POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
___________________________________________________________
Laboratorium Miernictwa Elektrycznego
Oscyloskop elektroniczny
Instrukcja do
ć
wiczenia
Nr 22
Opracował dr in
ż
. Ryszard Piotrowski
___________________________________________________
Białystok 2001
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
2
1. Wprowadzenie
Podstawowe wiadomo
ś
ci z zakresu budowy
i zasad działania oscyloskopu analogowego
scyloskop jest jednym z najwa
ż
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
ż
yniera zajmuj
ą
cego si
ę
konstruowaniem
układów elektronicznych, 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
ż
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 elektro-
luminescencyjnym 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.
P1
R2
R3
R1
G
P2
ew
e
L
E
S
Ż
K
A2
A1
+
Rys.1.Szkic lampy oscyloskopowej
O
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
3
W pró
ż
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
ż
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
ę
układu współrz
ę
dnych prostok
ą
tnych, w którym uzyskiwany
jest obraz przebiegu czasowego badanej wielko
ś
ci. Lampa mo
ż
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 napi
ę
cie elektryczne.
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
ż
ej.
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
żą
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
Ż
(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
ż
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
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
4
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
ż
ne znaczenie praktyczne. Z rysunku
1 wynika,
ż
e siatka S ma potencjał ujemny wzgl
ę
dem katody i od warto
ś
ci tego
potencjału zale
ż
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,
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
ż
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
ż
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
ż
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
ż
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
ż
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
ż
eli napi
ę
cie mi
ę
dzy katod
ą
i anoda drug
ą
wynosi
1000V. Dodajmy jeszcze,
ż
e w wyniku „oczyszczaj
ą
cego” działania cylindra
Wehnelta, oraz anod A1 i A2, tylko od 5% do 20% elektronów emitowanych
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
5
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
ż
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
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
ż
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
ęś
ci energii
kinetycznej tych cz
ą
steczek na energi
ę
ś
wietln
ą
. Pozostała cz
ęś ć
energii zu
ż
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 kierunku
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
ęż
enie pr
ą
du w ka
ż
dym
punkcie nierozgał
ę
zionego obwodu elektrycznego. Liczba tych elektronów zale
ż
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
ż
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
ż
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
ż
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
ęś ć
do ekranu. Wzrost potencjału ekranu trwa dot
ą
d, dopóki nie zostanie
przywrócona równowaga mi
ę
dzy liczb
ą
elektronów pierwotnych i wtórnych.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
6
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,
rz
ę
du pojedynczych sekund (do obserwowania przebiegów jednokrotnych,
a tak
ż
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
ż
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
ż
ten pokazany na rysunku 1.
Mechanizmy odchylania wi
ą
zki elektronów
Odchylanie wi
ą
zki elektronów mo
ż
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
ż
dej pary mo
ż
e by
ć
poł
ą
czona na stałe z
uziemieniem (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
ż
liwo
ś ć
stosowania go w zakre-
esie wielkich cz
ę
stotliwo
ś
ci sygnału mierzonego si
ę
gaj
ą
cych 1 GHz.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
7
Zalet
ą
odchylania elektrycznego jest tak
ż
e mała moc potrzebna do
uzyskania wymaganego odchylenia elektronów.
Dalsz
ą
zalet
ą
tego rodzaju odchylania jest to,
ż
e tor ruchu nie zale
ż
y od
stosunku ładunku elektrycznego do masy cz
ą
stek, w zwi
ą
zku z czym ujemnie
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
ż
yciem, które
miałoby miejsce, gdyby ci
ę ż
kie jony (kilka tysi
ę
cy razy ci
ę ż
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
ż
a zale
ż
no
ś ć
czuło
ś
ci
od napi
ę
cia przy
ś
pieszaj
ą
cego drugiej anody. Du
ż
emu napi
ę
ciu tej anody
mianowicie odpowiada du
ż
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
ż
eli zało
ż
ymy
okre
ś
lon
ą
warto
ś ć
czuło
ś
ci, to zwi
ę
kszenie napi
ę
cia drugiej anody zmusza do
wydłu
ż
enia lampy oscyloskopowej dla uzyskania odpowiedniej wielko
ś
ci obrazu
na ekranie.
Zauwa
ż
my,
ż
e maksymalny k
ą
t odchylania w lampach o odchylaniu
elektrycznym jest mniejszy ni
ż
w lampach o odchylaniu magnetycznym. K
ą
t
zawarty mi
ę
dzy skrajnymi poło
ż
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
ż
d
ą
par
ę
cewek przepływa pr
ą
d steruj
ą
cy, który
wytwarza pole magnetyczne skierowane prostopadle do osi podłu
ż
nej lampy.
Istotn
ą
wad
ą
odchylania magnetycznego jest to, i
ż
odchylenie cz
ą
steczki jest tu,
w przeciwie
ń
stwie do odchylania elektrycznego , zale
ż
ne od stosunku ładunku
elektrycznego cz
ą
steczki do jej masy. Ci
ę ż
sze jony odchylane s
ą
znacznie słabiej
ni
ż
lekkie elektrony i padaj
ą
na
ś
rodkowa cz
ę ś ć
ekranu, przy
ś
pieszaj
ą
c zu
ż
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
ż
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.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
8
Zalet
ą
odchylania magnetycznego w porównaniu z elektrycznym jest
mniejsza zale
ż
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).
Kolejn
ą
zalet
ą
odchylania magnetycznego w porównaniu z elektrycznym
jest prostsza budowa wewn
ę
trzna lampy oscyloskopowej, poniewa
ż
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
ż
liwe jest
uzyskanie du
ż
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
granicach 2,5 -3,5, natomiast dla lamp o odchylaniu magnetycznym wynosi on
0,7 - 0,8.
Wad
ą
odchylania magnetycznego jest stosunkowo du
ż
a moc pobierana ze
ź
ródła pr
ą
du odchylaj
ą
cego. Ponadto odchylanie magnetyczne nie mo
ż
e by
ć
stosowane przy zbyt du
ż
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
ż
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
ż
e układami
odpowiedzialnymi za generowanie okresowych sygnałów niezb
ę
dnych tak
ż
e do
sterowania prac
ą
lampy.
Omówione dalej układy, zwłaszcza za
ś
organy regulacyjne i ich
oznaczenia 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
ż
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
ż
ej układów i regulatorów pozwoli łatwo rozszyfrowa
ć
znaczenie
podobnych układów w innych typach oscyloskopów.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
9
Oscyloskop jednostrumieniowy, dwukanałowy
Oscyloskop OS-351 jest przyrz
ą
dem jednostrumieniowym, co oznacza,
ż
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
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,
ż
e na jego ekranie mog
ą
by
ć
ogl
ą
dane jednocze
ś
nie przebiegi dwóch
ró
ż
nych sygnałów. Taka mo
ż
liwo
ś ć
jest podstawowym wymogiem stawianym
nawet prostym konstrukcjom oscyloskopów. Dwukanałowo
ś ć
wymaga
wbudowania do przyrz
ą
du dwóch oddzielnych zestawów urz
ą
dze
ń
(gniazd
wej
ś
ciowych, przeł
ą
czników, regulatorów, tłumików, wzmacniaczy, itp.).
Oscyloskop dwukanałowy ma tak
ż
e pewne układy elektroniczne wspólne dla
obydwu kanałów, np. generator podstawy czasu, wzmacniacz ko
ń
cowy,
przeł
ą
cznik elektroniczny, itp. Ni
ż
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
ż
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
ż
e by
ć
przy
pomocy trójpoło
ż
eniowego przeł
ą
cznika skierowany do TŁUMIKA jednym z
trzech torów:
•
tor ALT (sprz
ę ż
enie AC)
•
tor DC (sprz
ę ż
enie DC)
•
tor GND
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
10
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
W torze ALT znajduj
ą
cy si
ę
tam kondensator odcina z sygnału ewentualn
ą
składow
ą
stał
ą
. Składowa ta mo
ż
e mie
ć
niekiedy znaczn
ą
warto
ść
i
powodowa
ć
znikni
ę
cie z pola widzenia nało
ż
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 ż
eniem AC) nale
ż
y wybra
ć
, gdy zale
ż
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
ż
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 ż
enie zbli
ż
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
).
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
11
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
zapobieganie 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
Współczynnik
β
nie zale
ż
y od cz
ę
stotliwo
ś
ci sygnału wej
ś
ciowego, je
ż
eli
do rezystora R
1
doł
ą
czona jest pojemno
ść
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
ż
owych i pojemno
ś
ci
wej
ś
ciowej
WTÓRNIKA.
Je
ż
eli spełniona jest powy
ż
sza równo
ść
mówimy,
ż
e dzielnik jest
skompensowany, co oznacza,
ż
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
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
12
•
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
ż
ny przeł
ą
cznik. Przy jego pomocy u
ż
ytkownik mo
ż
e
skokowo regulowa
ć
wysoko
ś ć
obrazu na ekranie lampy oraz, co najwa
ż
niejsze,
odczytywa
ć
warto
ś ć
amplitudy mierzonego sygnału. Poszczególne pozycje
przeł
ą
cznika opisane s
ą
bowiem warto
ś
ciami współczynnika odchylania
(pionowego) wyra
ż
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
ż
eniu jej przez wspomniany współczynnik od-
chylania.
W oscyloskopach stosowane s
ą
dwa rodzaje tłumików:
•
tłumiki o du
ż
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
ż
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
ż
ej 150 MHz.
Ze wzrostem cz
ę
stotliwo
ś
ci rezystory w tłumiku nale
ż
y traktowa
ć
jako
elementy o stałych rozło
ż
onych, w wyniku czego rezystancja wej
ś
ciowa w
funkcji 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
przybli
ż
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
ż
a rezystancja wej
ś
ciowa i mał
ą
wyj
ś
ciowa.
Wzmacniacz ten stanowi wi
ę
c swoisty transformator rezystancji, wykorzys-
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
13
tywany do sprz
ę
gania
ź
ródła sygnału o du
ż
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 ż
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
ż
eniu, najcz
ęś
ciej prawym skrajnym. Tylko wtedy bowiem
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 opisane jako
„VAR CAL” przy czym
ś
rodkowe pokr
ę
tło słu
ż
y do płynnej regulacji
wzmocnienia, za
ś
stosowna strzałka wymownie informuje o wymaga- nym
poło
ż
eniu tego pokr
ę
tła podczas pomiarów.
Je
ż
eli sygnał wej
ś
ciowy jest zbyt du
ż
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
ż
ytkownik mo
ż
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
ęś ć
sygnału odprowadza si
ę
do układu synchronizacyjnego
generatora podstawy czasu. Obydwa te układy b
ę
d
ą
omówione w dalszej cz
ęś
ci
wykładu.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
14
Parametry charakteryzuj
ą
ce tor Y oscyloskopu
Mówi
ą
c o torze odchylania pionowego, wypada okre
ś
li
ć
najwa
ż
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 ż
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
indukcyjno
ś
ci monta
ż
owe wzmacniacza oraz parametrów tranzystorów.
W oscyloskopach o du
ż
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
ż
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
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
15
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 ż
eniu bezpo
ś
rednim (DC) od wej
ś
cia a
ż
do
płytek odchylaj
ą
cych, co umo
ż
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
ż
y doprowadzi
ć
do jego
wej
ś
cia, aby uzyska
ć
na ekranie obraz o wysoko
ś
ci 1 cm lub 1 działki, je
ż
eli
podziałka skali nie jest wyra
ż
ona w centymetrach.
Przeł
ą
cznik elektroniczny
Przeł
ą
cznik
elektroniczny
umo
ż
liwia
wykorzystanie
pojedynczego
strumienia elektronów do kre
ś
lenia obrazów dwóch sygnałów pochodz
ą
cych z
ró
ż
nych kanałów oscyloskopu.
Na rys.8. przedstawiony jest fragment układu elektrycznego oscyloskopu,
który ilustruje zasad
ę
działania przeł
ą
cznika elektronicznego PE.
Przeł
ą
cznik ten udost
ę
pnia wej
ś
cie wzmacniacza ko
ń
cowego toru odchylania
pionowego sygnałom z dwóch ró
ż
nych kanałów oscyloskopu, co umo
ż
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
ż
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
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
16
powtórnego biegu - obraz drugiego. Je
ż
eli to naprzemienne rysowanie powtarza
si
ę
z dostatecznie du
żą
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
ż
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
ż
enie posiekanych
na drobne cz
ę ś
ci. Poniewa
ż
jednak obrazy kre
ś
lone s
ą
wielokrotnie, obserwator
najcz
ę ś
ciej nie widzi efektu siekania, gdy
ż
za ka
ż
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
ż
e, wtedy bowiem czas kre
ś
lenia jednego
przebiegu jest krótki (cz
ę
stotliwo
ś ć
napi
ę
cia generatora podstawy czasu jest
wi
ę
ksza), a co za tym idzie, tak
ż
e przerwy w kre
ś
leniu s
ą
krótsze, co wywołuje
wra
ż
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
ż
dego przebiegu z osobna wywoływałoby
nieprzyjemne migotanie obrazu. Tryb ten jest stosowany tak
ż
e w przypadku
rejestracji fotograficznej przebiegów jednokrotnych.
Rys.9. Tryb siekany pracy przeł
ą
cznika elektronicznego
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
17
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
ż
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
ż
ny parametr oscyloskopu, mianowicie współczynnik
czasu.
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
ż
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
ż
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
ż
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 wyzwalaj
ą
cy, T - minimalny czas powtarzania
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
18
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
ż
poprzedni ruch. Ta faza ruchu jest niewidoczna dla obserwatora,
poniewa
ż
działaj
ą
cy automatycznie układ elektroniczny, dostarcza na ten czas
do siatki steruj
ą
cej lampy oscyloskopowej (cylindra Wehnelta) impuls ujemny,
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
ż
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
ęż
enie lini
ą
ś
wietln
ą
. Lini
ę
t
ę
nazywa si
ę
cz
ę
sto podstaw
ą
czasu.
Opisane obserwacje poleci
ć
nale
ż
y wszystkim pocz
ą
tkuj
ą
cym u
ż
ytko-
wnikom oscyloskopu, poniewa
ż
daj
ą
one dobre wyobra
ż
enie zasady działania
generatora podstawy czasu.
Zanim opisany przed chwil
ą
cykl powtórzy si
ę
, musz
ą
zanikn
ą ć
stany
nieustalone wewn
ą
trz generatora. Zwi
ą
zany jest z tym tak zwany czas martwy
albo czas podtrzymania T
h
(rys.10). Czas martwy jest to odst
ę
p czasu, w którym
przychodz
ą
cy z układy synchronizacyjnego (rys.12) impuls wyzwalaj
ą
cy (gdyby
si
ę
pojawił) nie mo
ż
e wyzwoli
ć
podstawy czasu, to znaczy zainicjowa
ć
cyklu
generacyjnego napi
ę
cia piłokształtnego. Czas martwy jest dłu
ż
szy od czasu
powrotu i wynosi tyle ile jest konieczne w danym układzie do całkowitego
zako
ń
czenia si
ę
stanów nieustalonych zwi
ą
zanych z powrotem układów
oscyloskopu do stanu wyj
ś
ciowego. Nast
ę
pny impuls wyzwalaj
ą
cy jest zdolny
wyzwoli
ć
podstaw
ę
czasu dopiero po ustaniu wszystkich procesów
przej
ś
ciowych, co zapewnia dokładn
ą
powtarzalno
ś ć
kolejnych odcinków
podstawy czasu.
Płynna regulacja czasu martwego mo
ż
e by
ć
dokonywana przez u
ż
ytkownika przy
pomocy pokr
ę
tła oznaczonego „HOLDOFF” (rys.12).
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
19
Ilustracja działania funkcji HOLDOFF oscyloskopu
Funkcja pozwala regulowa
ć
czas spoczynku (czas oczekiwania) w
cyklicznej pracy generatora podstawy czasu, co warunkuje otrzymanie stabilnego
obrazu obserwowanego sygnału. Jest to szczególnie cenne przy obserwacji
zło
ż
onych przebiegów okresowych (patrz rysunek 11.).
Na rysunku 1. obraz zaczyna by
ć
rysowany (linia pogrubiona) od
najni
ż
szego poziomu sygnału badanego (poziom ten wybiera u
ż
ytkownik przy
pomocy pokr
ę
tła LEVEL). Niewła
ś
ciwie dobrany czas oczekiwania (T
o1
)
generatora podstawy czasu sprawia,
ż
e podczas kolejnych okresów napi
ę
cia
piłokształtnego na ekranie rysowany jest inny fragment zło
ż
onego sygnału
okresowego przy (rys. 11A), co sprawia,
ż
e obserwator widzi na ekranie kilka
nało
ż
onych na siebie i niestabilnych obrazów, czyli tzw. obraz uwikłany. Po
wydłu
ż
eniu czasu oczekiwania pomocy pokr
ę
tła oznaczanego zwykle jako
HOLDOFF, (czas T
o2
na rys. 11B), przy ka
ż
dym okresie napi
ę
cia piłokształtnego
kre
ś
lony jest ten sam (zaznaczony lini
ą
pogrubion
ą
) fragment badanego
sygnału. Obserwator widzi teraz na ekranie stabilny obraz tego
sygnału.
T
P
T
R
1 Okres sygnału
A
B
2 Okres sygnału
T
o1
T
o2
Rys. 11. Ilustracja zasady działania funkcji HOLDOFF oscyloskopu
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
20
Na rysunku 12. przedstawiono blokowy schemat tej cz
ęś
ci układu
elektrycznego oscyloskopu, który zwi
ą
zany jest z generatorem podstawy czasu.
Pominiemy budow
ę
wewn
ę
trzn
ą
generatora, skupiaj
ą
c si
ę
na układach
steruj
ą
cych jego prac
ą
. Wyst
ę
puj
ą
ce na rys.12 oznaczenia zwi
ą
zane s
ą
z
przykładowym oscyloskopem typu OS-351.
Generator
podstawy
czasu
pracuje
pod
nadzorem
układu
synchronizacyjnego, który decyduje ka
ż
dorazowo o chwili zapocz
ą
tkowania
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 wy
ś
wietlania na ekranie nieruchomego i
stabilnego obrazu mierzonego sygnału. Innymi słowy sygnał ten musi by
ć
rysowany zawsze od tego samego punktu. Wybór tego punktu zale
ż
y od
u
ż
ytkownika, który ma do dyspozycji kilka ró
ż
nych organów regulacyjnych.
GENERATOR
PODSTAWY
CZASU
X
WZMAC-
NIACZ
X
KANAŁ B
KANAŁ A
WZMAC.
KO
Ń
-
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.12. Generator podstawy czasu i jego otoczenie
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
21
Podstawowym organem jest tu „TRIG LEVEL” czyli poziom
wyzwalania. Pokr
ę
tłem poziomu wyzwalania mo
ż
na wybra
ć
warto
ś ć
napi
ę
cia, od
której zacznie si
ę
kre
ś
lenie krzywej sygnału (rys.13).
Rys.13. Efekt regulacji poziomu wyzwalania
Kolejnym organem b
ę
d
ą
cym do dyspozycji u
ż
ytkownika jest przeł
ą
cznik
oznaczony „SLOPE”. Słu
ż
y on do wyboru zbocza (narastaj
ą
cego lub
malej
ą
cego) od którego zacznie by
ć
rysowany przebieg (rys. 14).
Rys.14. Działanie przeł
ą
cznika „SLOPE”
Przeł
ą
cznik „AUTO”, gdy jest wł
ą
czony, powoduje samoczynn
ą
prac
ę
generatora podstawy czasu z okre
ś
lon
ą
przez konstruktora cz
ę
stotliwo
ś
ci
ą
.
Oznacza to,
ż
e generator pracuje pod nieobecno
ś ć
jakiegokolwiek sygnału
badanego. Na ekranie rysowana jest linia podstawy czasu sygnalizuj
ą
c
u
ż
ytkownikowi sprawno
ś ć
tego generatora i pozwalaj
ą
c ustawi
ć
t
ę
lini
ę
na
odpowiedniej linii siatki naniesionej na ekranie. Brak jakiegokolwiek obrazu na
ekranie, co powoduje pewn
ą
konsternacj
ę
u pocz
ą
tkuj
ą
cego u
ż
ytkownika,
wywołana jest cz
ę
sto uprzednim wci
ś
ni
ę
ciem przeł
ą
cznika „NORM”, który
wprowadza odmienny tryb pracy generatora podstawy czasu. Tryb ten wymaga
obecno
ś
ci na wej
ś
ciu układu synchronizacji sygnału badanego dostarczonego z
kanału A lub B. Sygnał ten jest wówczas porównywany przez układ synchro-
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
22
nizacji z napi
ę
cie stałym nastawionym przy pomocy regulatora „TRIG LEVEL”
i wyzwala generator podstawy czasu w odpowiednim punkcie badanego
przebiegu. Wynika st
ą
d,
ż
e nastawianie poziomu wyzwalania (regulator „TRIG
LEVEL”), a tak
ż
e wybór zbocza (przeł
ą
cznik „SLOPE”) jest mo
ż
liwe tylko
przy wł
ą
czonym przeł
ą
czniku „NORM” Wybór kanału, z którego dostarczany
jest sygnał do układu synchronizacji dokonuje si
ę
przy pomocy przeł
ą
cznika PŁ,
który ma jeszcze trzeci
ą
pozycj
ę
oznaczon
ą
„TRIG INPUT”, umo
ż
liwiaj
ą
c
ą
synchronizowanie pracy generatora podstawy czasu sygnałem zewn
ę
trznym.
Tak wi
ę
c, gdy mierzymy tylko jeden sygnał i korzystamy z jednego
kanału, musimy ustawi
ć
przeł
ą
cznik PŁ w stosownej pozycji: „CH A” albo „CH
B”. Jest to warunkiem uzyskania stabilnego obrazu badanego sygnału zarówno
przy wł
ą
czonym „AUTO” jaki „NORM”.
Kiedy ogl
ą
damy jednocze
ś
nie dwa obrazy (pracuje przeł
ą
cznik
elektroniczny PE), musimy zdecydowa
ć
si
ę
na wybór jednego z dwóch badanych
sygnałów, ustawiaj
ą
c przeł
ą
cznik PŁ w jednej z dwóch pozycji:
„CH A” albo „CH B”. Wybiera si
ę
zwykle t
ę
pozycj
ę
przeł
ą
cznika, która
zapewnia lepsz
ą
synchronizacj
ę
(bardziej stabilny obraz).
Z procesem synchronizacji zwi
ą
zane s
ą
dwa charakterystyczne
przeł
ą
czniki: „TV L” oraz „TV F” u
ż
ywane do prac serwisowych przy napra-
wie odbiorników telewizyjnych. Przy wł
ą
czonym „TV L” generator podstawy
czasu jest sterowany impulsami synchronizacyjnymi linii, znacz
ą
cymi koniec
ka
ż
dej linii obrazu telewizyjnego. Przy wł
ą
czonym „TV F” korzysta si
ę
z
impulsów synchronizacyjnych znacz
ą
cych koniec ramki obrazu. Oscyloskop musi
w takich przypadkach zawiera
ć
układy separuj
ą
ce z zespolonego sygnału
telewizyjnego wymienione impulsy synchronizacyjne.
Na rysunku 12. widnieje tak
ż
e organ regulacyjny oznaczony „HOLD
OFF”. Jego rola opisana została wy
ż
ej (patrz rysunek 11).
Przeł
ą
cznik „MAGNIEFIER” (co tłumaczy si
ę
jako „lupa”) zmienia
współczynnik wzmocnienia wzmacniacza X sygnału dostarczonego do toru
odchylania poziomego przez gniazdo wej
ś
ciowe „INPUT X”. Zwi
ę
kszaj
ą
c ten
współczynnik mo
ż
na rozci
ą
gn
ą ć
obraz sygnału w osi X (osi czasu) i dokładniej
obejrze
ć
te jego fragmenty, które s
ą
„zag
ę
szczone” w czasie. Rozci
ą
gni
ę
cie
obrazu sprawia,
ż
e jego cz
ęś ć
przestaje by
ć
widoczna na ekranie ale mo
ż
na j
ą
obejrze
ć
przesuwaj
ą
c obraz w osi X przy pomocy regulatora „POSITION”.
Pozycja przeł
ą
cznika „MAGNIEFIER” zmienia oczywi
ś
cie tak
ż
e
skokowo współczynnik czasu (patrz rys.12). Na przykład w oscyloskopie OS-
351 wspominany przeł
ą
cznik 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 (pi
ę
ciokrotny wzrost czuło
ś
ci). Pi
ę
ciokrotnie zmieniaj
ą
si
ę
tak
ż
e współczynniki czasu. Dla pozycji przeł
ą
cznika „x1” wynosz
ą
one od 0,1
µµµµ
s/cm do 0,5 s/cm, za
ś
dla pozycji „
××××
5” od 0,02
µµµµ
s do 0,1 s/cm.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
23
Powró
ć
my do gniazda wej
ś
ciowego „INPUT X”. Wykorzystuje si
ę
je
wówczas, gdy pomiar wymaga sterowania płytkami odchylania poziomego przez
sygnał zewn
ę
trzny, np. sygnał proporcjonalny do napi
ę
cia przy zdejmowaniu
charakterystyki pr
ą
dowo - napi
ę
ciowej diody. Wył
ą
czony musi by
ć
wtedy
oczywi
ś
cie generator podstawy czasy. W oscyloskopie OS-531 słu
ż
y do tego
wył
ą
cznik „X” (rys.12).
Jednorazowa podstawa czasu
Zgodnie z nazw
ą
, sygnał odchylania poziomego jest doprowadzony do
płytek odchylania poziomego jednorazowo, daj
ą
c jednorazowy ruch plamki w
prawo i z powrotem. Sygnał odchylania pionowego powinien z chwil
ą
pojawienia
si
ę
wyzwoli
ć
jednorazowo generator podstawy czasu.
Jednorazowa podstawa czasu jest stosowana przy pomiarach zjawisk
nieperiodycznych, takich jak przebicia i wyładowania, zjawiska przy wybuchu,
zjawiska przy przeł
ą
czeniach napi
ę ć
oraz pr
ą
dów, itp.
Oscyloskop OS-351 nie ma mechanizmu wyzwalania jednorazowego, nie
jest bowiem przystosowany do rejestracji tak krótkotrwałych zjawisk fizycznych.
W niniejszym
ć
wiczeniu u
ż
ywany jest klasyczny oscyloskop analogowy,
pozwalaj
ą
cy zapozna
ć
studentów z podstawami techniki oscyloskopowej. Jej
opanowanie jest podstaw
ą
do studiowania zasad działania oscyloskopów
cyfrowych.
Ć
wiczenie zawiera zadania pomiarowe, zwi
ą
zane z podstawowymi zasto-
sowaniami oscyloskopu analogowego.
2. Zadania pomiarowe
Zadanie 1
Zmierzy
ć
przy pomocy oscyloskopu amplitud
ę
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 wł
ą
czeniem napi
ę
cia zasilaj
ą
cego oscyloskopu, nale
ż
y dokona
ć
wst
ę
pnych nastaw jego organów regulacyjnych.
W torze odchylania Y
•
przeł
ą
cznik rodzaju sprz
ęż
enia (DC,GND,AC) ustawi
ć
w pozycji AC
•
regulator współczynnika wzmocnienia wzmacniacza VAR. CAL (pokr
ę
tło
oznaczone kolorem czerwonym) ustawi
ć
w prawym skrajnym poło
ż
eniu
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
25
•
przeł
ą
cznik NORM / INV w pozycji NORM
W torze odchylania X
•
przeł
ą
cznik X MAGNIFIER w pozycji X1
•
w zespole przeł
ą
czników AUTO / NORM / TV-F / TV-L wcisn
ąć
AUTO
•
przeł
ą
cznik SLOPE w pozycji +
•
przeł
ą
cznik TRIG SOURCE w pozycji CH A lub CH B, zale
ż
nie od tego do
którego wej
ś
cia oscyloskopu doprowadzony jest sygnał mierzony
•
regulatory LEVEL / HOLDOFF (
ś
rodkowy i zewn
ę
trzny) ustawi
ć
w
pozycjach
ś
rodkowych
Nast
ę
pnie nale
ż
y
1. Wł
ą
czy
ć
napi
ę
cie zasilaj
ą
ce oscyloskopu i odczeka
ć
ok. pi
ę
ciu minut
2. Wł
ą
czy
ć
napi
ę
cie zasilaj
ą
ce generator
3. Nastawi
ć
cz
ę
stotliwo
ś ć
generatora 500 Hz i napi
ę
cie wyj
ś
ciowe o warto
ś
ci ok.
6V
4. Doprowadzi
ć
sygnał z generatora przewodem ekranowanym do wej
ś
cia
INPUT A albo INPUT B
5. W zespole przeł
ą
czników VERT MODE wcisn
ąć
wył
ą
cznik CHA A lub
CHA B zale
ż
nie od wybranego wej
ś
cia A lub B
6. W zespole przeł
ą
czników X MAGNIFIER wcisn
ąć
odpowiednio CHA A
lub CHA B oraz AUTO
7. Przeł
ą
cznikiem zmiany współczynnika odchylania pionowego (mV/cm, V/cm)
uzyska
ć
mo
ż
liwie du
ż
y obraz sygnału sinusoidalnego; wyregulowa
ć
precyzyjnie jego poło
ż
enie w osi Y potencjometrem POSITION
↑↓
8. Przeł
ą
cznikiem zmiany współczynnika czasu (s/cm, ms/cm,
µ
s/cm) uzyska
ć
obraz co najmniej jednego okresu sinusoidy; wyregulowa
ć
precyzyjnie jego
poło
ż
enie w osi X potencjometrem POSITION
↔
↔
↔
↔
W rezultacie opisanych wy
ż
ej zabiegów na ekranie oscyloskopu powinien
pojawi
ć
si
ę
nieruchomy obraz sygnału sinusoidalnego. Nale
ż
y teraz zmierzy
ć
amplitud
ę
tego sygnału oraz jego okres. Wyniki odczytów i oblicze
ń
zanotowa
ć
w Tablicy 1.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
26
Tablica 1
Współczynnik odchylania w torze Y
a
y
=...........................mV/cm, V/cm
niepotrzebne skre
ś
li
ć
Amplituda sygnału w centymetrach
h
y
= ...........................................cm
Amplituda w jednostkach napi
ę
cia
U
m
= a
y
∗
h
y
..........................mV, V
niepotrzebne skre
ś
li
ć
Współczynnik odchylania w torze X
a
x
= ................
µ
s/cm, ms/cm, s/cm
niepotrzebne skre
ś
li
ć
Okres sygnału w centymetrach
h
x
= ...........................................cm
Okres sygnału w jednostkach czasu
T = a
x
∗
h
x
..........................
µ
s, ms, s
niepotrzebne skre
ś
li
ć
Zadanie 2
Zmierzy
ć
przy pomocy oscyloskopu amplitud
ę
U
m
i okres T zadanego
sygnału prostok
ą
tnego. Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na
rysunku 1. Przebieg pomiarów b
ę
dzie tu analogiczny do opisanego w Zadaniu 1
Wyniki pomiarów nale
ż
y zapisa
ć
w Tablicy 2.
U
m
T
t
Obraz oscyloskopowy napi
ę
cia okresowego, prostok
ą
tnego
W sprawozdaniu nale
ż
y wyja
ś
ni
ć
sposób wyznaczenia warto
ś
ci skutecznej
mierzonego sygnału na podstawie oscyloskopowego pomiaru jego amplitudy.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
27
Tablica 2
Współczynnik odchylania w torze Y
a
y
=...........................mV/cm, V/cm
niepotrzebne skre
ś
li
ć
Amplituda sygnału w centymetrach
h
y
= ...........................................cm
Amplituda w jednostkach napi
ę
cia
U
m
= a
y
∗
h
y
..........................mV, V
niepotrzebne skre
ś
li
ć
Współczynnik odchylania w torze X
a
x
= ................
µ
s/cm, ms/cm, s/cm
niepotrzebne skre
ś
li
ć
Okres sygnału w centymetrach
h
x
= ...........................................cm
Okres sygnału w jednostkach czasu
T = a
x
∗
h
x
..........................
µ
s, ms, s
niepotrzebne skre
ś
li
ć
Zadanie 3
Obejrze
ć
na ekranie efekt ró
ż
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
ż
niczkuj
ą
cego
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
28
U
m
T
t
t
Obraz oscyloskopowy zró
ż
niczkowanego sygnału prostok
ą
tnego
W sprawozdaniu nale
ż
y:
Nale
ż
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
ż
liwe było ogl
ą
danie jednocze
ś
nie obrazów dwóch sygnałów:
prostok
ą
tnego napi
ę
cia wej
ś
ciowego układu ró
ż
niczkuj
ą
cego (zaciski 3,5) i
napi
ę
cia wyj
ś
ciowego tego układu (zaciski 2,5), nale
ż
y wł
ą
czy
ć
przeł
ą
cznik
elektroniczny, wybieraj
ą
c jeden z dwóch mo
ż
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
ż
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
ż
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
ż
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
ż
do chwili pojawienia
si
ę
na ekranie pełnej charakterystyki pr
ą
dowo - napi
ę
ciowej diody Zenera.
Obliczy
ć
warto
ś ć
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
W sprawozdaniu wyja
ś
ni
ć
dlaczego dla otrzymania prawidłowego obrazu
charakterystyki pr
ą
dowo - napi
ę
ciowej diody Zenera nale
ż
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
ę ć
mi
ę
dzy punktami 3 - 4
oraz 4 - 5.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
32
3. Pytania kontrolne
1. Jaka elektroda lampy oscyloskopowej emituje strumie
ń
elektronów?
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
ż
y metalizowanie ekranu?
6. Co to jest emisja wtórna i jakie jest jej znaczenie w pracy lampy?
9. Dlaczego mo
ż
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
ż
nej podstawy czasu”?
16. Jaka jest zasada pracy tzw. „wyzwalanej podstawy czasu”
4. Literatura
1. Rydzewski J. Oscyloskop elektroniczny WKŁ, Warszawa 1976
2. Rydzewski J. Pomiary oscyloskopowe WNT, Warszawa 1994
3. Chwaleba A. i inni Metrologia elektryczna WNT, Warszawa 1994
4. Łapi
ń
ski M. Miernictwo elektryczne WNT, Warszawa 1967
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
33
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 ka
ż
dym z tych torów wyst
ę
puj
ą
tak samo oznaczone
przeł
ą
czniki i organy regulacyjne.
Przykładowy opis dla kanału A
INPUT A - gniazdo wej
ś
ciowe kanału A
NORM/INV - przeł
ą
cznik polaryzacji sygnału mierzonego (odwraca faz
ę
obserwowanego przebiegu o 180
0
)
DC, GND, AC - przeł
ą
cznik o trzech poło
ż
eniach umo
ż
liwiaj
ą
cy wybór rodzaju
sprz
ę ż
enia:
DC - sprz
ę ż
enie bezpo
ś
rednie (stałopr
ą
dowe) umo
ż
liwiaj
ą
ce pomiar napi
ę
cia
stałego oraz napi
ę
cia zmiennego zawieraj
ą
cego składow
ą
stał
ą
; zakres
mierzonych cz
ę
stotliwo
ś
ci: 0 Hz - 15 MHz
AC - sprz
ę ż
enie zmiennopr
ą
dowe, wej
ś
cie zawiera kondensator odcinaj
ą
cy
składow
ą
stał
ą
napi
ę
cia mierzonego; zakres mierzonych cz
ę
stotliwo
ś
ci:
10 Hz - 15 MHz
GND - wej
ś
cie wzmacniacza doł
ą
czone do masy, sygnał mierzony podawany jest
na obci
ą ż
enie 1M
Ω
, 47 nF. Ta pozycja przeł
ą
cznika pozwala na
ustawienie linii odniesienia na zerowej linii siatki ekranu bez
konieczno
ś
ci odł
ą
czania oscyloskopu od
ź
ródła sygnału mierzonego.
VAR. CAL -
ś
rodkowe pokr
ę
tło (koloru czerwonego) słu
ż
y do regulacji
współczynnika wzmocnienia wzmacniacza odchylania pionowego.
Podczas pomiarów powinno znajdowa
ć
si
ę
w prawym skrajnym
poło
ż
eniu.
Przeł
ą
cznik zewn
ę
trzny słu
ż
y do skokowej regulacji współczynnika
tłumienia tłumika wej
ś
ciowego a tym samym do wyboru współczynnika
odchylania pionowego i jest opisany w jednostkach: V/cm , mV/cm
VERT MODE - zespół przeł
ą
czników o nast
ę
puj
ą
cych funkcjach:
CH A - kieruje do wzmacniacza sygnał doprowadzony do wej
ś
cia INPUT A
CH B - kieruje do wzmacniacza sygnał doprowadzony do wej
ś
cia INPUT B
ALT - wł
ą
cza tryb przemienny pracy przeł
ą
cznika elektronicznego (przeł
ą
czanie
z cz
ę
stotliwo
ś
ci
ą
ok. 20 Hz)
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
34
CHOP - wł
ą
cza tryb siekany pracy przeł
ą
cznika elektronicznego (przeł
ą
czanie z
cz
ę
stotliwo
ś
ci
ą
150 kHz)
ADD - umo
ż
liwia ogl
ą
danie sumy (algebraicznej) sygnałów z kanałów A i B
POSITION
↑↓
- pokr
ę
tło przesuwu obrazu w osi Y
Zespół przeł
ą
czników dotycz
ą
cych odchylania poziomego
MAGNIFIER - przeł
ą
cznik
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 napi
ę
cie odchylaj
ą
ce jest doprowadzane z zewn
ą
trz (do wej
ś
cia X or TRIG
INPUT):
pozycja X1 - współczynnik odchylania poziomego 0,5 V/cm
pozycja X5 - współczynnik odchylania poziomego 0,1 V/cm
VAR. CAL - przeł
ą
cznik współczynnika czasu i pokr
ę
tło (
ś
rodkowe koloru
czerwonego) płynnej regulacji współczynnika czasu
TRIG MODE - przeł
ą
czniki sposobu wyzwalania podstawy czasu:
AUTO - generator
podstawy
czasu
jest
wyzwalany
automatycznie
z
cz
ę
stotliwo
ś
ci
ą
ok. 20 Hz, bez wzgl
ę
du na istnienie czy brak sygnału
mierzonego. Zaleca si
ę
korzystanie z tego rodzaju wyzwalania,
poniewa
ż
umo
ż
liwia on ogl
ą
danie linii odniesienia jeszcze przed
przył
ą
czeniem sygnału mierzonego.
NORM - generator podstawy czasu jest wyzwalany sygnałem mierzonym, przy
braku tego sygnału na ekranie nie pojawia si
ę
linia odniesienia, co
sugerowa
ć
mo
ż
e uszkodzenie oscyloskopu !
TV-F
- generator podstawy czasu jest wyzwalany impulsem synchronizuj
ą
cym
ramk
ę
obrazu telewizyjnego
TV-L - generator podstawy czasu jest wyzwalany impulsem synchronizuj
ą
cym
lini
ę
obrazu telewizyjnego
SLOPE - przeł
ą
cznik wyboru zbocza (narastaj
ą
cego „+” lub opadaj
ą
cego „-”),
które wyzwala
ć
b
ę
dzie generator podstawy czasu
LEVEL HOLDOFF - regulacja poziomu napi
ę
cia od którego wyzwalany b
ę
dzie
generator podstawy czasu ( tryb pracy aktywny tylko przy wł
ą
czonym
przeł
ą
czniku NORM)
LEVEL HOLDOFF - (
ś
rodkowe pokr
ę
tło) - regulacja czasu powstrzymania
wyzwolenia generatora podstawy czasu. Wykorzystywane przy
ogl
ą
daniu zło
ż
onych sygnałów z układów elektronicznych.
Ć
wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny
35
TRIG SOURCE - zespół przeł
ą
czników słu
ż ą
cych do wyboru
ź
ródła 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
↔
↔
↔
↔
- pokr
ę
tło przesuwu zgrubnego i dokładnego (
ś
rodkowy
potencjometr) obrazu w osi X. Podczas pomiaru czasu (np. okresu
sygnału), pokr
ę
tło to powinno by
ć
ustawione w prawym skrajnym
poło
ż
eniu.
X or TRIG INPUT - gniazdo wej
ś
ciowe sygnału steruj
ą
cego płytkami
odchylania poziomego, słu
ż ą
ce tak
ż
e do wyzwalania generatora
podstawy czasu sygnałem zewn
ę
trznym. Gniazdo u
ż
ywane do
zdejmowania charakterystyk, np. pr
ą
dowo - napi
ę
ciowych.
ASTG - regulacja astygmatyzmu elektrycznego układu optycznego oscyloskopu
INTENSITY - regulacja jasno
ś
ci obrazu
FOCUS - regulacja ostro
ś
ci obrazu
SCALE ILUM - regulacja o
ś
wietlenia siatki naniesionej na ekran
POWER ON/OFF - wył
ą
cznik napi
ę
cia sieciowego