Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Instrukcja Zakładu Metrologii i Badań Jakości
Nr 4
Podstawy Metrologii
OSCYLOSKOP
OCENA ELEKTRYCZNYCH SYGNAŁÓW POMIAROWYCH
Opracował
dr inż. Stanisław Fita
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
2
1.
CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, zasady działania i obsługi oscyloskopu oraz
sposobów jego właściwego wykorzystania do obserwacji przebiegów czasowych sygnałów
elektronicznych.
2. WSTĘP
Oscyloskop jest uniwersalnym przyrządem pomiarowym, stosowanym do obserwacji
przebiegów elektrycznych w szerokim zakresie częstotliwości i pomiaru ich parametrów z
ograniczoną dokładnością. Odpowiednio dobrany układ pracy oscyloskopu pozwala nie tylko
mierzyć parametry przebiegu, ale również zdejmować charakterystyki statyczne i dynamiczne
przyrządów elektronicznych, mierzyć przesunięcie fazowe, rezystancję dynamiczną i inne.
3. BUDOWA I OBSŁUGA OSCYLOSKOPU ANALOGOWEGO
Blokowy schemat oscyloskopu przedstawiono na rys. 1. Na rysunku tym, obok bloków
funkcjonalnych składających się na układ poziomego odchylania wiązki w czasie oraz pojedynczy
tor pomiarowy (zazwyczaj torów pomiarowych jest kilka), zaznaczono podstawowe pokrętła i
przełączniki występujące na płycie czołowej typowych oscyloskopów. Rolę poszczególnych
bloków konstrukcyjnych oraz możliwości regulacji podstawowych nastaw omówiono poniżej (w
nawiasach podane jest nazewnictwo angielskie). Ich znajomość jest niezbędna dla prawidłowego
posługiwania się tym przyrządem.
3.1 LAMPA OSCYLOSKOPOWA
Głównym elementem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa. Na jej ekranie powstaje
obraz świetlny obserwowanych sygnałów lub wielkości. Obraz świetlny widoczny na ekranie
oscyloskopu jest wynikiem bombardowania ruchomą wiązką elektronów warstwy luminoforu
pokrywającej wewnętrzną powierzchnię ekranu. Źródłem wiązki jest działo elektronowe. Katoda
emituje elektrony, które następnie przyspieszane są w polu elektrycznym kolejnych anod działa
elektronowego. Parametry wiązki takie jak prędkość elektronów w strumieniu i średnica strumienia
decydujące o jakości obserwowanego obrazu można regulować pokrętłami panelu czołowego
opisanymi jako
T
JASNOŚĆ (INTENSITY)
T
i
T
OSTROŚĆ (FOCUS)
T
.
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
3
Sterowanie
działem
elektronowym
Lampa
oscyloskopowa
Odchylanie
poziome (X)
Odchylanie
pionowe (Y)
Wzmacniacz
sygnału
odchylania
poziomego X
Wzmacniacz
sygnału
odchylania
pionowego Y
Generator
rozciągu
(podstawy
czasu)
Układ
wyzwalania
generatora
rozciągu
Tłumik
JASNOŚĆ
OSTROŚĆ
POZYCJONOWANIE
W POZIOMIE
Układ pracy
automatycznej
TRYB
WYZWALANIA
ŹRÓDŁO
WYZWALANIA
POZIOM
ZBOCZE
czas/dz
REGULACJA
SKOKOWA I
PŁYNNA
WEJŚCIE
WYZWALAJĄCE
50 Hz
POZIOME ODCHYLANIE WIĄZKI
W CZASIE
Układ wyboru
toru
pomiarowego
POZYCJO-
NOWANIE
W PIONIE
volt/dz REGULACJA
SKOKOWA I PŁYNNA
Układ
sprzęgania
wejscia
WEJŚCIE
POMIAROWE 1
TOR POMIAROWY 1
TOR POMIAROWY 2
TOR
POMIAROWY
ZEWN
WEWN
50 Hz
NORM
AUTO
GND
AC
DC
TOR 2
TOR1
TOR 1 i 2
WYZWALANIE
Rys. 1. Schemat blokowy oscyloskopu
Wyemitowana przez działo elektronowe wiązka jest następnie odchylana zmiennym polem
elektrycznym w dwóch układach odchylania: pionowego -Y
T
(VERTICAL)
T
i poziomego -X
T
(HORIZONTAL)
T
. Zmiany pola elektrycznego w układach odchylania, wymuszone zmianami
napięcia przyłożonego do płytek odchylających, powodują, że wiązka elektronów uderza w co raz
to inne punkty ekranu powodując ruch plamki świetlnej obserwowany jako obraz oscyloskopowy.
Dla uzyskania dwuwymiarowego obrazu, potrzebne są dwa układy sterowania wiązką (plamką
świetlną), pionowy i poziomy. Z tego względu elementy regulacyjne na płycie czołowej
oscyloskopu można podzielić na dwa podstawowe zestawy regulatorów: zestaw sterujący ruchem
plamki świetlnej w pionie (
T
VERTICAL
T
)- związany z ustawianiem parametrów torów pomiarowych
oscyloskopu oraz zestaw sterujący ruchem plamki świetlnej w poziome (
T
HORIZONTAL
T
)- związany
z regulacją i wyzwalaniem podstawy czasu. Często w drugim zestawie samo wyzwalanie
podstawy czasu ujęte jest jako osobny zestaw regulatorów (przełączników) wyzwalania podstawy
czasu (
T
TRIGGER
T
).
3.2 POZIOMY RUCH PLAMKI ŚWIETLNEJ W CZASIE
Jeżeli przedmiotem pomiaru są parametry przebiegów odkształconych w czasie, to para
płytek odchylania poziomego (X) wiązki jest sterowana z układu poziomego odchylania wiązki w
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
4
czasie. Sygnał napięciowy sterujący odchylaniem wiązki w poziomie jest przebiegiem
piłokształtnym pokazanym na rys. 2. Po wystąpieniu impulsu wyzwalającego na wejściu
generatora rozciągu, w czasie roboczym plamka świetlna przesuwa się ze stałą prędkością
poziomą od lewej do prawej krawędzi ekranu w miarę jak rośnie liniowo napięcie między
elektrodami. Po osiągnięciu prawej krawędzi ekranu, plamka świetlna jest wygaszana sygnałem
sterującym działem elektronowym, a malejące napięcie między elektrodami powoduje powrót
plamki do lewej krawędzi ekranu. Dodatkowy odstęp czasu zarezerwowany jest na wystąpienia
stanów nieustalonych. Czas powrotu plamki i rezerwa na stany nieustalone stanowią czas martwy
w cyklu pracy układu poziomego odchylania wiązki. Wszystkie impulsy wyzwalające, które
wystąpią na wejściu generatora podstawy czasu w czasie pracy lub w czasie martwym są
ignorowane.
Do nastawiania
wartości czasu roboczego służy
przełącznik wielopozycyjny
rozciągu poziomego
T
CZAS/DZ
T
T
(TIME/DIV)
T
regulujący
częstotliwość drgań generatora
podstawy czasu. Skala opisująca
ten przełącznik określa ile
sekund (milisekund,
mikrosekund) potrzeba, aby
plamka świetlna przemieściła się
w poziomie na odległość równą
pojedynczej działce (kratce) na
osi odciętych. Z przełącznikiem
tym związane jest pokrętło
potencjometru, zamocowane na
wspólnej osi lub niezależnie
opisane jako
T
REGULACJA PŁYNNA (VARIABLE)
T
. W niektórych rozwiązaniach występuje również
przełącznik opisany jako
T
REGULACJA KALIBROWANA/PŁYNNA (CAL/VAR)
T
. Elementy te,
pokrętło lub przełącznik, decydują o tym czy praca odbywa się z czasem kalibrowanym czy też z
niekalibrowanym. Jeżeli czas jest kalibrowany (zerowe położenie pokrętła lub położenie
T
CAL
T
przełącznika) to jednostkowej działce poziomej ekranu odpowiada odcinek czasu ustawiony na
przełączniku rozciągu poziomego (
T
TIME/DIV)
T
i można mierzyć parametry czasowe (lub
częstotliwościowe) rejestrowanych przebiegów. Jeżeli czas nie jest kalibrowany (położenie
T
VAR
T
przełącznika lub niezerowe położenie pokrętła) to nie wiadomo, jaki odcinek czasu odpowiada
WYZWALANIE GENERATORA
ROZCIAGU PODSTAWY CZASU
rezerwa na stany
nieustalone
powrót plamki
czas martwy
czas roboczy
od tego momentu
dopuszczalny start
generatora rozciagu
(podstawy czasu)
SYGNAŁ ODCHYLANIA X
SYGNAŁ WYGASZANIA PLAMKI
ignorowane impulsy
wyzwalające
Rys. 2. Sygnały w układzie generacji podstawy czasu.
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
5
pojedynczej poziomej działce ekranu i pomiar czasu nie jest możliwy. Przy pomiarach parametrów
czasowych sygnału wygodnie jest przesunąć obraz w poziomie tak, aby wybrane punkty sygnału
odpowiadały położeniom działek na ekranie. Do tego celu służy pokrętło
T
POZYCJONOWANIE
OBRAZU W POZIOMIE
T
(
T
HORIZONTAL POSITION
T
).
Poziomy ruch plamki świetlnej po ekranie rozpoczyna się od lewej krawędzi po
wystąpieniu na wejściu generatora podstawy czasu impulsu wyzwalającego. We współczesnym
oscyloskopie analogowym istnieją przynajmniej dwa tryby wyzwalania automatyczny i normalny.
Wyboru trybu wyzwalania dokonuje się przełącznikiem
T
TRYB WYZWALANIA
T
(
T
TRIGGER MODE
T
)
ustawiając go w pozycji
T
AUTO
T
lub
T
NORM
T
. W trybie automatycznym (
T
AUTO
T
) impulsy wyzwalające
generowane są przez układy automatycznej pracy oscyloskopu. W trybie normalnym (
T
NORM
T
)
impulsy wyzwalające są generowane przez układ wyzwalania generatora rozciągu.
Układ wyzwalania generatora rozciągu formuje impulsy wyzwalające generator podstawy
czasu w momentach uzależnionych od wybranego źródła wyzwalania oraz ustawionych: zbocza
wyzwalającego i poziomu wyzwalania. Wyboru źródła wyzwalania dokonuje się przełącznikiem
T
ŹRÓDŁO WYZWALANIA
T
(
T
TRIGGER SOURCE
T
) ustawiając je w jedną z pozycji
T
WEWN
T
T
(CH1)
T
,
T
ZEWN
T
T
(EXT)
T
,
T
SIEĆ
T
T
(LINE)
T
. Położenie
T
WEWN (CH1)
T
oznacza, że moment wyzwalania będzie
uzależniony od charakteru zmienności obserwowanego sygnału. W oscyloskopie umożliwiającym
równoczesną obserwację kilku sygnałów (oscyloskopy dwukanałowe, dwustrumieniowe
wielokanałowe) przy wyzwalaniu wewnętrznym należy wybrać odpowiedni sygnał wyzwalający
(
T
CH1, CH2, ...
T
). W ustawieniu
T
EXT
T
momenty
wyzwalania będą zdeterminowane własnościami
zewnętrznego sygnału podawanego na
T
WEJŚCIE
WYZWALAJĄCE
T
T
(EXT TRIG IN)
T
oscyloskopu.
Wreszcie w ustawieniu
T
LINE
T
momenty wyzwalania
będą zdeterminowane przez własności sygnału
sieci zasilającej 220V 50Hz.
Przełącznik
T
ŹRÓDŁO WYZWALANIA
T
(
T
TRIGGER
SOURCE
T
) pozwala wybrać sygnał, którego
własności zadecydują o momentach generowania
impulsów wyzwalających. Sam moment
wyzwalania jest zdeterminowany pozycją
przełącznika
T
ZBOCZE
T
T
(SLOPE)
T
oraz pokrętła
T
POZIOM
T
T
(TRIGGER LEVEL)
T
. Pokrętło
T
POZIOM
T
decyduje, przez jaki poziom musi przejść sygnał
wyzwalający, aby nastąpiła generacja impulsu
wyzwalającego. Przełącznik
T
ZBOCZE
T
decyduje
TRIG LEVEL
1
TRIG
LEVEL
2
TRIG LEVEL
3
SYGNAŁ WYZWALANIA GENERATORA
WEJŚCIE UKŁADU WYZWALANIA
przy TRIG LEVEL
1
(za wysoki)
przy TRIG LEVEL
3
(za niski)
przy TRIG LEVEL
2
, SLOPE+
przy TRIG LEVEL
2
, SLOPE-
Rys. 3. Wyzwalanie generatora rozciągu w
zależności od ustawień TRIG LEVEL i SLOPE
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
6
czy będzie to przejście powyżej tego poziomu (na zboczu narastającym) czy poniżej tego poziomu
(na zboczu opadającym). Ideę wyboru zbocza i nastawienia poziomu wyzwalania obrazuje rys. 3.
Odpowiedni dla danego pomiaru wybór sygnału wyzwalającego oraz ustalenie zbocza
wyzwalającego i poziomu wyzwalania są warunkami uzyskania stabilnego obrazu w pomiarach
oscyloskopowych sygnałów powtarzalnych. Jeżeli poziom wyzwalania (
T
TRIGGER LEVEL
T
) jest
zbyt wysoki lub zbyt niski w stosunku do zakresu zmienności sygnału wyzwalającego to w trybie
T
NORM
T
nie następuje generacja impulsów wyzwalających (rys. 3) i nie pojawia się obraz na
ekranie oscyloskopu. W trybie
T
AUTO
T
układ pracy automatycznej generuje impulsy wyzwalające,
dzięki czemu otrzymuje się obraz na ekranie niezależnie od parametrów sygnału, ale obraz może
być niestabilny.
3.3 PIONOWY RUCH PLAMKI ŚWIETLNEJ STEROWANY REJESTROWANYM PRZEBIEGIEM
Przy obserwacji przebiegów, rejestrowany sygnał zmienny w czasie jest podawany na
płytki odchylania pionowego. Wskutek zmienności w czasie sygnału podawanego na
T
WEJŚCIE
POMIAROWE
T
(oznaczone odpowiednio do toru pomiarowego
T
Y1
T
,
T
Y2
T
lub
T
CH1
T
,
T
CH2;
T
są to wejścia
napięciowe) zmienia się pole elektryczne między płytkami odchylania pionowego, co obserwuje
się jako ruch plamki świetlnej w kierunku pionowym. W pojedynczym torze pomiarowym można
wyróżnić 3 podstawowe bloki funkcjonalne: układ sprzęgania wejścia, tłumik i wzmacniacz
sygnału odchylania pionowego.
Parametry pojedynczego toru pomiarowego ustawia się za pomocą trzech regulatorów na
płycie czołowej oscyloskopu. Pierwszym jest potencjometr przesuwania poziomu zera -
T
POZYCJONOWANIA W PIONIE
T
(
T
VERTICAL POSITION
T
). Umożliwia on przesuwanie obrazu w
pionie, tak aby wybrane punkty sygnału odpowiadały położeniom działek osi rzędnych na ekranie.
Drugi z elementów to przełącznik wielopozycyjny rozciągu pionowego
T
VOLT/DZ
T
T
(VOLTS/DIV),
T
określany jako
T
CZUŁOŚĆ
T
T
(SENSITIVITY)
T
Skala opisująca ten przełącznik określa ile woltów
(miliwoltów, mikrowoltów) obrazowanego napięcia przypada na pojedyncza działkę osi rzędnych
ekranu. Z przełącznikiem tym związane jest pokrętło potencjometru, z reguły zamocowane na
wspólnej osi pozwalające płynnie zmieniać wartość napięcia odpowiadającą pojedynczej działce
(kratce) pionowej ekranu. Położenie tego pokrętła decyduje czy jest kalibrowana czy nie oś
odchylania pionowego. Jeżeli oś jest kalibrowana (zerowe położenie pokrętła) to jednej działce
pionowej ekranu odpowiada wartość mierzonego napięcia ustawiona na przełączniku rozciągu
pionowego (
T
VOLTS/DIV
T
) i można oceniać parametry napięciowe rejestrowanego przebiegu. Jeżeli
os Y nie jest kalibrowana (niezerowe położenie pokrętła) to nie wiadomo, jaka zmiana napięcia
odpowiada pojedynczej pionowej działce ekranu. Trzecim elementem regulacyjnym jest
przełącznik decydujący o sposobie sprzęgania wejścia z torem Y (
T
COUPLING
T
). Standardowo
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
7
można go ustawić w jednym z trzech położeń opisanych jako
T
AC
T
,
T
GND
T
,
T
DC
T
. Położenie
T
AC
T
oznacza blokowanie składowej stałej sygnału i jest użyteczne przy obserwacji sygnałów o
dominującej składowej stałej. Po zablokowaniu składowej stałej, sygnał mierzony można
obserwować przy ustawionej dużej rozdzielczości napięciowej. W położeniu
T
GND
T
wejście toru
pomiarowego jest zwarte do masy oscyloskopu a sygnał z wejścia pomiarowego jest odłączony.
Pozwala to na ustalenie poziomu zerowego na ekranie. W trzecim położeniu
T
DC
T
, sygnał
podawany jest bezpośrednio na dalsze układy bez eliminacji składowej stałej ani żadnych innych.
Trzy podstawowe, wymienione elementy regulacyjne są niezależne dla każdego toru
pomiarowego oscyloskopu i powielone tyle razy ile torów pomiarowych posiada oscyloskop.
Czasami można spotkać dodatkowe elementy regulacyjne dla wybranych kanałów takie jak
przełącznik
T
INWERSJA (NORM/INV)
T
pozwalający na zwierciadlane odbicie sygnału napięciowego
względem poziomu 0, lub przełącznik
T
X1/X5
T
umożliwiający dodatkowe powielenie lub podzielenie
sygnału wejściowego w stosunku do nastaw przełącznika rozciągu pionowego.
3.4 POMIARY WIELOKANAŁOWE
Współczesne oscyloskopy posiadają z reguły przynajmniej dwa tory pomiarowe, co
umożliwia równoczesną obserwacje dwóch przebiegów. Wyboru obserwowanego sygnału
dokonuje się ustawiając odpowiednio przełącznik wyboru
T
TORU POMIAROWEGO
T
oznaczany z
reguły
T
MODE
T
(w grupie
T
VERTICAL
T
). Bardziej rozbudowane wersje oscyloskopów oprócz
pomiarów z pojedynczych kanałów (położenia
T
CH1
T
,
T
CH2
T
przełącznika
T
MODE
T
), umożliwia pomiar
obserwowanych sygnałów w dwu kanałach jednocześnie (położenie
T
DUAL
T
przełącznika
T
MODE
T
),
pozwalają również na wykonywanie pewnych operacji na sygnałach np. ich dodawanie (
T
ADD
T
),
odejmowanie, mnożenie itp. W oscyloskopie dwukanałowym (wielokanałowym) przełącznik źródła
wyzwalania podstawy czasu (
T
TRIGGER SOURCE
T
) musi umożliwiać wyzwalania z każdego
kanału (a często także umożliwia wyzwalanie podstawy czasu sygnałem wypadkowym).
Jeżeli konstrukcja lampy oscyloskopowej umożliwia emisję i sterowanie dwóch strumieni
elektronów (dwóch plamek świetlnych) to każdy z kanałów pomiarowych steruje odchylaniem
jednego ze strumieni (lampę oscyloskopową o takich własnościach nazywamy lampą
dwustrumieniową). Jeżeli oscyloskop nie jest wyposażony w lampę dwustrumieniową, to jest on
wyposażony w układ przełączania umożliwiający pracę w jednym z dwóch trybów: przełączanym
T
(ALT)
T
lub siekanym
T
(CHOP)
T
rys. 4.
Tryb przełączany
T
(ALT)
T
oznacza, że odchylanie w kierunku poziomym (podstawy czasu)
jest przełączane, co cykl z jednego kanału do drugiego. W trybie siekanym, w ramach jednego
poziomego przejścia plamki przez ekran sterowanie jest przełączane z dużą częstotliwością
pomiędzy torami pomiarowymi 1 i 2. Tryb pracy układu przełączania jest wybierany odpowiednim
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
8
przełącznikiem na płycie czołowej oscyloskopu (
T
ALT/CHOP
T
) lub może być związany z położeniem
przełącznika rozciągu poziomego i zdeterminowany przez wybór częstotliwości podstawy czasu.
Jeżeli wybór trybu pracy układu przełączania dokonywany jest niezależnym przełącznikiem płyty
czołowej to zaleca się wybór pracy w trybie siekanym dla sygnałów o małej częstotliwości
(nastawy przełącznika rozciągu poziomego na wartości powyżej 10 ms/div), a wybór pracy w
trybie przełączanym dla sygnałów o dużej częstotliwości (nastawy przełącznika rozciągu
poziomego na wartości poniżej 0,1 ms/div). Dla nastaw pośrednich można wybrać jeden z trybów,
przy czym tryb siekany daje stabilniejszy obraz.
W oscyloskopach dwukanałowych istnieje z reguły możliwość takiego skonfigurowania
przyrządu, aby sygnał jednego toru pomiarowego sterował odchylaniem plamki w pionie, a
drugiego toru odchylaniem plamki w poziomie. Ten tryb pracy oscyloskopu (bez wyzwalania
podstawy czasu), nazywany XY, jest szczególnie użyteczny w przypadku pomiarów przesunięcia
fazowego (figury Lissajous), rezystancji dynamicznej oraz obrazowania charakterystyk
statycznych i dynamicznych elementów elektronicznych. Możliwości pomiarowe oscyloskopów
można rozszerzyć również przez zastosowanie odpowiednich sond pomiarowych dołączanych do
wejść pomiarowych.
4. RODZAJE OSCYLOSKOPÓW
Produkowane obecnie oscyloskopy można podzielić na następujące grupy: oscyloskopy
analogowe, oscyloskopy analogowe z lampą pamiętającą, oscyloskopy cyfrowe.
(a)
(b)
Rys. 4. Ruchy plamki świetlnej dla trybów pracy układu przełączania ALT (a) i CHOP (b)
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
9
4.1 OSCYLOSKOPY ANALOGOWE
W oscyloskopie analogowym obraz przebiegu jest rysowany na ekranie lampy
oscyloskopowej w czasie rzeczywistym, tzn. plamka świetlna porusza się na ekranie śledząc
aktualne zmiany rejestrowanej wielkości z upływem czasu, lub jednej wielkości w funkcji drugiej
wielkości.
Do podstawowych pomiarowych parametrów oscyloskopu analogowego należą:
- pasmo
częstotliwości oscyloskopu
- współczynnik odchylania toru Y
- współczynnik czasu
- liczba
torów
wejściowych
- parametry lampy oscyloskopowej
Większość współczesnych oscyloskopów posiada przynajmniej dwa tory wejściowe
(kanały wejściowe), co umożliwia jednoczesną obserwację dwu różnych przebiegów i ich
wzajemne porównywanie. Osiąga się to przez zastosowanie jednego z dwu rozwiązań
technicznych: dwustrumieniowej lampy oscyloskopowej lub przełącznika elektronicznego, który
przełącza lampę oscyloskopową miedzy przebiegami torów. Rejestracja pojedynczych
przebiegów, (wyzwalanych jednorazowo) jest możliwa na oscyloskopie analogowym jedynie przy
zastosowaniu dodatkowego wyposażenia, np. sprzężonego aparatu fotograficznego.
4.2 OSCYLOSKOPY ANALOGOWE Z LAMPĄ PAMIĘTAJĄCĄ
Są to oscyloskopy analogowe wyposażone w lampę o specjalnej konstrukcji (lampę
pamiętającą) która oprócz zwykłej obserwacji obrazu (jak w oscyloskopie analogowym) umożliwia
zapamiętanie wewnątrz lampy obrazu przebiegu i wyświetlanie go przez pewien czas na ekranie
przez co ułatwia obserwację pojedynczych przebiegów. Podstawowe parametry takiej lampy to:
- rodzaj
pamięci (bistabilna lub o zmiennym czasie poświaty);
- czas
pamiętania;
- szybkość rysowania wyrażona w cm/
µs;
4.3 OSCYLOSKOPY CYFROWE
Szybki postęp technologiczny w dziedzinie wytwarzania układów cyfrowych o dużym
stopniu integracji, a zwłaszcza przetworników analogowo-cyfrowych i mikroprocesorów, otworzył
drogę do produkcji oscyloskopów cyfrowych. Działanie oscyloskopu cyfrowego polega na
pobieraniu próbek badanego sygnału równych jego wartości chwilowej w momencie próbkowania,
oraz zapamiętaniu ich (po przetworzeniu w przetworniku AC na postać słowa cyfrowego) w
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
10
pamięci cyfrowej. Sygnał odczytywany z pamięci jest wyświetlany w sposób stabilny na ekranie.
Istotnymi zaletami oscyloskopów cyfrowych są: możliwość matematycznej obróbki zapamiętanych
sygnałów i automatyzacji pomiaru różnych parametrów sygnału (analizatory przebiegów),
możliwość zapamiętywania i przesyłania sygnałów na duże odległości, możliwość sprzęgania
oscyloskopu z systemami pomiarowymi, możliwość barwnej prezentacji wielu przebiegów na
monitorze z kolorową lampą kineskopową i inne. Główne parametry oscyloskopów cyfrowych to:
- pasmo
częstotliwości dla przebiegów jednorazowych (graniczna częstotliwość próbkowania)
- pasmo
częstotliwości dla przebiegów powtarzalnych
- zdolność rozdzielacza w kierunku osi poziomej i pionowej (rozdzielczość stosowanego
przetwornika analogowo-cyfrowego)
Ze względu na malejące ceny układów dużej skali integracji oraz możliwościami
wynikającymi z cyfrowej obróbki sygnału oscyloskopy cyfrowe stają się coraz popularniejsze.
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
11
PYTANIA KONTROLNE
1. Wyjaśnić funkcje poszczególnych bloków oscyloskopu.
2. Podać właściwości oscyloskopu w odniesieniu do pomiaru parametrów sygnałów. Jaki tryb
wyzwalania należy przyjąć, jeśli na wejścia nie podajemy żadnego sygnału a chcemy ustalić oś
zera?
3. Jak powinna przebiegać procedura regulacji oscyloskopu po podłączeniu sygnału na wejście
mająca na celu uzyskanie stabilnego obrazu?
4. Jaka jest różnica pomiędzy trybami wyzwalania AUTO i NORM?
5. O czym należy pamiętać chcąc odczytać parametry napięciowe i czasowe badanego sygnału?
6. Wyjaśnić zasadę pomiaru i określenia wartości parametrów sygnału.
7.
Wyjaśnić działanie układu umożliwiającego obserwację na ekranie oscyloskopu charakterystyki
diody półprzewodnikowej
LITERATURA:
[1] Rydzewski J., Pomiary Oscyloskopowe, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa
1994
[2] Rydzewski J., Oscyloskop Elektroniczny, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa
1982
[3] Rrien van Erk, Oscilloscopes, Functional Operation and Measuring Examples, McGraw-Hill
Book Company, 1978
[4] Rydzewski J. Oscyloskop elektroniczny. WNT. Warszawa 1994.
[5] Marcyniuk A., Pasecki E., Pluciński M., Szadkowski B. Podstawy metrologii elektrycznej.
WNT Warszawa 1984.
[6] Miernictwo elektryczne – ćwiczenia laboratoryjne. Praca zbiorowa pod redakcją D. Koczeli.
Oficyna wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2001
[7]
Podstawy metrologii technicznej – laboratorium. Praca zbiorowa pod redakcją J.
Bednarczuka. Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, AGH. Kraków 2000.
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
12
5. PROGRAM ĆWICZENIA
Rys.5. Płyta czołowa oscyloskopu.
U
I. Zapoznać się z rozkładem następujących regulatorów, przełączników i gniazd na płycie
czołowej oscyloskopu
U
:
• Jaskrawość
T
(INTENSITY)
T
i ostrość
T
(FOCUS)
T
Blok odchylania pionowego
T
(VERTICAL)
• Doprowadzenia sygnału do wzmacniacza pionowego (gniazda) (INPUT) CH1 i X oraz CH2
i Y
• Przełącznik wyboru sprzężenia sygnału wejściowego ze wzmacniaczem odchylania
pionowego (COUPLING) AC, GND, DC
• Regulator czułości wzmacniacza odchylania pionowego (VOLTS/DIV) skokowy i płynny
(VARIABLE)
• Regulator położenia przebiegu w kierunku pionowym (VERTICAL POSITION)
• Przełącznik wyboru trybu pracy odchylania pionowego (VERTICAL MODE) CH1, CH2,
DUAL, ADD
Blok odchylania poziomego (HORIZONTAL)
• Regulator wyboru skalowanej podstawy czasu i trybu X-Y (TIME/DIV)
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
13
• Regulator ciągłej zmiany podstawy czasu (VARIABLE)
• Regulator położenia przebiegu w kierunku poziomym (HORIZONTAL POSITION)
Blok wyzwalania (TRIGGER)
• Przełącznik wyboru trybu wyzwalania (TRIGGER MODE): AUTO, NORM, TV-V, TV-H
• Przełącznik wyboru źródła wyzwalania (TRIGGER SOURCE): CH1, CH2, LINE, EXT
• Regulator punktu (poziomu) wyzwalania (TRIGGER LEVEL)
• Przełącznik wyboru zbocza wyzwalającego odchylanie (TRIGGER SLOPE)
• Doprowadzenie zewnętrznego sygnału wyzwalającego do układów wyzwalania (gniazdo)
(EXT TRIG IN)
U
II. Podłączyć z generatora do wejścia CH1 sygnał sinusoidalny o częstotliwości 10 kHz,
amplitudzie ok. 4 V.
1. Uzyskać na ekranie oscyloskopu stabilny obraz dwóch okresów. Zanotować ustawienia
wszystkich regulatorów i przełączników wymienionych w punkcie I. Sprawdzić regulację
jaskrawości i ostrości, dobrać warunki optymalne.
2. Ustawić przełącznik wyboru trybu pracy odchylania pionowego na CH1, a następnie dla
tego kanału:
a) Sprawdzić możliwość regulacji (i jej efekty) czułości skokowej i płynnej wzmacniacza
odchylania pionowego oraz ewentualne jej mnożniki (x10, x2, x1 itp.).
b) Ustawić mnożniki na x1, wyłączyć regulację płynną a skokową ustawić tak aby badany
przebieg mieścił się na ekranie.
c) Ustawić przełącznik wyboru sprzężenia sygnału wejściowego ze wzmacniaczem
odchylania pionowego w pozycję GND i regulatorem położenia przebiegu w kierunku
pionowym ustawić poziomą linię na najbliższą pełną działkę (w przypadku braku obrazu
ustawić tryb wyzwalania na AUTO). Następnie przełączając sprzężenie na AC i DC
zaobserwować efekty i dokonać pomiaru amplitudy i składowej stałej sygnału mnożąc
odczyty w działkach (DIV) przez ustawioną czułość (VOLTS/DIV).
d) Pomiary amplitudy i składowej stałej powtórzyć dla kilku różnych ustawień tych
parametrów na generatorze.
3. Przy pośredniej częstotliwości sygnału badanego, trybie pracy odchylania pionowego-CH1,
sprzężeniu - AC, trybie wyzwalania - AUTO i źródle wyzwalania - CH1:
a) Sprawdzić regulację (i jej efekty) poziomu wyzwalania (zwrócić uwagę na początek
obrazu sygnału na ekranie).
b) Przy stabilnym obrazie sprawdzić działanie przełącznika zbocza wyzwalającego.
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
14
c) Przy stabilnym obrazie przełączyć tryb wyzwalania na NORM i ponownie obserwować,
co daje regulacja poziomem wyzwalania.
d) Sprawdzić wpływ ustawienia regulatora czułości wzmacniacza odchylania pionowego na
regulację poziomu wyzwalania.
e) Przy stabilnym obrazie, w trybie wyzwalania AUTO (a następnie NORM) zmienić źródło
wyzwalania.
f) Przy niestabilnym obrazie, w trybie wyzwalania AUTO zmieniać płynnie regulację
podstawy czasu. Czy przy pomocy tego pokrętła jest możliwe uzyskanie stabilnego
obrazu?
U
III. Podłączyć sygnały do wejść CH1 i CH2
Z generatora funkcji doprowadzić do obu wejść oscyloskopu sygnał sinusoidalny o
częstotliwości ok. 10 kHz.
4. Sprawdzić możliwość obserwacji raz jednego raz drugiego i obu na raz (wybór trybu pracy
odchylania pionowego)
5. Sprawdzić możliwość obserwacji jednego kanału przy wyzwalaniu z drugiego. Czy rodzaj
sprzężenia ma wpływ na regulację poziomu wyzwalania?
6. W dwukanałowym (DUAL) trybie pracy odchylania pionowego zaobserwować pracę w trybie
ATL i CHOP.
7. Sprawdzić jak działa oscyloskop w trybie X-Y
U
VI Określić parametry sygnału sinusoidalnego
Pomiary parametrów sygnałów
•
Pomiary amplitudy i wartości skutecznej przebiegów sinusoidalnych.
Wartość skuteczną napięcia sinusoidalnego wyznacza się oscyloskopem mierząc długości
odcinka w kierunku osi x odpowiadającego amplitudzie sygnału. Wartość długości tego
odcinka zależy także od współczynnika wzmocnienia k
B
CH
B
wybranego położeniem przełącznika
VOLTS/DIV.
Wartość zmierzonego sygnału można obliczyć
CH
CH
m
L
k
U
⋅
=
Wartość skuteczna zmierzonego napięcia sinusoidalnego
P
2
U
U
m
=
Oszacowanie niedokładności pomiaru napięcia.
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
15
Jeśli przyjmiemy, że dokładność pomiaru odcinka L
B
CH
B
wynosi δL
B
CH
B
= 0.1dz
a niedokładność
współczynnika wzmocnienia k
B
CH
B
wynosi δk
B
CH
B
= 5%.
Wówczas:
%
100
U
U
U
k
%
100
L
L
U
U
CH
CH
CH
m
δ
⋅
=
∆
δ
+
⋅
δ
=
δ
=
δ
Wynik pomiaru wyrażony w [V] należy przedstawić następująco:
U
U
U
pop
∆
±
=
Pomiary okresu i częstotliwości sygnałów okresowych
T
1
f
L
k
T
t
t
=
⋅
=
Jeśli okres T wyrażony jest w sekundach (s) wówczas f jest wyrażone w hercach (Hz).
U
V Oszacowanie niedokładności pomiaru okresu i częstotliwości
Jeśli przyjmiemy, że dokładność pomiaru odcinka L
B
t
B
wynosi δL
B
t
B
= 0.1dz
a niedokładność
współczynnika wzmocnienia k
B
t
B
wynosi δk = 5%
Wtedy:
%
100
f
f
f
%
100
T
T
T
c
%
100
L
L
f
T
t
t
t
δ
⋅
=
∆
δ
⋅
=
∆
δ
+
⋅
δ
=
δ
=
δ
U
VI Pomiary parametrów sygnału z przesunięciem fazowym
Oscyloskop dwukanałowy umożliwia obserwację przesunięcia fazowego przebiegów
sygnałów, jeśli badane sygnały można obserwować jednocześnie. Dla zwiększenia
dokładności odczytów należy przełącznikami obu kanałów doprowadzić do podobnych
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
16
wymiarów obu obrazów sygnałów (wysokość obrazu sygnałów powinna obejmować ok. 2/3
wysokości ekranu).
C
1
÷ C
3
R
2
R
1
Wejście
CH1
Wejście
CH2
Rys.6. Schemat filtru RC (czwórnika biernego) dającego przesunięcie fazowe
i tłumienia zależne od częstotliwości sygnału
Do obu wejść oscyloskopu doprowadza się badane sygnały. Na ekranie należy wyznaczyć
wartość długości L
B
o
B
odpowiadającej czasowi trwania okresu badanego sygnału oraz długość
Lφ różnicy względnego położenia sygnału wejściowego i wyjściowego (rys 7.).
0
(x)
t
y
(V)
B
A
T
(2π)
= T
(360)
=L
o
∆t = φ = Lφ
t
A
y
ω
sin
=
)
sin(
ϕ
ω
+
=
t
B
y
Rys.7. wzajemna relacja dwóch przebiegów sinusoidalnych
.
Wartość przesunięcia fazowego można wyznaczyć ze wzoru:
ο
ϕ
π
=
∆
π
=
ϕ
L
L
2
T
t
2
Błąd wyznaczenia wartości przesunięcia fazowego:
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
17
o
o
L
L
L
L
b
a
∆
+
∆
=
δ
+
δ
=
δϕ
ϕ
ϕ
gdzie:
ϕ
L
∆
,
o
L
∆
- niedokładności pomiaru odległości na ekranie oscyloskopu.
FIGURY LISSAJOUS
Dla wyznaczenia przesunięcia fazowego dwóch sygnałów można również wykorzystać
figury Lissajous
(Lisażu). Sygnały doprowadza się do płytek odchylania poziomego i
pionowego (wyłączony generator podstawy czasu). Uzyskany na ekranie obraz jest elipsą,
jeśli stosunek częstotliwości obu sygnałów jest równy 1:1.
b
a
b
a
b
a
a,b
b
a
2
3
;
2
π
π
2
3
;
2
π
π
π
4
5
;
4
3
π
π
4
7
;
4
π
π
Rys. 7. Obrazy różnicy faz (figury Lissajous) przebiegów sinusoidalnych o tej samej częstotliwości.
X
Y
sygnał wyjściowy
T
φ
sygnał wejściowy
H
D
K
L
C
G
Y
F
E
B
N
M
Rys.8. Schemat do wyznaczenia przesunięcia fazowego sygnałów z elipsy Lissajous.
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji
Zakład Metrologii i Badań Jakości
Opracował: dr inż. Stanisław FITA
18
Wartość przesunięcia fazowego sygnałów można na podstawie rys.8 obliczyć wg wzoru:
GH
EF
CD
AB
sin
=
=
ϕ
lub
KL
MN
2
tg
=
ϕ
WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI DIODY PÓŁPRZEWODNIKOWEJ.
Obraz charakterystyki diody uzyskuje się podając na wejście oscyloskopu CH2 sygnał
okresowo zmienny podłączony do płytek odchylania poziomego (przełącznik podstawy czasu
w pozycji X-Y), który opisuje jedną z wielkości charakterystyki, a na wejście CH1 sygnał
proporcjonalny do drugiej wielkości charakterystyki.
P
z
wej. X
R
2
R
1
D
1
, D
2
230V
50Hz
wej. Y
C
Badana dioda
przełącznik
Rys. 9. Układ do badania charakterystyki statycznej diód
Układ pomiarowy do wyznaczenia charakterystyki diody przedstawiono na rysunku 9. W
układzie tym dioda zasilana jest prądem przemiennym, spadek napięcia na rezystorze R jest
mierzony na wejściu CH1 oscyloskopu, natomiast spadek napięcia na diodzie D jest mierzony
na wejściu CH2
1
CH
1
CH
1
CH
D
2
CH
2
CH
R
D
L
k
U
U
R
L
k
R
U
I
⋅
=
=
⋅
=
=
gdzie:
k
B
CH1
B
, k
B
CH2
B
- współczynniki wzmocnienia wejść CH1 i CH2.
L
B
CH1
B
, L
B
CH2
B
- długości mierzone w kierunku osi Y (CH1) i osi X (CH2)
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
podst metr 5 instr
podst metr 1 instr id 366053 Nieznany
podst metr 2
podst metr 1
podst metr 6
3(1), PWR [w9], W9, 3-4, 1 semestr, Podst Metr i tech eksp, Metrologiaa!!!!!!, Metrologiaa!!!!!!
podst metr 5
podst metr 7
podst metr 3
podst metr 2
podst metr 2
podst metr 6
więcej podobnych podstron