z płytek ka
Ŝ
dej pary mo
Ŝ
e by
ć
poł
ą
czona na stałe z uzie-
mieniem (rys.1). Od wpływu obcych pól elektrycznych płytki chronione s
ą
przez
warstw
ę
grafitu G, naniesion
ą
na wewn
ę
trzn
ą
powierzchni
ę
ba
ń
ki i poł
ą
-czon
ą
z
anod
ą
A
2
, która jest uziemiona.
Zalet
ą
odchylania elektrycznego jest mo
Ŝ
liwo
ś ć
stosowania go w zakre-
esie wielkich cz
ę
stotliwo
ś
ci sygnału mierzonego si
ę
gaj
ą
cych 1 GHz.
Zalet
ą
odchylania elektrycznego jest tak
Ŝ
e mała moc potrzebna do
uzyskania wymaganego odchylenia elektronów.
Dalsz
ą
zalet
ą
tego rodzaju odchylania jest to,
Ŝ
e tor ruchu nie zale
Ŝ
y od
stosunku ładunku elektrycznego do masy cz
ą
stek, w zwi
ą
zku z czym ujemnie
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
8
naładowane jony gazów lub cz
ą
stek emitowanych przez katod
ę
b
ę
d
ą
miały taki
sam tor jak elektrony i pada
ć
b
ę
d
ą
na ekran w tym samym miejscu. Zapobiega to
rozmyciu punktu
ś
wietlnego i chroni luminofor przed szybkim zu
Ŝ
yciem,
które miałoby miejsce, gdyby ci
ę Ŝ
kie jony (kilka tysi
ę
cy razy ci
ę Ŝ
sze od
elektronu), nie podlegaj
ą
c dostatecznemu odchylaniu (jak ma to miejsce przy
odchylaniu magnetycznym), uderzały ci
ą
gle w ten sam
ś
rodkowy obszar ekranu.
Wad
ą
odchylania elektrycznego jest stosunkowo du
Ŝ
a zale
Ŝ
no
ś ć
czuło
ś
ci
od napi
ę
cia przy
ś
pieszaj
ą
cego drugiej anody. Du
Ŝ
emu napi
ę
ciu tej anody
mianowicie odpowiada du
Ŝ
a pr
ę
dko
ś ć
elektronów, dla których odchylania
potrzebne jest wi
ę
ksze napi
ę
cie przykładane do płytek odchylaj
ą
cych, co
oznacza oczywi
ś
cie mniejsz
ą
czuło
ś ć
systemu odchylania. Je
Ŝ
eli zało
Ŝ
ymy
okre
ś
lon
ą
warto
ś ć
czuło
ś
ci, to zwi
ę
kszenie napi
ę
cia drugiej anody zmusza do
wydłu
Ŝ
enia lampy oscyloskopowej dla uzyskania odpowiedniej wielko
ś
ci obrazu
na ekranie.
Zauwa
Ŝ
my,
Ŝ
e maksymalny k
ą
t odchylania w lampach o odchylaniu
elektrycznym jest mniejszy ni
Ŝ
w lampach o odchylaniu magnetycznym. K
ą
t
zawarty mi
ę
dzy skrajnymi poło
Ŝ
eniami strumienia przy odchylaniu elektrycznym
wynosi 25
0
- 30
0
.
Odchylanie magnetyczne.
W celu realizacji odchylania magnetycznego umieszcza si
ę
na zewn
ą
trz
lampy wokół szyjki, przy ostatniej elektrodzie wyrzutni elektronowej dwie pary
cewek odchylaj
ą
cych, których osie magnetyczne ustawione s
ą
wzgl
ę
dem siebie
pod k
ą
tem prostym. Przez ka
Ŝ
d
ą
par
ę
cewek przepływa pr
ą
d steruj
ą
cy, który
wytwarza pole magnetyczne skierowane prostopadle do osi podłu
Ŝ
nej lampy.
Istotn
ą
wad
ą
odchylania magnetycznego jest to, i
Ŝ
odchylenie cz
ą
steczki jest tu,
w przeciwie
ń
stwie do odchylania elektrycznego , zale
Ŝ
ne od stosunku ładunku
elektrycznego cz
ą
steczki do jej masy. Ci
ę Ŝ
sze jony odchylane s
ą
znacznie słabiej
ni
Ŝ
lekkie elektrony i padaj
ą
na
ś
rodkowa cz
ę ś ć
ekranu, przy
ś
pieszaj
ą
c zu
Ŝ
ycie
luminoforu w tym obszarze. Zmuszało to w przeszło
ś
ci konstruktora do
stosowania tzw. pułapek jonowych, wychwytuj
ą
cych jony i nie dopuszcza-
j
ą
cych ich do ekranu. Obecnie pułapki jonowe nie s
ą
stosowane, poniewa
Ŝ
luminofor od strony wyrzutni elektronów pokrywany jest cienk
ą
warstw
ą
aluminium (ekran metalizowany). Warstwa ta nie stanowi istotnej przeszkody dla
niewielkich elektronów, zatrzymuje natomiast skutecznie o wiele wi
ę
ksze jony.
Zalet
ą
odchylania magnetycznego w porównaniu z elektrycznym jest
mniejsza zale
Ŝ
no
ś ć
czuło
ś
ci odchylania od napi
ę
cia przy
ś
pieszaj
ą
cego (czuło
ś ć
jest tu odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z napi
ę
cia
przy
ś
pieszaj
ą
cego, gdy tymczasem przy odchylaniu elektrycznym czuło
ś ć
jest
odwrotnie proporcjonalna do tego napi
ę
cia).
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
9
Kolejn
ą
zalet
ą
odchylania magnetycznego w porównaniu z elektrycznym
jest prostsza budowa wewn
ę
trzna lampy oscyloskopowej, poniewa
Ŝ
układ
odchylaj
ą
cy znajduje si
ę
na zewn
ą
trz lampy. Odchylanie magnetyczne powoduje
mniejsze rozogniskowanie wi
ą
zki elektronów, dzi
ę
ki czemu mo
Ŝ
liwe jest
uzyskanie du
Ŝ
ych warto
ś
ci k
ą
ta odchylania, którego typowa warto
ś ć
dla
współczesnych konstrukcji wynosi 110
0
. W rezultacie otrzymuje si
ę
korzystny
kształt lampy, a wi
ę
c mały stosunek jej długo
ś
ci do
ś
rednicy lub przek
ą
tnej
ekranu. Dla lamp o odchylaniu elektrycznym stosunek ten zawiera si
ę
w gra-
nicach 2,5 -3,5, natomiast dla lamp o odchylaniu magnetycznym wynosi on
0,7 - 0,8.
Wad
ą
odchylania magnetycznego jest stosunkowo du
Ŝ
a moc pobierana ze
ź
ródła pr
ą
du odchylaj
ą
cego. Ponadto odchylanie magnetyczne nie mo
Ŝ
e by
ć
stosowane przy zbyt du
Ŝ
ych cz
ę
stotliwo
ś
ciach, z uwagi na wzrost reaktancji
cewek oraz wzrost strat przy powi
ę
kszaniu cz
ę
stotliwo
ś
ci. Maksymalna
cz
ę
stotliwo
ś ć
, przy której stosowane by
ć
mo
Ŝ
e odchylanie magnetyczne jest
rz
ę
du 50 kHz. Wada ta, mówi
ą
c nawiasem, nie ma istotnego znaczenia
w kineskopach odbiorników telewizyjnych, w których cz
ę
stotliwo
ś ć
odchylania
pionowego wynosi 50 Hz, poziomego za
ś
ok. 15 kHz.
Układy elektroniczne oscyloskopu
Zajmiemy si
ę
teraz układami elektrycznymi, których rol
ą
jest
przetwarzanie sygnałów doprowadzanych do wej
ś
cia oscyloskopu w celu
przystosowania ich do wymogów lampy oscyloskopowej, a tak
Ŝ
e układami
odpowiedzialnymi za generowanie okresowych sygnałów niezb
ę
dnych tak
Ŝ
e do
sterowania prac
ą
lampy.
Omówione dalej układy, zwłaszcza za
ś
organy regulacyjne i ich ozna-
czenia b
ę
d
ą
odnosiły si
ę
do oscyloskopu OS-351. Pozwoli to na skupienie si
ę
na
konkretnym urz
ą
dzeniu i unikni
ę
cie rozpraszaj
ą
cych uwag
ę
dygresji.
Wspomniany oscyloskop ma wiele typowych układów, które spotka
ć
mo
Ŝ
na
w innych oscyloskopach, gdzie mog
ą
by
ć
inaczej oznaczone, za
ś
ich organy
regulacyjne mog
ą
wyst
ę
powa
ć
w nieco innym zestawieniu. Zrozumienie roli
opisywanych ni
Ŝ
ej układów i regulatorów pozwoli łatwo rozszyfrowa
ć
znaczenie
podobnych układów w innych typach oscyloskopów.
Oscyloskop jednostrumieniowy, dwukanałowy
Oscyloskop OS-351 jest przyrz
ą
dem jednostrumieniowym, co oznacza,
Ŝ
e wewn
ą
trz lampy istnieje tylko jedna wyrzutnia elektronów i co za tym idzie
jeden strumie
ń
elektronów. Istniej
ą
jednak oscyloskopy o wi
ę
kszej liczbie
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
10
wyrzutni, s
ą
jednak raczej rzadko spotykane ze wzgl
ę
du na wysoki stopie
ń
komplikacji i zwi
ą
zane z tym koszty produkcji.
Oscyloskop OS-351 jest jednocze
ś
nie przyrz
ą
dem dwukanałowym, co
oznacza,
Ŝ
e na jego ekranie mog
ą
by
ć
ogl
ą
dane jednocze
ś
nie przebiegi dwóch
ró
Ŝ
nych sygnałów. Taka mo
Ŝ
liwo
ś ć
jest podstawowym wymogiem stawianym
nawet prostym konstrukcjom oscyloskopów. Dwukanałowo
ś ć
wymaga wbudo-
wania do przyrz
ą
du dwóch oddzielnych zestawów urz
ą
dze
ń
(gniazd wej-
ś
ciowych, przeł
ą
czników, regulatorów, tłumików, wzmacniaczy, itp.). Oscylo-
skop dwukanałowy ma tak
Ŝ
e pewne układy elektroniczne wspólne dla obydwu
kanałów, np. generator podstawy czasu, wzmacniacz ko
ń
cowy, przeł
ą
cznik
elektroniczny, itp. Ni
Ŝ
ej omówione zostan
ą
układy wyst
ę
puj
ą
ce tylko w jednym
kanale, nast
ę
pnie za
ś
układy wspólne.
Układy wej
ś
ciowe oscyloskopu
Na rysunku 4. przedstawione zostały blokowo typowe układy wej
ś
ciowe
oscyloskopu, przy czym podane na nim oznaczenia dotycz
ą
oscyloskopu OS-351.
Pokazane bloki stanowi
ą
fragment tak zwanego toru odchylania pionowego,
albo toru Y. Badany sygnał jest w nim przetwarzany do takiej postaci, by mógł
wysterowa
ć
płytki odchylania pionowego i da
ć
mo
Ŝ
liwie wierny obraz swojej
zmienno
ś
ci w czasie.
Wej
ś
ciem do jednego z kanałów oscyloskopu (tutaj kanału A) jest gniazdo
typu BNC oznaczone jako INPUT A. St
ą
d sygnał mierzony mo
Ŝ
e by
ć
przy
pomocy trójpoło
Ŝ
eniowego przeł
ą
cznika skierowany do TŁUMIKA jednym z
trzech torów:
•
tor ALT (sprz
ę Ŝ
enie AC)
•
tor DC (sprz
ę Ŝ
enie DC)
•
tor GND
INPUT A
WZMAC
NIACZ
Y
47pF
47pF
GND
DC
1 M
Ω
ALT
POSITION
do przeł
ą
cz-
nika elektro-
nicznego
do generatora
podstawy
czasu
VAR. CAL
WTÓR
NIK
TŁU-
MIK
Rys. 4.Układy wej
ś
ciowe oscyloskopu
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
11
W torze ALT znajduj
ą
cy si
ę
tam kondensator odcina z sygnału ewentualn
ą
składow
ą
stał
ą
. Składowa ta mo
Ŝ
e mie
ć
niekiedy znaczn
ą
warto
ś ć
i powodowa
ć
znikni
ę
cie z pola widzenia nało
Ŝ
onej na ni
ą
niewielkiej składowej
zmiennej, która jest cz
ę
sto jedyna interesuj
ą
c
ą
nas cz
ę ś
ci
ą
sygnału badanego.
Tak wi
ę
c tor ALT (zwany cz
ę
sto sprz
ę Ŝ
eniem AC) nale
Ŝ
y wybra
ć
, gdy zale
Ŝ
y
nam na obserwowaniu sygnału zmiennego zawieraj
ą
cego składow
ą
stał
ą
, która
nas nie interesuje.
W torze DC sygnał wej
ś
ciowy jest doprowadzany bezpo
ś
rednio do
TŁUMIKA. Z toru tego korzystamy w przypadku, gdy mierzymy (obserwujemy)
sygnały stałe, albo sygnały zmienne ze składowa stał
ą
, która nas interesuje.
Pozycja GND przeł
ą
cznika powoduje uziemienie wej
ś
cia oscyloskopu
i pozwala ustawi
ć
wy
ś
wietlan
ą
lini
ę
poziom
ą
na osi zerowej podziałki ekranu
oscyloskopu. Dzi
ę
ki temu mo
Ŝ
liwe jest potem zmierzenie warto
ś
ci sygnału
badanego wzgl
ę
dem masy (ziemi). Gdy wspomniany przeł
ą
cznik torów) znajdzie
si
ę
w pozycji GND, sprz
ę
gni
ę
ty z nim mechanicznie inny przeł
ą
cznik,
spowoduje skierowanie sygnału mierzonego na obci
ą Ŝ
enie zbli
Ŝ
one do tego jakie
powoduje oscyloskop. Stanowi to udogodnienie dla mierz
ą
cego, który nie musi
podczas ustawiania linii zerowej odł
ą
cza
ć
od gniazda wej
ś
ciowego kabla
przył
ą
czeniowego.
Tłumik
Jest to rezystancyjny dzielnik napi
ę
cia (rys.5) o skokowo regulowanym
stopniu tłumienia
β
napi
ę
cia wej
ś
ciowego (U
we
).
U
we
U
wy
C
2
C
1
R
2
R
1
Rys. 5. Schemat tłumika wej
ś
ciowego oscyloskopu
Zadaniem tłumika jest zmniejszanie warto
ś
ci sygnałów wej
ś
ciowych i za-
pobieganie przesterowaniu stopni wej
ś
ciowych wzmacniacza Y (rys.1).
Wielko
ś
ci
ą
charakteryzuj
ą
c
ą
tłumik jest współczynnik tłumienia
β
:
β
=
=
+
U
U
R
R
R
wy
we
2
1
2
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
12
Współczynnik
β
nie zale
Ŝ
y od cz
ę
stotliwo
ś
ci sygnału wej
ś
ciowego, je
Ŝ
eli
do rezystora R
1
doł
ą
czona jest pojemno
ś ć
C
1
o warto
ś
ci spełniaj
ą
cej równanie:
R C
R C
1 1
2
2
=
gdzie C
2
jest pojemno
ś
ci
ą
zast
ę
pcz
ą
pojemno
ś
ci monta
Ŝ
owych i pojemno
ś
ci
wej
ś
ciowej
WTÓRNIKA.
Je
Ŝ
eli spełniona jest powy
Ŝ
sza równo
ś ć
mówimy,
Ŝ
e dzielnik jest
skompensowany, co oznacza,
Ŝ
e impuls wyj
ś
ciowy zachowuje kształt impulsu
wej
ś
ciowego. Na rys.6 pokazano przypadki skompensowania, przekompenso-
wania i niedokompensowania dzielnika.
U
wy
U
wy
U
we
t
t
sygnał wej
ś
ciowy
dzielnik skompensowany
dzielnik niedokom-
pensowany
U
wy
t
t
dzielnik przekompensowany
R
1
C
1
<
R
2
C
2
R
1
C
1
>
R
2
C
2
R
1
C
1
= R
2
C
2
β
U
we
β
U
we
β
U
we
Rys.6. Odpowiedzi dzielnika (U
wy
) na wymuszenie impulsem prostok
ą
tnym dla:
•
dzielnika skompensowanego
•
dzielnika przekompensowanego
•
dzielnika niedokompensowanego
Złe skompensowanie dzielnika powoduje wzrost bł
ę
dów pomiaru. Tłumiki s
ą
tak
konstruowane aby pojemno
ś ć
wej
ś
ciowa C
we
:
C
C C
C
C
we
=
+
1 2
1
2
miała jednakow
ą
warto
ś ć
dla wszystkich pozycji przeł
ą
cznika współczynnika
tłumienia
β
.
W oscyloskopie OS-351 przeł
ą
cznik ten oznaczony jest „VAR.CAL”
(rys.4). Jest to bardzo wa
Ŝ
ny przeł
ą
cznik. Przy jego pomocy u
Ŝ
ytkownik mo
Ŝ
e
skokowo regulowa
ć
wysoko
ś ć
obrazu na ekranie lampy oraz, co najwa
Ŝ
niejsze,
odczytywa
ć
warto
ś ć
amplitudy mierzonego sygnału. Poszczególne pozycje
przeł
ą
cznika opisane s
ą
bowiem warto
ś
ciami współczynnika odchylania
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
13
(pionowego) wyra
Ŝ
onego w V/cm albo mV/cm. Pomiar amplitudy (albo
dowolnej warto
ś
ci chwilowej) sygnału polega na odczytaniu wysoko
ś
ci jego
obrazu w centymetrach i pomno
Ŝ
eniu jej przez wspomniany współczynnik od-
chylania.
W oscyloskopach stosowane s
ą
dwa rodzaje tłumików:
•
tłumiki o du
Ŝ
ej rezystancji wej
ś
ciowej ( 1 M
Ω
)
•
tłumiki o małej rezystancji wej
ś
ciowej ( 50
Ω
lub 75
Ω
)
W tłumiku o rezystancji wej
ś
ciowej 50
Ω
negatywny wpływ pojemno
ś
ci
monta
Ŝ
owych jest znacznie mniejszy i dlatego tłumik taki jest czysto
rezystancyjny (bez kondensatorów). Tłumiki o rezystancji wej
ś
ciowej 50
Ω
s
ą
stosowane w oscyloskopach o pa
ś
mie powy
Ŝ
ej 150 MHz.
Ze wzrostem cz
ę
stotliwo
ś
ci rezystory w tłumiku nale
Ŝ
y traktowa
ć
jako
elementy o stałych rozło
Ŝ
onych, w wyniku czego rezystancja wej
ś
ciowa w fun-
kcji cz
ę
stotliwo
ś
ci maleje. Tak wi
ę
c rezystancja wej
ś
ciowa oscyloskopu ma
warto
ś ć
1M
Ω
tylko dla pr
ą
du stałego i małych cz
ę
stotliwo
ś
ci.
Wtórnik
Jest to wzmacniacz o współczynniku wzmocnienia napi
ę
ciowego w przy-
bli
Ŝ
eniu równym jedno
ś
ci, nie odwracaj
ą
cy w dodatku fazy napi
ę
cia
wyj
ś
ciowego wzgl
ę
dem napi
ę
cia wej
ś
ciowego, a wi
ę
c powtarzaj
ą
cy na wyj
ś
ciu
sygnał wej
ś
ciowy (st
ą
d jego nazwa). Podstawow
ą
jego cech
ą
, dla której
wykorzystuje si
ę
go, jest du
Ŝ
a rezystancja wej
ś
ciowa i mał
ą
wyj
ś
ciowa.
Wzmacniacz ten stanowi wi
ę
c swoisty transformator rezystancji, wykorzys-
tywany do sprz
ę
gania
ź
ródła sygnału o du
Ŝ
ej rezystancji wyj
ś
ciowej z odbior-
nikiem o małej rezystancji wej
ś
ciowej. W oscyloskopie wtórnik separuje
ź
ródło
sygnału mierzonego od wzmacniacza odchylania pionowego (Y), nie
dopuszczaj
ą
c w ten sposób do nadmiernego obci
ą Ŝ
enia pr
ą
dowego tego
ź
ródła,
zniekształcenia sygnału mierzonego, a co za tym idzie, zapobiega powstawaniu
nadmiernego bł
ę
du pomiaru.
Wzmacniacz odchylania pionowego
Wzmacniacz ten (rys.4) wzmacnia wst
ę
pnie sygnał badany zmierzaj
ą
cy do
płytek odchylania pionowego. Jego współczynnik wzmocnienia jest regulowany
w sposób płynny przy pomocy
ś
rodkowego pokr
ę
tła oznaczonego w
oscyloskopie OS-531 „VAR CAL”. Regulacja wzmocnienia pozwala zmienia
ć
wysoko
ś ć
obrazu na ekranie, zwi
ę
kszaj
ą
c w ten sposób jego czytelno
ś ć
. Podczas
pomiarów jednak pokr
ę
tło wzmocnienia musi znajdowa
ć
si
ę
w
ś
ci
ś
le
okre
ś
lonym poło
Ŝ
eniu, najcz
ę ś
ciej prawym skrajnym. Tylko wtedy bowiem
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
14
prawdziwe s
ą
potrzebne przy pomiarach, warto
ś
ci współczynnika odchylania (w
mV/cm lub V/cm) naniesione wokół przeł
ą
cznika stopnia tłumienia tłumika.
W oscyloskopie OS-351 oba organy regulacyjne: współczynnika tłumienia
i płynnej regulacji wzmocnienia skupione s
ą
w jednym miejscu i opi-sane jako
„VAR CAL” przy czym
ś
rodkowe pokr
ę
tło słu
Ŝ
y do płynnej regulacji
wzmocnienia, za
ś
stosowna strzałka wymownie informuje o wymaganym
poło
Ŝ
eniu tego pokr
ę
tła podczas pomiarów.
Je
Ŝ
eli sygnał wej
ś
ciowy jest zbyt du
Ŝ
y, to pomi
ę
dzy
ź
ródłem sygnału a
wej
ś
ciem wzmacniacza wł
ą
cza si
ę
omówiony wcze
ś
niej tłumik, odpowiednio
zmniejszaj
ą
cy amplitud
ę
tego sygnału.
Ze wzmacniaczem odchylania pionowego zwi
ą
zany jest jeszcze jeden
organ regulacyjny, oznaczony w oscyloskopie OS-351 „POSITION”. Przy jego
pomocy u
Ŝ
ytkownik mo
Ŝ
e przesuwa
ć
nieruchomy obraz w kierunku pionowym,
co jest konieczne w przypadku, gdy na ekranie wy
ś
wietlane s
ą
obrazy dwóch
sygnałów i korzystnie jest umie
ś
ci
ć
je jeden nad drugim, np. na górze sygnał
wej
ś
ciowy badanego układu, na dole za
ś
jego sygnał wyj
ś
ciowy.
Po wzmocnieniu sygnał w
ę
druje dalej do przeł
ą
cznika elektronicznego
(rys.4). Cz
ę ś ć
sygnału odprowadza si
ę
do układu synchronizacyjnego
generatora podstawy czasu. Obydwa te układy b
ę
d
ą
omówione w dalszej cz
ę ś
ci
wykładu.
Parametry charakteryzuj
ą
ce tor Y oscyloskopu
Mówi
ą
c o torze odchylania pionowego, wypada okre
ś
li
ć
najwa
Ŝ
niejsze
parametry oscyloskopu, zwi
ą
zanymi z tym torem. S
ą
nimi:
•
pasmo oscyloskopu
•
czas narastania
•
współczynnik odchylania
Pasmo oscyloskopu jest to zakres cz
ę
stotliwo
ś
ci sygnałów badanych
zawartych mi
ę
dzy dwiema warto
ś
ciami: doln
ą
f
1
oraz górn
ą
f
2
, przy których
wzmocnienie maleje o 3 dB w stosunku do wzmocnienia dla małych cz
ę
stotli-
wo
ś
ci, to znaczy maleje do warto
ś
ci równej 0,707 wzmocnienia tych cz
ę
stotli-
wo
ś
ci.
Od strony małych cz
ę
stotliwo
ś
ci pasmo ograniczone jest stałymi
czasowymi układów sprz
ę
gaj
ą
cych (AC), a przy sprz
ę Ŝ
eniu stałopr
ą
dowym (DC)
zaczyna si
ę
od 0 Hz.
Od strony wysokich cz
ę
stotliwo
ś
ci pasmo ograniczaj
ą
pojemno
ś
ci i indu-
kcyjno
ś
ci monta
Ŝ
owe wzmacniacza oraz parametrów tranzystorów.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
15
W oscyloskopach o du
Ŝ
ych czuło
ś
ciach pasmo si
ę
ga kilkuset kHz,
natomiast w oscyloskopach szerokopasmowych, mniej czułych, si
ę
ga 500 MHz i
wi
ę
cej.
Je
ś
li za
ś
chodzi o sygnał znacznie odbiegaj
ą
cy kształtem od sinusoidy,
istotna jest wierno
ś ć
, z jaka oscyloskop oddaje jego kształt. Miar
ą
wierno
ś
ci jest
odpowied
ź
wzmacniacza na impuls prostok
ą
tny o krótkim czasie narastania.
Wzmacniacz rzeczywisty odbiega od idealnego, a miar
ą
jego jako
ś
ci jest
m. in. czas narastania.
Czas narastania (opadania) impulsu (t
n
) jest to czas, w którym zbocze
przednie (tylne) impulsu prostok
ą
tnego zmienia si
ę
od 10% do 90% (od 90% do
10%) amplitudy impulsu. W przypadku wzmacniaczy czas narastania (opadania)
okre
ś
la nast
ę
puj
ą
ca zale
Ŝ
no
ś ć
:
[ ]
[
]
t
ns
f
MHz
n
=
350
2
gdzie f
2
oznacza górn
ą
cz
ę
stotliwo
ś ć
pasma.
U
t
U
m
0,9U
m
0,1U
m
0
t
n
Rys. 7. Ilustracja zasady wyznaczania czasu narastania impulsu prostok
ą
tnego
Zdecydowana wi
ę
kszo
ś ć
produkowanych obecnie oscyloskopów ma
wzmacniacze pr
ą
du stałego o sprz
ę Ŝ
eniu bezpo
ś
rednim (DC) od wej
ś
cia a
Ŝ
do
płytek odchylaj
ą
cych, co umo
Ŝ
liwia pomiar sygnałów o bardzo małych
cz
ę
stotliwo
ś
ciach oraz składowe stałe.
Współczynnik odchylania (pionowego) oscyloskopu jest okre
ś
lony przez
warto
ś ć
mi
ę
dzyszczytowego napi
ę
cia U
pp
jakie nale
Ŝ
y doprowadzi
ć
do jego
wej
ś
cia, aby uzyska
ć
na ekranie obraz o wysoko
ś
ci 1 cm lub 1 działki, je
Ŝ
eli
podziałka skali nie jest wyra
Ŝ
ona w centymetrach.
Przeł
ą
cznik elektroniczny
Przeł
ą
cznik
elektroniczny
umo
Ŝ
liwia
wykorzystanie
pojedynczego
strumienia elektronów do kre
ś
lenia obrazów dwóch sygnałów pochodz
ą
cych
z ró
Ŝ
nych kanałów oscyloskopu.
Na rys.8. przedstawiony jest fragment układu elektrycznego oscyloskopu,
który ilustruje zasad
ę
działania przeł
ą
cznika elektronicznego PE.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
16
Przeł
ą
cznik ten udost
ę
pnia wej
ś
cie wzmacniacza ko
ń
cowego toru odchylania
pionowego sygnałom z dwóch ró
Ŝ
nych kanałów oscyloskopu, co umo
Ŝ
liwia
jednoczesne ogl
ą
danie dwóch przebiegów elektrycznych (np. sinusoidalnego i
prostok
ą
tnego).
Przeł
ą
czanie kanałów odbywa si
ę
jednym z dwóch sposobów wybranych
przez u
Ŝ
ytkownika, mianowicie w trybie przeł
ą
czania przemiennego
oznaczonego jako ALT albo w trybie przeł
ą
czania siekanego oznaczonego jako
CHOP.
KANAŁ A
PE
WZMACNIACZ
KO
Ń
COWY
KANAŁ B
y
1
(t)
y
2
(t)
CHOP
ALT
UKŁAD
STERUJ
Ą
CY
Rys. 8. Fragment układu elektrycznego oscyloskopu z przeł
ą
cznikiem
elektronicznym PE
Podczas pracy w trybie ALT strumie
ń
elektronów podczas swego biegu od
lewej do prawej strony ekranu kre
ś
li obraz tylko jednego sygnału, za
ś
podczas
powtórnego biegu - obraz drugiego. Je
Ŝ
eli to naprzemienne rysowanie powtarza
si
ę
z dostatecznie du
Ŝ ą
cz
ę
stotliwo
ś
ci
ą
, obserwator widzi obrazy obydwu
sygnałów, m. in. dzi
ę
ki wła
ś
ciwo
ś
ci ludzkiego wzroku, zachowuj
ą
cego wra
Ŝ
enie
przez jaki
ś
czas po znikni
ę
ciu bod
ź
ca
ś
wietlnego.
Gdy przeł
ą
cznik elektroniczny pracuje w trybie CHOP, podczas biegu
strumienia elektronów od strony lewej ku prawej, rysuje on jednocze
ś
nie obrazy
obydwu przebiegów, ale obrazy te składaj
ą
si
ę
teraz z wielu odcinków (rys.9).
Przerwy w obrazie jednego przebiegu wykorzystywane s
ą
do kre
ś
lenia odcinków
drugiego z nich. W rezultacie obydwa przebiegi sprawiaj
ą
wra
Ŝ
enie posiekanych
na drobne cz
ę ś
ci. Poniewa
Ŝ
jednak obrazy kre
ś
lone s
ą
wielokrotnie, obserwator
najcz
ę ś
ciej nie widzi efektu siekania, gdy
Ŝ
za ka
Ŝ
dym razem przerwy wyst
ę
puj
ą
w innym, przypadkowym miejscu.
Tryb ALT stosowany jest w przypadku, gdy cz
ę
stotliwo
ś
ci badanych
przebiegów s
ą
odpowiednio du
Ŝ
e, wtedy bowiem czas kre
ś
lenia jednego
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
17
przebiegu jest krótki (cz
ę
stotliwo
ś ć
napi
ę
cia generatora podstawy czasu jest
wi
ę
ksza), a co za tym idzie, tak
Ŝ
e przerwy w kre
ś
leniu s
ą
krótsze, co wywołuje
wra
Ŝ
enie ci
ą
gło
ś
ci
ś
wiecenia obrazu.
Tryb CHOP stosuje si
ę
przy niewielkiej cz
ę
stotliwo
ś
ci badanych
sygnałów, kiedy to ruch plamki
ś
wietlnej od strony lewej do prawej odbywa si
ę
stosunkowo wolno (cz
ę
stotliwo
ś ć
napi
ę
cie generatora podstawy czasu jest
niewielka) i przemienne kre
ś
lenie ka
Ŝ
dego przebiegu z osobna wywoływałoby
nieprzyjemne migotanie obrazu. Tryb ten jest stosowany tak
Ŝ
e w przypadku
rejestracji fotograficznej przebiegów jednokrotnych.
Rys. 9. Tryb siekany pracy przeł
ą
cznika elektronicznego
W oscyloskopie OS-351 przeł
ą
cznik elektroniczny PE jest przeł
ą
czany
przez układ steruj
ą
cy z cz
ę
stotliwo
ś
ci
ą
20 Hz przy pracy w trybie ALT oraz z
cz
ę
stotliwo
ś
ci
ą
150 kHz gdy u
Ŝ
ytkownik wybierze tryb CHOP.
Generator podstawy czasu
Generator podstawy czasu generuje tzw. napi
ę
cie piłokształtne (rys.10).
które doprowadzone do płytek odchylania poziomego (rys.11), steruje ruchem
plamki
ś
wietlnej na ekranie, odwzorowuj
ą
cym upływ czasu (droga przebyta
przez plamk
ę
jest proporcjonalna do czasu rzeczywistego). Z generatorem tym
zwi
ą
zany jest kolejny wa
Ŝ
ny parametr oscyloskopu, mianowicie współczynnik
czasu.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
18
Współczynnik czasu jest to czas potrzebny do przesuni
ę
cia plamki
ś
wietlnej w kierunku poziomym na odległo
ś ć
1 cm lub 1 działki. Wyra
Ŝ
any jest w
s/cm, ms/cm,
µ
s/cm lub ps/cm (pikosekundy na centymetr)
Generator podstawy czasu pełni rol
ę
wewn
ę
trznego zegara oscyloskopu,
odmierzaj
ą
cego wzorcowe odcinki czasu potrzebne do pomiaru okresu, a tym
samym cz
ę
stotliwo
ś
ci sygnałów okresowych. Jego działanie uzewn
ę
trznia si
ę
poprzez jednostajny ruch plamki
ś
wietlnej wzdłu
Ŝ
poziomej linii ekranu, za który
to ruch generator jest odpowiedzialny. Ruch ten powodowany jest przez napi
ę
cie
wyj
ś
ciowe generatora, zmieniaj
ą
ce si
ę
liniowo od warto
ś
ci -U
o
do U
o
(rys.10).
Gdy napi
ę
cie to ma warto
ś ć
-U
o
plamka
ś
wietlna znajduje si
ę
na lewym skraju
ekranu (w punkcie startowym), kiedy osi
ą
ga ono warto
ś ć
równ
ą
zeru plamka
dociera na
ś
rodek ekranu, przy napi
ę
ciu równym U
o
znajdzie si
ę
natomiast na
jego
prawym
skraju.
Omówiona
zmiana
napi
ę
cia
odbywa
si
ę
w czasie T
s
(rys.10). Szybko
ś ć
ruchu mo
Ŝ
e by
ć
regulowana skokowo i płynnie
poprzez zmian
ę
cz
ę
stotliwo
ś
ci napi
ę
cia generatora.
t
T
o
T
h
-U
o
U
o
T
r
T
s
T
T
s
- czas roboczy, T
r
- czas powrotu, T
h
- czas podtrzymania, T
o
- czas
oczekiwania na impuls wyzwalający, T - minimalny czas powtarzania
Rys. 10. Napi
ę
cie wyj
ś
ciowe generatora podstawy czasu
Pouczaj
ą
ce
jest
nastawienie na pocz
ą
tku małej cz
ę
stotliwo
ś
ci,
zapewniaj
ą
cej powolny ruch plamki
ś
wietlnej od strony lewej ekranu do prawej.
Obserwator widzi wtedy plamk
ę
w jednostajnym ruchu, powtarzaj
ą
cym si
ę
w regularnych cyklach. Plamka docieraj
ą
c do prawego skraju ekranu, znika
nagle, by pojawi
ć
si
ę
po chwili po jego prawej stronie i rozpocz
ą ć
ponownie
swój ruch ze stał
ą
pr
ę
dko
ś
ci
ą
. Powrót plamki na lew
ą
stron
ę
ekranu odbywa si
ę
za spraw
ą
malej
ą
cego liniowo napi
ę
cia wyj
ś
ciowego generatora (rys.10) i trwa o
wiele krócej ni
Ŝ
poprzedni ruch. Ta faza ruchu jest niewidoczna dla obserwatora,
poniewa
Ŝ
działaj
ą
cy automatycznie układ elektroniczny, dostarcza na ten czas
do siatki steruj
ą
cej lampy oscyloskopowej (cylindra Wehnelta) impuls ujemny,
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
19
powoduj
ą
c tym całkowite wyhamowanie emitowanych przez katod
ę
elektronów.
Gdyby zabrakło tego mechanizmu, strumie
ń
elektronów kre
ś
liłby lini
ę
swego
ruchu powrotnego nie zwi
ą
zan
ą
z obserwowanym przebiegiem i fałszuj
ą
c
ą
jego
obraz, co komplikowałoby obserwacj
ę
.
Kiedy stopniowo zwi
ę
ksza
ć
b
ę
dziemy cz
ę
stotliwo
ś ć
napi
ę
cia generatora,
ruch plamki stanie si
ę
coraz szybszy i zacznie ona zostawia
ć
za sob
ą
charakterystyczne smu
Ŝ
enie
ś
wietlne, by po osi
ą
gni
ę
ciu pewnej pr
ę
dko
ś
ci
znaczy
ć
swój ruch jednolit
ą
, je
ś
li chodzi o nat
ę Ŝ
enie lini
ą
ś
wietln
ą
. Lini
ę
t
ę
nazywa si
ę
cz
ę
sto podstaw
ą
czasu.
Opisane obserwacje polecić naleŜy wszystkim początkującym uŜytko-
wnikom oscyloskopu, poniewaŜ dają one dobre wyobraŜenie 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
h
(rys.10). Czas martwy jest to odstęp czasu, w którym
przychodzący z układy synchronizacyjnego (rys.11) impuls wyzwalający (gdyby
się pojawił) nie moŜe wyzwolić podstawy czasu, to znaczy zainicjować cyklu
generacyjnego napięcia piłokształtnego. Czas martwy jest dłuŜszy 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 moŜe być dokonywana przez uŜytkownika przy
pomocy pokrętła oznaczonego „HOLDOFF” (rys.11). Znajduje ona
zastosowanie przy pomiarach przebiegów impulsowych o złoŜonym kształcie,
czym nie będziemy zajmowali się bliŜej 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 kaŜdorazowo 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
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
20
zawsze od tego samego punktu. Wybór tego punktu zaleŜy od uŜytkownika,
który ma do dyspozycji kilka róŜnych organów regulacyjnych.
GENERATOR
PODSTAWY
CZASU
X
WZMAC-
NIACZ
X
KANAŁ B
KANAŁ A
WZMAC.
KOŃ-
COWY
PE
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
µ
s/cm
X
Rys. 11. Generator podstawy czasu i jego otoczenie
Podstawowym organem jest tu „TRIG LEVEL” czyli poziom
wyzwalania. Pokrętłem poziomu wyzwalania moŜna wybrać wartość napięcia, od
której zacznie się kreślenie krzywej sygnału (rys.12).
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
21
Rys. 12. Efekt regulacji poziomu wyzwalania
Kolejnym organem będącym do dyspozycji uŜytkownika jest przełącznik
oznaczony „SLOPE”. SłuŜy 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, Ŝe generator pracuje pod nieobecność jakiegokolwiek sygnału
badanego. Na ekranie rysowana jest linia podstawy czasu sygnalizując
uŜytkownikowi 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 uŜytkownika,
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, Ŝe nastawianie poziomu wyzwalania (regulator „TRIG
LEVEL”), a takŜe wybór zbocza (przełącznik „SLOPE”) jest moŜliwe 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”, umoŜliwiającą
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
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
22
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” uŜywane do prac serwisowych przy napra-
wie odbiorników telewizyjnych. Przy włączonym „TV L” generator podstawy
czasu jest sterowany impulsami synchronizacyjnymi linii, znaczącymi koniec
kaŜdej 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 takŜe organ regulacyjny oznaczony „HOLD
OFF”. SłuŜy on do regulacji tak zwanego czasu podtrzymania T
h
, który
właściwiej byłoby nazwać czasem powstrzymania generatora przed generacją
kolejnego cyklu napięcia piłokształtnego. Jego działanie uwidacznia się tylko
przy badaniu złoŜonych sygnałów impulsowych. WydłuŜenie czasu T
h
powstrzymuje generację napięcia piłokształtnego do czasu upłynięcia okresu
złoŜonego 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 złoŜonego 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 moŜna rozciągnąć obraz sygnału w osi X (osi czasu) i dokładniej
obejrzeć te jego fragmenty, które są „zagęszczone” w czasie. Rozciągnięcie
obrazu sprawia, Ŝe jego część przestaje być widoczna na ekranie ale moŜna ją
obejrzeć przesuwając obraz w osi X przy pomocy regulatora „POSITION”.
Pozycja przełącznika „MAGNIEFIER” zmienia oczywiście takŜe
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
takŜe 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.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
23
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 słuŜy 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 uŜywany jest klasyczny oscyloskop analogowy,
pozwalający zapoznać studentów z podstawami techniki oscyloskopowej. Jej
opanowanie jest podstawą do studiowania zasad działania oscyloskopów
cyfrowych.
Ć
wiczenie zawiera zadania pomiarowe, związane z podstawowymi zasto-
sowaniami oscyloskopu analogowego.
2. Zadania pomiarowe
Zadanie 1
Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu amplitudę U
m
i okres T zadanego
sygnału sinusoidalnego. Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na
rysunku 1.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
24
PW-11
Input B
lub
Input A
Przewód ekranowany
Generator
Oscyloskop
Rys. 1. Schemat układu pomiarowego
T
U
m
t
U(t)
Obraz oscylograficzny sygnału sinusoidalnego
Kolejno
ść
czynno
ś
ci
Przed włączeniem napięcia zasilającego oscyloskopu, naleŜy dokonać
wstępnych nastaw jego organów regulacyjnych.
W torze odchylania Y
•
przełącznik rodzaju sprzęŜenia (DC,GND,AC) ustawić w pozycji AC
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
25
•
regulator współczynnika wzmocnienia wzmacniacza VAR. CAL (pokrętło
oznaczone kolorem czerwonym) ustawić w prawym skrajnym połoŜeniu
•
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, zaleŜnie od tego do
którego wejścia oscyloskopu doprowadzony jest sygnał mierzony
•
regulatory LEVEL / HOLDOFF (środkowy i zewnętrzny) ustawić w po-
zycjach środkowych
Nast
ę
pnie nale
Ŝ
y
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.
6V
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 zaleŜnie 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 moŜliwie duŜy obraz sygnału sinusoidalnego; wyregulować
precyzyjnie jego połoŜenie w osi Y potencjometrem POSITION
↑↓
8. Przełącznikiem zmiany współczynnika czasu (s/cm, ms/cm,
µ
s/cm) uzyskać
obraz co najmniej jednego okresu sinusoidy; wyregulować precyzyjnie jego
połoŜenie w osi X potencjometrem POSITION
↔
↔
↔
↔
W rezultacie opisanych wyŜej zabiegów na ekranie oscyloskopu powinien
pojawić się nieruchomy obraz sygnału sinusoidalnego. NaleŜy teraz zmierzyć
amplitudę tego sygnału oraz jego okres. Wyniki odczytów i obliczeń zanotować
w Tablicy 1.
Tablica 1
Współczynnik odchylania w torze Y
a
y
=...........................mV/cm, V/cm
niepotrzebne skreślić
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
26
Amplituda sygnału w centymetrach
h
y
= ...........................................cm
Amplituda w jednostkach napięcia
U
m
= a
y
∗
h
y
..........................mV, V
niepotrzebne skreślić
Współczynnik odchylania w torze X
a
x
= ................
µ
s/cm, ms/cm, s/cm
niepotrzebne skreślić
Okres sygnału w centymetrach
h
x
= ...........................................cm
Okres sygnału w jednostkach czasu
T = a
x
∗
h
x
..........................
µ
s, ms, s
niepotrzebne skreślić
Zadanie 2
Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu amplitudę U
m
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 naleŜy zapisać w Tablicy 2.
U
m
T
t
Obraz oscyloskopowy napi
ę
cia okresowego, prostok
ą
tnego
W sprawozdaniu nale
Ŝ
y wyja
ś
ni
ć
sposób wyznaczenia warto
ś
ci skutecznej
mierzonego sygnału na podstawie oscyloskopowego pomiaru jego amplitudy.
Tablica 2
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
27
Współczynnik odchylania w torze Y
a
y
=...........................mV/cm, V/cm
niepotrzebne skreślić
Amplituda sygnału w centymetrach
h
y
= ...........................................cm
Amplituda w jednostkach napi
ę
cia
U
m
= a
y
∗
h
y
..........................mV, V
niepotrzebne skreślić
Współczynnik odchylania w torze X
a
x
= ................
µ
s/cm, ms/cm, s/cm
niepotrzebne skreślić
Okres sygnału w centymetrach
h
x
= ...........................................cm
Okres sygnału w jednostkach czasu
T = a
x
∗
h
x
..........................
µ
s, ms, s
niepotrzebne skreślić
Zadanie 3
Obejrze
ć
na ekranie efekt ró
Ŝ
niczkowania napi
ę
cia prostok
ą
tnego i
zinterpretowa
ć
otrzymane na ekranie obrazy. Schemat układu poł
ą
cze
ń
przedstawiony jest na rysunku 2.
G
PW-11
U
wy
= 4V
f= 2kHz
INPUT A
INPUT B
C
R
5
2
3
Rys. 2. Schemat układu ró
Ŝ
niczkuj
ą
cego
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
28
U
m
T
t
t
Obraz oscyloskopowy zró
Ŝ
niczkowanego sygnału prostok
ą
tnego
W sprawozdaniu nale
Ŝ
y:
Nale
Ŝ
y poł
ą
czy
ć
układ pomiarowy według schematu przedstawionego na
rysunku 2. Rezystor i kondensator umieszczone s
ą
na wspólnej płytce, a zaciski
utworzonego przez te elementy układu oznaczone s
ą
cyframi 2,3,5.
Aby mo
Ŝ
liwe było ogl
ą
danie jednocze
ś
nie obrazów dwóch sygnałów:
prostok
ą
tnego napi
ę
cia wej
ś
ciowego układu ró
Ŝ
niczkuj
ą
cego (zaciski 3,5)
i napi
ę
cia wyj
ś
ciowego tego układu (zaciski 2,5), nale
Ŝ
y wł
ą
czy
ć
przeł
ą
cznik
elektroniczny, wybieraj
ą
c jeden z dwóch mo
Ŝ
liwych trybów jego pracy: tryb
przemienny (ALT) lub siekany (CHOP).
Zalecane nastawy:
W torach Y: kanał: A: a
y
= 5V/cm,
kanał: B: a
y
= 5V/cm;
W torze X: a
x
= 0,1 ms/cm
1. Naszkicowa
ć
ogl
ą
dane przebiegi
2. Wyja
ś
ni
ć
dlaczego w sygnale wyj
ś
ciowym pojawiaj
ą
si
ę
impulsy szpilkowe
dodatnie i ujemne
3. Zaproponowa
ć
sposób usuwania z sygnału wyj
ś
ciowego układu ró
Ŝ
nicz-
kuj
ą
cego impulsów ujemnych
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
29
Zadanie 4
Obejrze
ć
na ekranie efekt całkowania napi
ę
cia prostok
ą
tnego i
zinterpretowa
ć
otrzymane na ekranie obrazy. Schemat układu poł
ą
cze
ń
przedstawiony jest na rysunku 3.
W sprawozdaniu nale
Ŝ
y:
G
PW-11
U
wy
= 4V
f= 200Hz
INPUT A
INPUT B
C
R
6
5
2
Rys. 3. Schemat układu całkuj
ą
cego
Zalecane nastawy:
W torach Y: kanał A: a
y
= 5V/cm,
kanał B: a
y
= 50 mV/cm;
W torze X: a
x
= 0,5 ms/cm
1. Naszkicowa
ć
ogl
ą
dane przebiegi
2. Wyja
ś
ni
ć
dlaczego w rezultacie całkowania sygnału prostok
ą
tnego otrzymuje
si
ę
sygnał b
ę
d
ą
cy liniow
ą
funkcj
ą
czasu. Poda
ć
interpretacj
ę
matematyczn
ą
.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
30
t
U
m
T
t
Obraz oscyloskopowy scałkowanego napi
ę
cia prostok
ą
tnego
Zadanie 5
Zmierzy
ć
przy pomocy oscyloskopu napi
ę
cie U
z
diody Zenera. Schemat
układu poł
ą
cze
ń
przedstawiony jest na rysunku 3.
G
PO-21
U
wy
= 25V
∼
f= 50Hz
INPUT A
X or TRIG
INPUT
10k
Ω
R
1
U
Z
DZ
R
2
90k
Ω
R
3
Rys. 3. Schemat układu do pomiaru napi
ę
cia Zenera
DZ – badana dioda Zenera
R
1
– rezystor przetwarzaj
ą
cy pr
ą
d diody Zenera na proporcjonalne do
niego napi
ę
cie
R
2
, R
3
– dzielnik napi
ę
cia obni
Ŝ
aj
ą
cy napi
ę
cie Zenera w stosunku 1/10
przed podaniem go do wej
ś
cia oscyloskopu
Zalecane nastawy:
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
31
W torze Y: a
y
= 5V/cm
W torze X: a
x
= 0,5V/cm (MAGNIFIER X1)
Wcisn
ąć
NORM/INV
.
U
Z
(L
Z
)
i
u
Obraz oscyloskopowy charakterystyki pr
ą
dowo – napi
ę
ciowej diody Zenera
Przebieg pomiaru
Zwi
ę
ksza
ć
stopniowo napi
ę
cie wyj
ś
ciowe generatora a
Ŝ
do chwili poja-wienia
si
ę
na ekranie pełnej charakterystyki pr
ą
dowo - napi
ę
ciowej diody Zenera.
Obliczy
ć
warto
ść
napi
ę
cia Zenera badanej diody według nast
ę
puj
ą
cej
formuły:
U
Z
[V] = L
Z
[cm]
×
0,5 [V/cm]
×
10
Zanotowa
ć
w Tablicy 3 wynik pomiaru napi
ę
cia U
Z
badanej diody.
Tablica 3
U
Z
= ..................V
3. Pytania kontrolne
1. Jaka elektroda lampy oscyloskopowej emituje strumie
ń
elektronów?
W sprawozdaniu wyja
ś
ni
ć
dlaczego dla otrzymania prawidłowego obrazu
charakterystyki pr
ą
dowo - napi
ę
ciowej diody Zenera nale
Ŝ
ało zmieni
ć
polaryzacj
ę
napi
ę
cia w torze Y oscyloskopu przez wci
ś
ni
ę
cie przeł
ą
cznika
NORM/INV.
Wskazówka: Przeanalizowa
ć
polaryzacj
ę
napi
ęć
mi
ę
dzy punktami 3 - 4
oraz 4 - 5.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
32
2. Jak
ą
rol
ę
w lampie pełni cylinder Wehnelta?
3. Jakie elektrody odpowiedzialne s
ą
za skupianie i przy
ś
pieszanie strumienia
elektronów?
4. Jak
ą
rol
ę
pełni powłoka grafitowa wewn
ą
trz lampy?
5. Czemu słu
Ŝ
y metalizowanie ekranu?
6. Co to jest emisja wtórna i jakie jest jej znaczenie w pracy lampy?
9. Dlaczego mo
Ŝ
liwe jest ogl
ą
danie jednocze
ś
nie dwóch przebiegów na ekranie
oscyloskopu jednostrumieniowego?
10. Wyja
ś
nij rol
ę
przeł
ą
cznika elektronicznego
11. Obja
ś
nij zasad
ę
działania przeł
ą
cznika elektronicznego oraz tryby jego pracy:
siekany i przemienny.
12. Jaki rodzaj odchylania stosowany jest w oscyloskopach: magnetyczny czy
elektryczny?
13. Wyja
ś
nij rol
ę
generatora podstawy czasu
14. Narysuj przebieg czasowy napi
ę
cia generatora podstawy czasu.
15. Jaka jest zasada pracy tzw. „samobie
Ŝ
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
ą
czników dotycz
ą
cych odchylania pionowego
Oscyloskop ma dwa tory odchylania pionowego oznaczone jako „CH A”
oraz „CH B”. W kaŜdym 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
0
)
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
33
DC, GND, AC - przełącznik o trzech połoŜeniach umoŜliwiający wybór rodzaju
sprzęŜenia:
DC - sprzęŜenie bezpośrednie (stałoprądowe) umoŜliwiające pomiar napięcia
stałego oraz napięcia zmiennego zawierającego składową stałą; zakres
mierzonych częstotliwości: 0 Hz - 15 MHz
AC - sprzęŜenie 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 obciąŜenie 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) słuŜy do regulacji
współczynnika wzmocnienia wzmacniacza odchylania pionowego.
Podczas pomiarów powinno znajdować się w prawym skrajnym
połoŜeniu.
Przełącznik zewnętrzny słuŜy 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 - umoŜliwia 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
µ
s/cm do 0,5 s/cm
pozycja X5 - współczynnik czasu od 0,02
µ
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
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
34
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
z
częstotliwością ok. 20 Hz, bez względu na istnienie czy brak sygnału
mierzonego. Zaleca się korzystanie z tego rodzaju wyzwalania,
poniewaŜ umoŜliwia 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 moŜe 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 złoŜonych sygnałów z układów elektronicznych.
TRIG SOURCE - zespół przełączników słuŜących 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
połoŜeniu.
X or TRIG INPUT - gniazdo wejściowe sygnału sterującego płytkami
odchylania poziomego, słuŜące takŜe do wyzwalania generatora
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
35
podstawy czasu sygnałem zewnętrznym. Gniazdo uŜywane 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
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
36
Wymagania BHP
Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest
zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw poŜarową oraz
przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na
stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed
rozpoczęciem pracy naleŜy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi
wskazanymi przez prowadzącego.
W trakcie zajęć laboratoryjnych naleŜy 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 moŜe się odbywać po
wyraŜeniu zgody przez prowadzącego.
♦
Przyrządy pomiarowe naleŜy 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 moŜe się
odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia.
♦
W przypadku zaniku napięcia zasilającego naleŜy niezwłocznie wyłączyć
wszystkie urządzenia.
♦
Stwierdzone
wszelkie
braki
w
wyposaŜeniu
stanowiska
oraz
nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu naleŜy przekazywać
prowadzącemu zajęcia.
♦
Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z
urządzeń nie naleŜących do danego ćwiczenia.
♦
W przypadku wystąpienia poraŜenia prądem elektrycznym naleŜy
niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą
wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na kaŜdej tablicy rozdzielczej w
laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać poraŜonego.