Kacper Kruszec

GR 19 AiR 2008/2009

Maciej Kural
Krzysztof Kozubski
Dominik Leśniak
Michał Rybałtowski

Wydział In

ż

ynierii Mechanicznej I Robotyki

Metrologia

Sprawozdanie

Temat:

„Zastosowanie oscyloskopu katodowego”

Oscyloskop został wynaleziony przez Thomasa Edisona. Stosuje się go

najczęściej do badania przebiegów szybkozmiennych sygnałów elektrycznych
oraz pomiaru ich parametrów, niemożliwych do bezpośredniej obserwacji
przez człowieka. Pierwotnie oscyloskopy budowane były w oparciu o lampę
oscyloskopową (oscyloskop analogowy). Obecnie dzięki rozwojowi elektroniki
cyfrowej buduje się oscyloskopy cyfrowe. W oscyloskopie analogowym
przebieg po wzmocnieniu steruje w płaszczyźnie pionowej plamką świetlną
na ekranie oscyloskopu a w poziomie plamka jest sterowana albo z
regulowanego generatora podstawy czasu (dzięki temu uzyskujemy obraz
zmian napięcia sygnału w czasie), albo z sygnału odniesienia. Oscyloskop
analogowy zazwyczaj nie posiadał możliwości zapamiętania przebiegu, więc w
celu stałego wyświetlania go na ekranie oscyloskopu musiał być podawany
cyklicznie, dlatego też w celu takich właśnie przebiegów najczęściej był
używany (przebiegi prądu zmiennego). Zmieniło się to wraz z wprowadzeniem
oscyloskopów cyfrowych, które potrafią "zapamiętać" przebieg sygnału i
odtworzyć go na ekranie nawet po jego zaniku. Dzięki zastosowaniu układów
pamięciowych i przetworników analogowo-cyfrowych w oscyloskopach
cyfrowych, lampa oscyloskopowa stała się zbędna i została wyeliminowana
przez mniejsze i bardziej uniwersalne wyświetlacze ciekłokrystaliczne.

Rozróżnia się trzy rodzaje oscyloskopów:

•

z odchylaniem ciągłym lub okresowym,

•

uniwersalne z odchylaniem ciągłym i wyzwalanym,

•

szybkie (bardzo dużej częstotliwości).

W zależności od technologii analizy sygnału wyróżnić można oscyloskopy:

•

analogowe z lampą oscyloskopową na której obraz generowany jest w
wyniku oddziaływania obserwowanych przebiegów na układ
odchylania wiązki elektronowej

•

cyfrowe z monitorem wyświetlającym obraz wygenerowany przez układ
mikroprocesorowy na podstawie analizy zdigitalizowanych sygnałów
wejściowych.

Oscyloskopy mogą występować jako system wbudowany albo
oprogramowanie.

Z uwagi na sposób pomiaru dzieli się oscyloskopy analogowe na:

•

oscyloskop jednostrumieniowy - może pracować także w systemie
dwukanałowym, sygnały badane z zakresu 0 Hz do ok. 3 GHz

•

oscyloskop dwustrumieniowy - lampa oscyloskopowa o dwóch
strumieniach elektronów, co pozwala na jednoczesne badanie dwóch
sygnałów, posiadają jeden generator podstawy czasu

•

oscyloskop stroboskopowy (próbkujący) - z badanego przebiegu
pobiera próbki przesunięte w czasie, a obwiednia jest zapisem sygnału,
stosowany do badania przebiegów powtarzalnych

•

oscyloskop z pamięcią - pozwalają na pomiary różnych sygnałów,
także aperiodycznych.

Ponad to każdy oscyloskop bez względu na rodzaj posiada:

•

potencjometr płynnej regulacji okresu podstawy czasu (rozciąganie
przebiegu w poziomie)

•

potencjometr płynnej regulacji czułości (rozciąganie przebiegu w
pionie)

•

potencjometr regulacji poziomu wyzwalania, pozwalający na
ustawienie punktu wyzwalania na zboczu obserwowanego
przebiegu.

Analiza przebiegów:

1.

Ustawienia oscyloskopu:
Okres podstawy czasu:

0,2 ms/dz

Czułość:

0.5V/dz

Aby wyznaczyć okres sygnału
należy policzyć ilość działek
przypadających na jeden okres
sygnału(5,5 dz) i pomnożyć ją przez
okres podstawy czasu (0,2 ms/dz),
czyli:

1

.

1

2

,

0

5

,

5

=

⋅

ms

W celu wyznaczenia amplitudy
sygnału należy policzyć ilość działek
pomiędzy największym

wychyleniem a zerem(1,9dz) i pomnożyć ją przez czułość(0,5 V/dz) czyli:

95

,

0

5

,

0

9

,

1

=

⋅

V

W celu wyznaczenia częstotliwości sygnału należy wiedzieć iż jest ona
odwrotnością okresy sygnału czyli:

900

1

.

1

1

≈

Hz

2.

Ustawienia oscyloskopu:
Okres podstawy czasu:

0,2 ms/dz

Czułość:

1V/dz

Okres, amplitudę i częstotliwość
sygnału wyznaczamy w analogiczny
do pierwszego przykładu sposób,
czyli:
Okres:

1

2

,

0

5

=

⋅

ms

Amplituda:

3

1

3

=

⋅

V

Częstotliwość: 1kHz

3.

Ustawienia oscyloskopu:
Okres podstawy czasu:

0,2 ms/dz

Czułość:

0,5V/dz

W celu wyznaczenia parametrów
sygnału postępujemy w ten sam
sposób co w przykładzie drugim i
trzecim i otrzymujemy:
Okres:

88

,

0

2

,

0

4

,

4

=

⋅

ms

Amplituda:

5

,

1

5

,

0

3

=

⋅

V

Częstotliwość:

136

,

1

88

,

0

1

≈

kHz

Ocyloskop można również wykorzystać do porównania częstotliwości i
przesunięcia fazowego dwóch przebiegów napięć sinusoidalnie zmiennych. W
tym przypadku odłącza się generator liniowej podstawy czasu od płytek
odchylania poziomego, podając w to miejsce napięcie sinusoidalne zmienne o
znanej częstotliwości f

x

. Jeżeli do płytek odchylania pionowego doprowadzić

również napięcie sinusoidalne, którego częstotliwość f

y

tworzy z

częstotliwością sinusoidalnej podstawy czasu stosunek f

x

/f

y

= m/n, to na

ekranie oscyloskopu otrzymuje się krzywe Lissajous, z których kształtu
można wyznaczyć wartość m/n, a następnie nieznaną częstotliwość f

y

. W

uzyskanych na ekranie krzywych Lissajous m i n są liczbami punktów
styczności obrazu kolejno do linii poziomej o linii pionowej. Na przykładowym
rysunku m = 8, n = 2, czyli m/n = 4.

Badanie kąta przesunięcia fazowego.

Aby z sinusoidalnych przebiegów dwóch sygnału można wyznaczyć kąt
przesunięcia fazowego należy policzyć ilość działek odpowiadających
okresowi sygnału (8dz) a następnie ilość działek odpowiadających
przesunięciu fazowemu (3,2 dz). Wiedząc, iż okres funkcji sinus wynosi 360

0

z proporcji obliczamy kąt przesunięcia fazowego.

360

o

→

8

x

→

3,2

x = 144

o

Kąt przesunięcia fazowego możemy również wyznaczyć z pomocą krzywych
Lissajous. W tym celi zliczamy ilość działek odpowiadających y

o

(1,6) i y

m

(2,9)

a następnie podstawiamy do wzoru określającego kąt fazowy:

m

o

y

y

arcsin

−

=

ϕ

a następnie odjąć od 180

o

:

0

0

0

5

,

146

5

,

33

180

=

−

Jak już wiemy oscyloskopem możemy zbadać przebiegi wielkości
elektrycznych w czasie. za pomocą można zmierzyć na przykład napięcie,

częstotliwość, fazę oraz przy użyciu odpowiednich przetworników wielkości
fizyczne dające się przetworzyć na wielkości
elektryczne. Przy pomocy odpowiednich układów pomiarowych można
zbadać między innymi: rezystancję, pojemność, indukcyjność oraz pomiary
bardzo małych mocy (w zakresie
częstotliwości pracy oscyloskopu). Dodatkowo oscyloskopy cyfrowe mogą
posiadać moduły
oprogramowania realizujące analizę widmową sygnału.

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.

Budowa oscyloskopu cyfrowego

Działanie oscyloskopu cyfrowego

Do wzmacniacza wejściowego zostaje doprowadzony sygnał pomiarowy.
Następnie z wyjścia wzmacniacza wejściowego sygnał zostaje podany na
układ próbkująco-pamiętający. Tu zostaje pobrana próbka sygnału i
zapamiętana analogowa wartość chwilowa sygnału (w chwili pobierania
próbki). Następnie wartość ta zostaje zamieniona na odpowiednią wartość
cyfrową, zwaną słowem. Ta operacja zostaje wykonana w układzie
przetwornika analogowo - cyfrowego. Rozdzielczość przetwornika analogowo-
cyfrowego decyduje o rozdzielczości cyfrowej oscyloskopu. Oznacza to, że
przy zastosowaniu 8-bitowego przetwornika, rozdzielczość w osi Y wynosić
będzie 1:256. To znaczy, że ciągły przebieg analogowy zostaje podzielony na
256 dyskretnych przedziałów. Po tej zamianie wartość cyfrowa próbki, czyli
słowo, zostaje zapamiętane w pamięci oscyloskopu. Aby przetworzyć cały

sygnał należy pobrać wiele próbek, których liczba i czas odstępu pomiędzy
nimi zależą od częstotliwości próbkowania. Tę liczbę próbek, na którą został
podzielony badany przebieg nazywamy rekordem. Obecnie stosuje się
rekordy o długości od 512 do wielu tysięcy słów. Zapamiętanie wartości
cyfrowych przebiegu w pamięci, umożliwia dokonanie wielu pomiarów i ciągłe
wyświetlanie przebiegu na ekranie (funkcja zamrożenia obrazu). Występuje
również możliwość zachowania (zapamiętania) przebiegu w pamięci
oscyloskopu przez dowolnie długi okres czasu i ponowne odtworzenie tego
przebiegu na ekranie w dowolnej chwili i dokonanie ponownych pomiarów
lub porównanie go z innym przebiegiem.

Aby obejrzeć przebieg na ekranie oscyloskopu należy go odtworzyć z danych
znajdujących się w jego pamięci. W tym celu dane te zostają przesłane do
układu przetwornika cyfrowo-analogowego. Układ ten zamienia wartość
cyfrową (liczby) sygnału w odpowiadające im wartości analogowe napięcia. Z
kolei ten odtworzony przebieg analogowy steruje wzmacniaczem odchylania
pionowego Y lampy obrazowej. Zasadniczym podzespołem podstawy czasu
jest bardzo dokładny generator z oscylatorem kwarcowym, dzięki czemu błąd
podstawy czasu jest mniejszy od 0,01%. Impulsy z generatora są
wzmacniane przez wzmacniacz podstawy czasu (wzmacniacz odchylania
poziomego), który z kolei steruje układem odchylania poziomego lampy
obrazowej. Obraz, jaki otrzymujemy na ekranie składa się z kropek, o
położeniu których decyduje wzmacniacz Y w pionie i wzmacniacz X w
poziomie. Zapisem do pamięci, przesyłem danych, pracą układów
synchronizacji, pracą przetworników analogowo-cyfrowych i cyfrowo-
analogowych steruje kontroler, którym obecnie jest najczęściej
mikroprocesor. W odróżnieniu od oscyloskopów analogowych, w
oscyloskopach cyfrowych jako lampy obrazowe stosuje się lampy
kineskopowe (monochromatyczne i kolorowe). Obecnie najczęściej są
stosowane rozwiązania, w których ekran jest zbudowany przy wykorzystaniu
wyświetlacza ciekłokrystalicznego LCD. Zaletą wyświetlaczy jest to, że nie
wymagają dużych napięć i nie potrzebują dużych mocy, tak jak to jest w
przypadku lamp oscyloskopowej i kineskopowej. Pozwala to na ograniczenie
gabarytów oscyloskopu i zastosowanie zasilania bateryjnego. A to z kolei
pozwala zastosować oscyloskop jako urządzenie przenośne.

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)