Oscyloskop elektroniczny

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

___________________________________________________________

Laboratorium Miernictwa Elektrycznego

Oscyloskop elektroniczny

Instrukcja do

wiczenia

Nr 22

Opracował dr in

. Ryszard Piotrowski

___________________________________________________

Białystok 2001

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

1. Wprowadzenie

Podstawowe wiadomo

ci z zakresu budowy

i zasad działania oscyloskopu analogowego

scyloskop jest jednym z najwa

niejszych i najbardziej uniwersalnych

przyrz

dów pomiarowych. Jego cenn

zalet

jest zdolno

ś ć

wietlania

na ekranie nieruchomych obrazów zmiennych w czasie sygnałów

elektrycznych. Stanowi to dla in

yniera zajmuj

cego si

konstruowaniem

układów elektronicznych, czy dla fizyka badaj

cego wła

ciwo

ci materii trudn

do przecenienia warto

ś ć

Lampa oscyloskopowa

Lampa ta jest najwa

niejsz

ę ś

oscyloskopu. Na niej to strumie

elektronów kre

li lini

wietln

, odwzorowuj

dokładnie przebieg badanego

sygnału w czasie. Lampa oscyloskopowa jest wi

c przetwornikiem elektro-

luminescencyjnym przetwarzaj

cym wielko

ś ć

elektryczn

na wielko

ś ć

wietln

Uproszczony szkic prostej lampy oscyloskopowej przedstawiony jest na

rysunku 1.

Rys.1.Szkic lampy oscyloskopowej

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

W pró

niowej ba

ce szklanej umieszczonych jest szereg elektrod: katoda,

siatka steruj

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

jest emitowanie swobodnych elektronów, skupianie ich w w

przy

pieszanie do du

ych pr

dko

ci, by nada

im odpowiedni

energi

kinetyczn

, wreszcie skierowanie do odpowiedniego punktu ekranu stanowi

cego płaszczyzn

układu współrz

dnych prostok

tnych, w którym uzyskiwany

jest obraz przebiegu czasowego badanej wielko

ci. Lampa mo

e by

sterowana

tylko sygnałem napi

ciowym, dlatego dowolna wielko

ś ć

fizyczna, któr

chcemy

bada

musi by

uprzednio przetworzona na napi

cie elektryczne.

Patrz

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

K b

ródłem swobodnych elektronów. Jest to najcz

ę ś

ciej tzw. katoda

tlenkowa opisana ni

ej.

Katoda tlenkowa

Katoda składa si

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

grubo

ś ć

100

m=10

-6

m) i wykazuje du

żą

porowa-

ś ć

(obj

ś ć

porów stanowi 65% - 85%

obj

ci warstwy). Katoda grzana jest

rednio do temperatury ok. 800

C przez

spiral

grzejn

umieszczon

wewn

trz

cylindra katody.

warstwa

emisyjna

cylinder
niklowy

spirala grzejna

Rys.2. Szkic katody tlenkowej o

grzaniu po

rednim

Dzi

ki bifilarnemu wykonaniu drutu grzejnego (nie jest to uwidocznione na

szkicu), nie wyst

puje wokół niej pole magnetyczne pr

du grzejnego. Napi

cie

zasilaj

ce grzejnik

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

Dzi

ki znacznej bezwładno

ci cieplnej, w katodzie grzanej po

rednio nie

wyst

puj

wahania temperatury przy zasilaniu pr

dem zmiennym. Katody grzane

rednio wykazuj

ponadto wi

ksz

katody o grzaniu bezpo

rednim

sztywno

ś ć

i wytrzymało

ś ć

mechaniczn

Cylinder Wehnelta

Katoda K otoczona jest kolejn

z rz

du elektrod

lampy, tzw. cylindrem

Wehnelta b

cym siatk

steruj

S lampy. W czołowej płaszczy

nie tej

elektrody znajduje si

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

ę ś ć

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

elektronów emitowanych przez katod

. Steruj

ca rola siatki (nazwa nie

adekwatna do wygl

du tego elementu, odpowiadaj

ca jednak funkcji, jak

wypełnia) polega na regulacji liczby elektronów w wi

zce docieraj

cej do ekranu

i tym samym sterowaniu jasno

jego

wiecenia w danym punkcie i

danej chwili. Ma to, jak si

przekonamy, wa

ne znaczenie praktyczne. Z rysunku

1 wynika,

e siatka S ma potencjał ujemny wzgl

dem katody i od warto

ci tego

potencjału zale

y stopie

hamowania przez ni

elektronów, co wymownie

pokazuje rysunek 3.
Cylinder Wehnelta chroni jednocze

nie delikatn

katod

przed bombardo-

waniem przez jony dodatnie, których pewna liczba zawsze znajduje si

wewn

trz

lampy. Tworz

je pozostałe, mimo starannego odpompowania powietrza,

zjonizowane cz

steczki gazu, przyci

gane z racji swego dodatniego ładunku

przez katod

a) cylinder Wehnelta

elektrony
yy

katoda

b) cylinder Wehnelta

elektrony

katoda

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

wanych przez katod

: a) siatka ma niewielki potencjał ujemny wzgl

dem katody (słabe

hamowanie elektronów), b) du

y potencjał ujemny siatki

(silne hamowanie elektro-

nów)

Elektrony, które przedostały si

przez otworek w cylindrze Wehnelta s

przyci

gane i tym samym przy

pieszane przez anod

o dodatnim potencjale

wzgl

dem katody. Anoda ta ma kształt cylindra z przegrodami wewn

trznymi

wychwytuj

cymi elektrony, które z ró

nych przyczyn wybiegły poza w

, formowaniem której zajmuje si

wła

nie anoda A1. Odpowiedni dobór

kształtu tej elektrody słu

y wytwarzaniu pola elektrycznego skupiaj

cego

elektrony w w

. Wspomaga j

w tym działaniu nast

pna elektroda -

anoda A2 , która ma jeszcze wy

szy potencjał dodatni wzgl

dem katody (od

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

pieszanie

elektronów i nadawanie im ko

cowej pr

dko

ci, od której zale

y skutek

wietlny

uderzenia elektronów w luminofor L pokrywaj

cy wewn

trzn

powierzchni

ekranu E. Dla przykładu, pr

dko

ś ć

elektronów uderzaj

cych w luminofor osi

warto

ś ć

20 000 km/s, je

eli napi

cie mi

dzy katod

i anoda drug

wynosi

1000V. Dodajmy jeszcze,

e w wyniku „oczyszczaj

cego” działania cylindra

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

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

przez katod

dociera do ostatecznego celu swojej w

drówki, jakim jest luminofor

pokrywaj

cy wewn

trzn

powierzchni

lampy.

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

wyrzutni elektronowej, zwanej czasem tak

e działem elektronowym.

Luminofor i zjawisko emisji wtórnej

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

ca od

strony wewn

trznej ekran lampy oscyloskopowej. W warstwie tej dokonuje si

ostatni etap przetwarzania mierzonego sygnału napi

ciowego na sygnał

wietlny.

Luminofory s

to siarczki lub tlenki metali takich jak kadm, wap

, beryl,

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

kszaj

cych

zdolno

ś ć

luminescencyjn

niewielkich domieszek manganu, srebra, miedzi.

Luminofory

wiec

pod wpływem bombardowania przez rozp

dzone do du

ych

dko

ci elektrony. Zjawisko to nosi nazw

elektroluminescencji. W wyniku

zderzenia elektronów z warstw

luminoforu, nast

puje zamiana cz

ęś

ci energii

kinetycznej tych cz

steczek na energi

wietln

. Pozostała cz

ęś ć

energii zu

yta

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

do warstwy grafitowej G, sk

d zostaj

odprowadzone do dodatniego

bieguna

ródła zasilania. W ten sposób zostaje zamkni

ty obwód pr

wypływaj

cego z bieguna ujemnego tego

ródła. Mowa tu oczywi

cie o kierunku

rzeczywistym przepływu pr

du, to znaczy kierunku ruchu elektronów.

Interesuj

cym zagadnieniem jest mechanizm samoczynnej regulacji liczby

elektronów wtórnych zapewniaj

cej jednakowe nat

ęż

enie pr

du w ka

dym

punkcie nierozgał

zionego obwodu elektrycznego. Liczba tych elektronów zale

od rodzaju luminoforu i napi

cia przy

pieszaj

cego (napi

cia mi

dzy katod

drug

anod

). Istnieje pewna minimalna warto

ś ć

napi

cia przy

pieszaj

cego U

przy której liczba elektronów wtórnych staje si

równa liczbie elektronów

pierwotnych (padaj

cych na luminofor). Je

eli napi

cie przy

pieszaj

ce ma

warto

ś ć

mniejsz

od U

, liczba elektronów wybijanych z luminoforu jest

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

ujemnie, działaj

c coraz bardziej odpychaj

co na elektrony przybywaj

ce od

strony katody. W ko

cu dopływ elektronów pierwotnych do ekranu ustaje

całkowicie, uniemo

liwiaj

c normalne funkcjonowanie lampy. Gdy napi

cie

przy

pieszaj

ce ma warto

ś ć

ksz

od U

, liczba elektronów wybijanych

z luminoforu staje si

ksza od liczby elektronów padaj

cych, w wyniku czego

ekran zaczyna ładowa

dodatnio i jego potencjał staje si

szy od

potencjału warstwy grafitowej. Mi

dzy ekranem a warstw

grafitow

powstaje

wtedy pole elektryczne hamuj

ce ruch elektronów wtórnych i zawracaj

ce ich

ęś ć

do ekranu. Wzrost potencjału ekranu trwa dot

d, dopóki nie zostanie

przywrócona równowaga mi

dzy liczb

elektronów pierwotnych i wtórnych.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Jedn

z cech luminoforu jest jego czas po

wiaty. Jest to czas, jaki upływa

od chwili znikni

cia pobudzenia (strumienia elektronów) do chwili gdy

luminancja (jaskrawo

ś ć

ekranu) zmaleje do 1% warto

ci pocz

tkowej.

Stosowane s

luminofory o krótkim czasie po

wiaty,5

50 µs, o

rednim czasie

wiaty, 10

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

wiaty,

du pojedynczych sekund (do obserwowania przebiegów jednokrotnych,

a tak

e w radiolokacji).

W celu zmniejszenia strat

wiatła stosuje si

napylanie luminoforu od

wewn

trznej strony lampy cienk

warstw

aluminium o grubo

ci 50

∗

-6

500

∗

-6

mm. Tak cienka powłoka aluminiowa praktycznie bez strat

przepuszcza elektrony, natomiast skutecznie odbija

wiatło. Spełnia przy tym

jeszcze jedn

yteczn

funkcj

, chroni mianowicie luminofor przed

bombardowaniem ujemnych jonów, co czyni zbyteczn

tzw. pułapk

jonow

stosowan

w starszych konstrukcjach lamp oscyloskopowych.

Odchylanie strumienia elektronów

Pozostałe do omówienia elektrody lampy oscyloskopowej, to znaczy płytki

odchylaj

ce P1 i P2 (rys.1) maj

za zadanie zmienia

kierunek lotu elektronów.

Przykładane do tych płytek zmienne w czasie napi

cie, odzwierciedla

odpowiednio: warto

ś ć

chwilow

(y) obrazowanej na ekranie wielko

ci (płytki P1)

oraz odpowiadaj

tej warto

ci chwil

czasu (x) (płytki P2). Pozwala to na

narysowanie

linii

wietlnej

przedstawiaj

cej

dan

wielko

ś ć

w układzie współrz

dnych prostok

tnych y,x. Płytki P1 zwane s

płytkami

odchylania pionowego, albo płytkami odchylania Y, za

płytki P2 - płytkami

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

ten pokazany na rysunku 1.

Mechanizmy odchylania wi

zki elektronów

Odchylanie wi

zki elektronów mo

e by

elektryczne lub magnetyczne.

Odchylanie elektryczne

W przypadku odchylania elektrycznego, mi

dzy płytkami odchylania

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

dej pary mo

e by

poł

czona na stałe z

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

przez warstw

grafitu G, naniesion

na wewn

trzn

powierzchni

ki i

poł

czon

z anod

, która jest uziemiona.

Zalet

odchylania elektrycznego jest mo

liwo

ś ć

stosowania go w zakre-

esie wielkich cz

stotliwo

ci sygnału mierzonego si

gaj

cych 1 GHz.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Zalet

odchylania elektrycznego jest tak

e mała moc potrzebna do

uzyskania wymaganego odchylenia elektronów.

Dalsz

zalet

tego rodzaju odchylania jest to,

e tor ruchu nie zale

y od

stosunku ładunku elektrycznego do masy cz

stek, w zwi

zku z czym ujemnie

naładowane jony gazów lub cz

stek emitowanych przez katod

miały taki

sam tor jak elektrony i pada

na ekran w tym samym miejscu. Zapobiega to

rozmyciu punktu

wietlnego i chroni luminofor przed szybkim zu

yciem, które

miałoby miejsce, gdyby ci

ę ż

kie jony (kilka tysi

cy razy ci

ę ż

sze od elektronu), nie

podlegaj

c dostatecznemu odchylaniu (jak ma to miejsce przy odchylaniu

magnetycznym), uderzały ci

gle w ten sam

rodkowy obszar ekranu.

Wad

odchylania elektrycznego jest stosunkowo du

a zale

ś ć

czuło

od napi

cia przy

pieszaj

cego drugiej anody. Du

emu napi

ciu tej anody

mianowicie odpowiada du

a pr

dko

ś ć

elektronów, dla których odchylania

potrzebne jest wi

ksze napi

cie przykładane do płytek odchylaj

cych, co

oznacza oczywi

cie mniejsz

czuło

ś ć

systemu odchylania. Je

eli zało

ymy

okre

lon

warto

ś ć

czuło

ci, to zwi

kszenie napi

cia drugiej anody zmusza do

wydłu

enia lampy oscyloskopowej dla uzyskania odpowiedniej wielko

ci obrazu

na ekranie.

Zauwa

my,

e maksymalny k

t odchylania w lampach o odchylaniu

elektrycznym jest mniejszy ni

w lampach o odchylaniu magnetycznym. K

zawarty mi

dzy skrajnymi poło

eniami strumienia przy odchylaniu elektrycznym

wynosi 25

- 30

Odchylanie magnetyczne.

W celu realizacji odchylania magnetycznego umieszcza si

na zewn

trz

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

cych, których osie magnetyczne ustawione s

wzgl

dem siebie

pod k

tem prostym. Przez ka

par

cewek przepływa pr

d steruj

cy, który

wytwarza pole magnetyczne skierowane prostopadle do osi podłu

nej lampy.

Istotn

wad

odchylania magnetycznego jest to, i

odchylenie cz

steczki jest tu,

w przeciwie

stwie do odchylania elektrycznego , zale

ne od stosunku ładunku

elektrycznego cz

steczki do jej masy. Ci

ę ż

sze jony odchylane s

znacznie słabiej

lekkie elektrony i padaj

rodkowa cz

ę ś ć

ekranu, przy

pieszaj

c zu

ycie

luminoforu w tym obszarze. Zmuszało to w przeszło

ci konstruktora do

stosowania tzw. pułapek jonowych, wychwytuj

cych jony i nie dopuszcza-

cych ich do ekranu. Obecnie pułapki jonowe nie s

stosowane, poniewa

luminofor od strony wyrzutni elektronów pokrywany jest cienk

warstw

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

ksze jony.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Zalet

odchylania magnetycznego w porównaniu z elektrycznym jest

mniejsza zale

ś ć

czuło

ci odchylania od napi

cia przy

pieszaj

cego (czuło

ś ć

jest tu odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z napi

cia

przy

pieszaj

cego, gdy tymczasem przy odchylaniu elektrycznym czuło

ś ć

jest

odwrotnie proporcjonalna do tego napi

cia).

Kolejn

zalet

odchylania magnetycznego w porównaniu z elektrycznym

jest prostsza budowa wewn

trzna lampy oscyloskopowej, poniewa

układ

odchylaj

cy znajduje si

na zewn

trz lampy. Odchylanie magnetyczne powoduje

mniejsze rozogniskowanie wi

zki elektronów, dzi

ki czemu mo

liwe jest

uzyskanie du

ych warto

ci k

ta odchylania, którego typowa warto

ś ć

dla

współczesnych konstrukcji wynosi 110

. W rezultacie otrzymuje si

korzystny

kształt lampy, a wi

c mały stosunek jej długo

ci do

rednicy lub przek

tnej

ekranu. Dla lamp o odchylaniu elektrycznym stosunek ten zawiera si

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

Wad

odchylania magnetycznego jest stosunkowo du

a moc pobierana ze

ródła pr

du odchylaj

cego. Ponadto odchylanie magnetyczne nie mo

e by

stosowane przy zbyt du

ych cz

stotliwo

ciach, z uwagi na wzrost reaktancji

cewek oraz wzrost strat przy powi

kszaniu cz

stotliwo

ci. Maksymalna

stotliwo

ś ć

, przy której stosowane by

e odchylanie magnetyczne jest

du 50 kHz. Wada ta, mówi

c nawiasem, nie ma istotnego znaczenia

w kineskopach odbiorników telewizyjnych, w których cz

stotliwo

ś ć

odchylania

pionowego wynosi 50 Hz, poziomego za

ok. 15 kHz.

Układy elektroniczne oscyloskopu

Zajmiemy si

teraz układami elektrycznymi, których rol

jest

przetwarzanie sygnałów doprowadzanych do wej

cia oscyloskopu w celu

przystosowania ich do wymogów lampy oscyloskopowej, a tak

e układami

odpowiedzialnymi za generowanie okresowych sygnałów niezb

dnych tak

e do

sterowania prac

lampy.

Omówione dalej układy, zwłaszcza za

organy regulacyjne i ich

oznaczenia b

odnosiły si

do oscyloskopu OS-351. Pozwoli to na skupienie

na konkretnym urz

dzeniu i unikni

cie rozpraszaj

cych uwag

dygresji.

Wspomniany oscyloskop ma wiele typowych układów, które spotka

na w

innych oscyloskopach, gdzie mog

inaczej oznaczone, za

ich organy

regulacyjne mog

wyst

powa

w nieco innym zestawieniu. Zrozumienie roli

opisywanych ni

ej układów i regulatorów pozwoli łatwo rozszyfrowa

znaczenie

podobnych układów w innych typach oscyloskopów.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Oscyloskop jednostrumieniowy, dwukanałowy

Oscyloskop OS-351 jest przyrz

dem jednostrumieniowym, co oznacza,

e wewn

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

jeden strumie

elektronów. Istniej

jednak oscyloskopy o wi

kszej liczbie

wyrzutni, s

jednak raczej rzadko spotykane ze wzgl

du na wysoki stopie

komplikacji i zwi

zane z tym koszty produkcji.

Oscyloskop OS-351 jest jednocze

nie przyrz

dem dwukanałowym, co

oznacza,

e na jego ekranie mog

ogl

dane jednocze

nie przebiegi dwóch

ró

nych sygnałów. Taka mo

liwo

ś ć

jest podstawowym wymogiem stawianym

nawet prostym konstrukcjom oscyloskopów. Dwukanałowo

ś ć

wymaga

wbudowania do przyrz

du dwóch oddzielnych zestawów urz

dze

(gniazd

wej

ciowych, przeł

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

Oscyloskop dwukanałowy ma tak

e pewne układy elektroniczne wspólne dla

obydwu kanałów, np. generator podstawy czasu, wzmacniacz ko

cowy,

przeł

cznik elektroniczny, itp. Ni

ej omówione zostan

układy wyst

puj

ce tylko

w jednym kanale, nast

pnie za

układy wspólne.

Układy wej

ciowe oscyloskopu

Na rysunku 4. przedstawione zostały blokowo typowe układy wej

ciowe

oscyloskopu, przy czym podane na nim oznaczenia dotycz

oscyloskopu OS-351.

Pokazane bloki stanowi

fragment tak zwanego toru odchylania pionowego,

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

płytki odchylania pionowego i da

liwie wierny obraz swojej

zmienno

ci w czasie.

Wej

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

typu BNC oznaczone jako INPUT A. St

d sygnał mierzony mo

e by

przy

pomocy trójpoło

eniowego przeł

cznika skierowany do TŁUMIKA jednym z

trzech torów:

•

tor ALT (sprz

ę ż

enie AC)

•

tor DC (sprz

ę ż

enie DC)

•

tor GND

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

INPUT A

WZMAC

NIACZ

47pF

GND

1 M

Ω

ALT

POSITION

do przeł

cz-

nika elektro-

nicznego

do generatora

podstawy

czasu

VAR. CAL

WTÓR

NIK

TŁU-

MIK

Rys.4.Układy wej

ciowe oscyloskopu

W torze ALT znajduj

cy si

tam kondensator odcina z sygnału ewentualn

składow

stał

. Składowa ta mo

e mie

niekiedy znaczn

warto

ść

powodowa

znikni

cie z pola widzenia nało

onej na ni

niewielkiej składowej

zmiennej, która jest cz

sto jedyna interesuj

nas cz

ę ś

sygnału badanego.

Tak wi

c tor ALT (zwany cz

sto sprz

ę ż

eniem AC) nale

y wybra

, gdy zale

nam na obserwowaniu sygnału zmiennego zawieraj

cego składow

stał

, która

nas nie interesuje.

W torze DC sygnał wej

ciowy jest doprowadzany bezpo

rednio do

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

, która nas interesuje.

Pozycja GND przeł

cznika powoduje uziemienie wej

cia oscyloskopu i

pozwala ustawi

wietlan

lini

poziom

na osi zerowej podziałki ekranu

oscyloskopu. Dzi

ki temu mo

liwe jest potem zmierzenie warto

ci sygnału

badanego wzgl

dem masy (ziemi). Gdy wspomniany przeł

cznik torów) znajdzie

w pozycji GND, sprz

gni

ty z nim mechanicznie inny przeł

cznik,

spowoduje skierowanie sygnału mierzonego na obci

ą ż

enie zbli

one do tego jakie

powoduje oscyloskop. Stanowi to udogodnienie dla mierz

cego, który nie musi

podczas ustawiania linii zerowej odł

cza

od gniazda wej

ciowego kabla

przył

czeniowego.

Tłumik

Jest to rezystancyjny dzielnik napi

cia (rys.5) o skokowo regulowanym

stopniu tłumienia

napi

cia wej

ciowego (U

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Rys.5. Schemat tłumika wej

ciowego oscyloskopu

Zadaniem tłumika jest zmniejszanie warto

ci sygnałów wej

ciowych i

zapobieganie przesterowaniu stopni wej

ciowych wzmacniacza Y (rys.1).

Wielko

charakteryzuj

tłumik jest współczynnik tłumienia

Współczynnik

nie zale

y od cz

stotliwo

ci sygnału wej

ciowego, je

eli

do rezystora R

doł

czona jest pojemno

ść

o warto

ci spełniaj

cej równanie:

R C

1 1

gdzie C

jest pojemno

zast

pcz

pojemno

ci monta

owych i pojemno

wej

ciowej

WTÓRNIKA.

eli spełniona jest powy

sza równo

ść

mówimy,

e dzielnik jest

skompensowany, co oznacza,

e impuls wyj

ciowy zachowuje kształt impulsu

wej

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

wania i niedokompensowania dzielnika.

sygnał wej

ciowy

dzielnik skompensowany

dzielnik niedokom-

pensowany

dzielnik przekompensowany

= R

Rys.6. Odpowiedzi dzielnika (U

) na wymuszenie impulsem prostok

tnym dla:

•

dzielnika skompensowanego

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

•

dzielnika przekompensowanego

•

dzielnika niedokompensowanego

Złe skompensowanie dzielnika powoduje wzrost bł

dów pomiaru. Tłumiki s

tak

konstruowane aby pojemno

ś ć

wej

ciowa C

C C

1 2

miała jednakow

warto

ś ć

dla wszystkich pozycji przeł

cznika współczynnika

tłumienia

W oscyloskopie OS-351 przeł

cznik ten oznaczony jest „VAR.CAL”

(rys.4). Jest to bardzo wa

ny przeł

cznik. Przy jego pomocy u

ytkownik mo

skokowo regulowa

wysoko

ś ć

obrazu na ekranie lampy oraz, co najwa

niejsze,

odczytywa

warto

ś ć

amplitudy mierzonego sygnału. Poszczególne pozycje

przeł

cznika opisane s

bowiem warto

ciami współczynnika odchylania

(pionowego) wyra

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

dowolnej warto

ci chwilowej) sygnału polega na odczytaniu wysoko

ci jego

obrazu w centymetrach i pomno

eniu jej przez wspomniany współczynnik od-

chylania.

W oscyloskopach stosowane s

dwa rodzaje tłumików:

•

tłumiki o du

ej rezystancji wej

ciowej ( 1 M

Ω

)

•

tłumiki o małej rezystancji wej

ciowej ( 50

Ω

lub 75

Ω

)

W tłumiku o rezystancji wej

ciowej 50

Ω

negatywny wpływ pojemno

monta

owych jest znacznie mniejszy i dlatego tłumik taki jest czysto

rezystancyjny (bez kondensatorów). Tłumiki o rezystancji wej

ciowej 50

Ω

stosowane w oscyloskopach o pa

mie powy

ej 150 MHz.

Ze wzrostem cz

stotliwo

ci rezystory w tłumiku nale

y traktowa

jako

elementy o stałych rozło

onych, w wyniku czego rezystancja wej

ciowa w

funkcji cz

stotliwo

ci maleje. Tak wi

c rezystancja wej

ciowa oscyloskopu ma

warto

ś ć

Ω

tylko dla pr

du stałego i małych cz

stotliwo

ci.

Wtórnik

Jest to wzmacniacz o współczynniku wzmocnienia napi

ciowego w

przybli

eniu równym jedno

ci, nie odwracaj

cy w dodatku fazy napi

cia

wyj

ciowego wzgl

dem napi

cia wej

ciowego, a wi

c powtarzaj

cy na wyj

ciu

sygnał wej

ciowy (st

d jego nazwa). Podstawow

jego cech

, dla której

wykorzystuje si

go, jest du

a rezystancja wej

ciowa i mał

wyj

ciowa.

Wzmacniacz ten stanowi wi

c swoisty transformator rezystancji, wykorzys-

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

tywany do sprz

gania

ródła sygnału o du

ej rezystancji wyj

ciowej z odbior-

nikiem o małej rezystancji wej

ciowej. W oscyloskopie wtórnik separuje

ródło

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

c w ten sposób do nadmiernego obci

ą ż

enia pr

dowego tego

ródła,

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

du pomiaru.

Wzmacniacz odchylania pionowego

Wzmacniacz ten (rys.4) wzmacnia wst

pnie sygnał badany zmierzaj

cy do

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

rodkowego pokr

tła oznaczonego w

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

wysoko

ś ć

obrazu na ekranie, zwi

kszaj

c w ten sposób jego czytelno

ś ć

. Podczas

pomiarów jednak pokr

tło wzmocnienia musi znajdowa

okre

lonym poło

eniu, najcz

ęś

ciej prawym skrajnym. Tylko wtedy bowiem

prawdziwe s

potrzebne przy pomiarach, warto

ci współczynnika odchylania (w

mV/cm lub V/cm) naniesione wokół przeł

cznika stopnia tłumienia tłumika.

W oscyloskopie OS-351 oba organy regulacyjne: współczynnika tłumienia

i płynnej regulacji wzmocnienia skupione s

w jednym miejscu i opisane jako

„VAR CAL” przy czym

rodkowe pokr

tło słu

y do płynnej regulacji

wzmocnienia, za

stosowna strzałka wymownie informuje o wymaga- nym

poło

eniu tego pokr

tła podczas pomiarów.

eli sygnał wej

ciowy jest zbyt du

y, to pomi

dzy

ródłem sygnału a

wej

ciem wzmacniacza wł

cza si

omówiony wcze

niej tłumik, odpowiednio

zmniejszaj

cy amplitud

tego sygnału.

Ze wzmacniaczem odchylania pionowego zwi

zany jest jeszcze jeden

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

ytkownik mo

e przesuwa

nieruchomy obraz w kierunku pionowym,

co jest konieczne w przypadku, gdy na ekranie wy

wietlane s

obrazy dwóch

sygnałów i korzystnie jest umie

je jeden nad drugim, np. na górze sygnał

wej

ciowy badanego układu, na dole za

jego sygnał wyj

ciowy.

Po wzmocnieniu sygnał w

druje dalej do przeł

cznika elektronicznego

(rys.4). Cz

ęś ć

sygnału odprowadza si

do układu synchronizacyjnego

generatora podstawy czasu. Obydwa te układy b

omówione w dalszej cz

ęś

wykładu.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Parametry charakteryzuj

ce tor Y oscyloskopu

Mówi

c o torze odchylania pionowego, wypada okre

najwa

niejsze

parametry oscyloskopu, zwi

zanymi z tym torem. S

nimi:

•

pasmo oscyloskopu

•

czas narastania

•

współczynnik odchylania

Pasmo oscyloskopu jest to zakres cz

stotliwo

ci sygnałów badanych

zawartych mi

dzy dwiema warto

ciami: doln

oraz górn

, przy których

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

stotli-

ci, to znaczy maleje do warto

ci równej 0,707 wzmocnienia tych cz

stotli-

ci.

Od strony małych cz

stotliwo

ci pasmo ograniczone jest stałymi

czasowymi układów sprz

gaj

cych (AC), a przy sprz

ę ż

eniu stałopr

dowym (DC)

zaczyna si

od 0 Hz.

Od strony wysokich cz

stotliwo

ci pasmo ograniczaj

pojemno

ci i

indukcyjno

ci monta

owe wzmacniacza oraz parametrów tranzystorów.

W oscyloskopach o du

ych czuło

ciach pasmo si

ga kilkuset kHz,

natomiast w oscyloskopach szerokopasmowych, mniej czułych, si

ga 500 MHz i

cej.

li za

chodzi o sygnał znacznie odbiegaj

cy kształtem od sinusoidy,

istotna jest wierno

ś ć

, z jaka oscyloskop oddaje jego kształt. Miar

wierno

ci jest

odpowied

wzmacniacza na impuls prostok

tny o krótkim czasie narastania.

Wzmacniacz rzeczywisty odbiega od idealnego, a miar

jego jako

ci jest

m. in. czas narastania.

Czas narastania (opadania) impulsu (t

) jest to czas, w którym zbocze

przednie (tylne) impulsu prostok

tnego zmienia si

od 10% do 90% (od 90% do

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

la nast

puj

ca zale

ś ć

[ ]

[

]

MHz

350

gdzie f

oznacza górn

stotliwo

ś ć

pasma.

0,9U

0,1U

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Rys.7. Ilustracja zasady wyznaczania czasu narastania impulsu prostok

tnego

Zdecydowana wi

kszo

ś ć

produkowanych obecnie oscyloskopów ma

wzmacniacze pr

du stałego o sprz

ę ż

eniu bezpo

rednim (DC) od wej

cia a

płytek odchylaj

cych, co umo

liwia pomiar sygnałów o bardzo małych

stotliwo

ciach oraz składowe stałe.

Współczynnik odchylania (pionowego) oscyloskopu jest okre

lony przez

warto

ś ć

dzyszczytowego napi

cia U

jakie nale

y doprowadzi

do jego

wej

cia, aby uzyska

na ekranie obraz o wysoko

ci 1 cm lub 1 działki, je

eli

podziałka skali nie jest wyra

ona w centymetrach.

Przeł

cznik elektroniczny

Przeł

cznik

elektroniczny

umo

liwia

wykorzystanie

pojedynczego

strumienia elektronów do kre

lenia obrazów dwóch sygnałów pochodz

cych z

ró

nych kanałów oscyloskopu.

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

który ilustruje zasad

działania przeł

cznika elektronicznego PE.

Przeł

cznik ten udost

pnia wej

cie wzmacniacza ko

cowego toru odchylania

pionowego sygnałom z dwóch ró

nych kanałów oscyloskopu, co umo

liwia

jednoczesne ogl

danie dwóch przebiegów elektrycznych (np. sinusoidalnego i

prostok

tnego).

Przeł

czanie kanałów odbywa si

jednym z dwóch sposobów wybranych

przez u

ytkownika, mianowicie w trybie przeł

czania przemiennego

oznaczonego jako ALT albo w trybie przeł

czania siekanego oznaczonego jako

CHOP.

KANAŁ A

WZMACNIACZ

COWY

KANAŁ B

(t)

CHOP

ALT

UKŁAD

STERUJ

Rys.8. Fragment układu elektrycznego oscyloskopu z przeł

cznikiem

elektronicznym PE

Podczas pracy w trybie ALT strumie

elektronów podczas swego biegu od

lewej do prawej strony ekranu kre

li obraz tylko jednego sygnału, za

podczas

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

powtórnego biegu - obraz drugiego. Je

eli to naprzemienne rysowanie powtarza

z dostatecznie du

żą

stotliwo

, obserwator widzi obrazy obydwu

sygnałów, m. in. dzi

ki wła

ciwo

ci ludzkiego wzroku, zachowuj

cego wra

enie

przez jaki

czas po znikni

ciu bod

wietlnego.

Gdy przeł

cznik elektroniczny pracuje w trybie CHOP, podczas biegu

strumienia elektronów od strony lewej ku prawej, rysuje on jednocze

nie obrazy

obydwu przebiegów, ale obrazy te składaj

teraz z wielu odcinków (rys.9).

Przerwy w obrazie jednego przebiegu wykorzystywane s

do kre

lenia odcinków

drugiego z nich. W rezultacie obydwa przebiegi sprawiaj

wra

enie posiekanych

na drobne cz

ę ś

ci. Poniewa

jednak obrazy kre

lone s

wielokrotnie, obserwator

najcz

ę ś

ciej nie widzi efektu siekania, gdy

za ka

dym razem przerwy wyst

puj

w innym, przypadkowym miejscu.

Tryb ALT stosowany jest w przypadku, gdy cz

stotliwo

ci badanych

przebiegów s

odpowiednio du

e, wtedy bowiem czas kre

lenia jednego

przebiegu jest krótki (cz

stotliwo

ś ć

napi

cia generatora podstawy czasu jest

ksza), a co za tym idzie, tak

e przerwy w kre

leniu s

krótsze, co wywołuje

wra

enie ci

gło

wiecenia obrazu.

Tryb CHOP stosuje si

przy niewielkiej cz

stotliwo

ci badanych

sygnałów, kiedy to ruch plamki

wietlnej od strony lewej do prawej odbywa si

stosunkowo wolno (cz

stotliwo

ś ć

napi

cie generatora podstawy czasu jest

niewielka) i przemienne kre

lenie ka

dego przebiegu z osobna wywoływałoby

nieprzyjemne migotanie obrazu. Tryb ten jest stosowany tak

e w przypadku

rejestracji fotograficznej przebiegów jednokrotnych.

Rys.9. Tryb siekany pracy przeł

cznika elektronicznego

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

W oscyloskopie OS-351 przeł

cznik elektroniczny PE jest przeł

czany

przez układ steruj

cy z cz

stotliwo

20 Hz przy pracy w trybie ALT oraz z

stotliwo

150 kHz gdy u

ytkownik wybierze tryb CHOP.

Generator podstawy czasu

Generator podstawy czasu generuje tzw. napi

cie piłokształtne (rys.10).

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

wietlnej na ekranie, odwzorowuj

cym upływ czasu (droga przebyta

przez plamk

jest proporcjonalna do czasu rzeczywistego). Z generatorem tym

zwi

zany jest kolejny wa

ny parametr oscyloskopu, mianowicie współczynnik

czasu.

Współczynnik czasu jest to czas potrzebny do przesuni

cia plamki

wietlnej w kierunku poziomym na odległo

ś ć

1 cm lub 1 działki. Wyra

any jest w

s/cm, ms/cm,

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

Generator podstawy czasu pełni rol

wewn

trznego zegara oscyloskopu,

odmierzaj

cego wzorcowe odcinki czasu potrzebne do pomiaru okresu, a tym

samym cz

stotliwo

ci sygnałów okresowych. Jego działanie uzewn

trznia si

poprzez jednostajny ruch plamki

wietlnej wzdłu

poziomej linii ekranu, za który

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

cie

wyj

ciowe generatora, zmieniaj

ce si

liniowo od warto

ci -U

do U

(rys.10). Gdy napi

cie to ma warto

ś ć

-U

plamka

wietlna znajduje si

na lewym

skraju ekranu (w punkcie startowym), kiedy osi

ga ono warto

ś ć

równ

zeru

plamka dociera na

rodek ekranu, przy napi

ciu równym U

znajdzie si

natomiast na jego prawym skraju. Omówiona zmiana napi

cia odbywa si

czasie T

(rys.10). Szybko

ś ć

ruchu mo

e by

regulowana skokowo i płynnie

poprzez zmian

stotliwo

ci napi

cia generatora.

-U

- czas roboczy, T

- czas powrotu, T

- czas podtrzymania, T

- czas

oczekiwania na impuls wyzwalaj

cy, T - minimalny czas powtarzania

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Rys.10. Napi

cie wyj

ciowe generatora podstawy czasu

Pouczaj

jest

nastawienie na pocz

tku małej cz

stotliwo

ci,

zapewniaj

cej powolny ruch plamki

wietlnej od strony lewej ekranu do prawej.

Obserwator widzi wtedy plamk

w jednostajnym ruchu, powtarzaj

cym si

regularnych cyklach. Plamka docieraj

c do prawego skraju ekranu, znika nagle,

by pojawi

po chwili po jego prawej stronie i rozpocz

ą ć

ponownie swój ruch

ze stał

dko

. Powrót plamki na lew

stron

ekranu odbywa si

za spraw

malej

cego liniowo napi

cia wyj

ciowego generatora (rys.10) i trwa o wiele

krócej ni

poprzedni ruch. Ta faza ruchu jest niewidoczna dla obserwatora,

poniewa

działaj

cy automatycznie układ elektroniczny, dostarcza na ten czas

do siatki steruj

cej lampy oscyloskopowej (cylindra Wehnelta) impuls ujemny,

powoduj

c tym całkowite wyhamowanie emitowanych przez katod

elektronów.

Gdyby zabrakło tego mechanizmu, strumie

elektronów kre

liłby lini

swego

ruchu powrotnego nie zwi

zan

z obserwowanym przebiegiem i fałszuj

jego

obraz, co komplikowałoby obserwacj

Kiedy stopniowo zwi

ksza

dziemy cz

stotliwo

ś ć

napi

cia generatora,

ruch plamki stanie si

coraz szybszy i zacznie ona zostawia

za sob

charakterystyczne smu

enie

wietlne, by po osi

gni

ciu pewnej pr

dko

znaczy

swój ruch jednolit

, je

li chodzi o nat

ęż

enie lini

wietln

. Lini

nazywa si

sto podstaw

czasu.

Opisane obserwacje poleci

nale

y wszystkim pocz

tkuj

cym u

ytko-

wnikom oscyloskopu, poniewa

daj

one dobre wyobra

enie zasady działania

generatora podstawy czasu.

Zanim opisany przed chwil

cykl powtórzy si

, musz

zanikn

ą ć

stany

nieustalone wewn

trz generatora. Zwi

zany jest z tym tak zwany czas martwy

albo czas podtrzymania T

(rys.10). Czas martwy jest to odst

p czasu, w którym

przychodz

cy z układy synchronizacyjnego (rys.12) impuls wyzwalaj

cy (gdyby

pojawił) nie mo

e wyzwoli

podstawy czasu, to znaczy zainicjowa

cyklu

generacyjnego napi

cia piłokształtnego. Czas martwy jest dłu

szy od czasu

powrotu i wynosi tyle ile jest konieczne w danym układzie do całkowitego
zako

czenia si

stanów nieustalonych zwi

zanych z powrotem układów

oscyloskopu do stanu wyj

ciowego. Nast

pny impuls wyzwalaj

cy jest zdolny

wyzwoli

podstaw

czasu dopiero po ustaniu wszystkich procesów

przej

ciowych, co zapewnia dokładn

powtarzalno

ś ć

kolejnych odcinków

podstawy czasu.

Płynna regulacja czasu martwego mo

e by

dokonywana przez u

ytkownika przy

pomocy pokr

tła oznaczonego „HOLDOFF” (rys.12).

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Ilustracja działania funkcji HOLDOFF oscyloskopu

Funkcja pozwala regulowa

czas spoczynku (czas oczekiwania) w

cyklicznej pracy generatora podstawy czasu, co warunkuje otrzymanie stabilnego
obrazu obserwowanego sygnału. Jest to szczególnie cenne przy obserwacji
zło

onych przebiegów okresowych (patrz rysunek 11.).

Na rysunku 1. obraz zaczyna by

rysowany (linia pogrubiona) od

najni

szego poziomu sygnału badanego (poziom ten wybiera u

ytkownik przy

pomocy pokr

tła LEVEL). Niewła

ciwie dobrany czas oczekiwania (T

)

generatora podstawy czasu sprawia,

e podczas kolejnych okresów napi

cia

piłokształtnego na ekranie rysowany jest inny fragment zło

onego sygnału

okresowego przy (rys. 11A), co sprawia,

e obserwator widzi na ekranie kilka

nało

onych na siebie i niestabilnych obrazów, czyli tzw. obraz uwikłany. Po

wydłu

eniu czasu oczekiwania pomocy pokr

tła oznaczanego zwykle jako

HOLDOFF, (czas T

na rys. 11B), przy ka

dym okresie napi

cia piłokształtnego

kre

lony jest ten sam (zaznaczony lini

pogrubion

) fragment badanego

sygnału. Obserwator widzi teraz na ekranie stabilny obraz tego
sygnału.

1 Okres sygnału

2 Okres sygnału

Rys. 11. Ilustracja zasady działania funkcji HOLDOFF oscyloskopu

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Na rysunku 12. przedstawiono blokowy schemat tej cz

ęś

ci układu

elektrycznego oscyloskopu, który zwi

zany jest z generatorem podstawy czasu.

Pominiemy budow

wewn

trzn

generatora, skupiaj

c si

na układach

steruj

cych jego prac

. Wyst

puj

ce na rys.12 oznaczenia zwi

zane s

przykładowym oscyloskopem typu OS-351.

Generator

podstawy

czasu

pracuje

pod

nadzorem

układu

synchronizacyjnego, który decyduje ka

dorazowo o chwili zapocz

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

wietlania na ekranie nieruchomego i

stabilnego obrazu mierzonego sygnału. Innymi słowy sygnał ten musi by

rysowany zawsze od tego samego punktu. Wybór tego punktu zale

y od

ytkownika, który ma do dyspozycji kilka ró

nych organów regulacyjnych.

GENERATOR

PODSTAWY

CZASU

WZMAC-

NIACZ

KANAŁ B

KANAŁ A

WZMAC.

COWY

CH A

CH B

PŁ

TRIG INPUT

MAGNIEFIER

POSITION

INPUT X

UKŁAD

SYNCHRO-

NIZACJI

TV F

TV L

NORM

AUTO

SLOPE

TRIG LEVEL

HOLD OFF

s/cm

ms/cm

s/cm

Rys.12. Generator podstawy czasu i jego otoczenie

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Podstawowym organem jest tu „TRIG LEVEL” czyli poziom

wyzwalania. Pokr

tłem poziomu wyzwalania mo

na wybra

warto

ś ć

napi

cia, od

której zacznie si

kre

lenie krzywej sygnału (rys.13).

Rys.13. Efekt regulacji poziomu wyzwalania

Kolejnym organem b

cym do dyspozycji u

ytkownika jest przeł

cznik

oznaczony „SLOPE”. Słu

y on do wyboru zbocza (narastaj

cego lub

malej

cego) od którego zacznie by

rysowany przebieg (rys. 14).

Rys.14. Działanie przeł

cznika „SLOPE”

Przeł

cznik „AUTO”, gdy jest wł

czony, powoduje samoczynn

prac

generatora podstawy czasu z okre

lon

przez konstruktora cz

stotliwo

Oznacza to,

e generator pracuje pod nieobecno

ś ć

jakiegokolwiek sygnału

badanego. Na ekranie rysowana jest linia podstawy czasu sygnalizuj

ytkownikowi sprawno

ś ć

tego generatora i pozwalaj

c ustawi

lini

odpowiedniej linii siatki naniesionej na ekranie. Brak jakiegokolwiek obrazu na
ekranie, co powoduje pewn

konsternacj

u pocz

tkuj

cego u

ytkownika,

wywołana jest cz

sto uprzednim wci

ciem przeł

cznika „NORM”, który

wprowadza odmienny tryb pracy generatora podstawy czasu. Tryb ten wymaga
obecno

ci na wej

ciu układu synchronizacji sygnału badanego dostarczonego z

kanału A lub B. Sygnał ten jest wówczas porównywany przez układ synchro-

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

nizacji z napi

cie stałym nastawionym przy pomocy regulatora „TRIG LEVEL”

i wyzwala generator podstawy czasu w odpowiednim punkcie badanego
przebiegu. Wynika st

e nastawianie poziomu wyzwalania (regulator „TRIG

LEVEL”), a tak

e wybór zbocza (przeł

cznik „SLOPE”) jest mo

liwe tylko

przy wł

czonym przeł

czniku „NORM” Wybór kanału, z którego dostarczany

jest sygnał do układu synchronizacji dokonuje si

przy pomocy przeł

cznika PŁ,

który ma jeszcze trzeci

pozycj

oznaczon

„TRIG INPUT”, umo

liwiaj

synchronizowanie pracy generatora podstawy czasu sygnałem zewn

trznym.

Tak wi

c, gdy mierzymy tylko jeden sygnał i korzystamy z jednego

kanału, musimy ustawi

przeł

cznik PŁ w stosownej pozycji: „CH A” albo „CH

B”. Jest to warunkiem uzyskania stabilnego obrazu badanego sygnału zarówno
przy wł

czonym „AUTO” jaki „NORM”.

Kiedy ogl

damy jednocze

nie dwa obrazy (pracuje przeł

cznik

elektroniczny PE), musimy zdecydowa

na wybór jednego z dwóch badanych

sygnałów, ustawiaj

c przeł

cznik PŁ w jednej z dwóch pozycji:

„CH A” albo „CH B”. Wybiera si

zwykle t

pozycj

przeł

cznika, która

zapewnia lepsz

synchronizacj

(bardziej stabilny obraz).

Z procesem synchronizacji zwi

zane s

dwa charakterystyczne

przeł

czniki: „TV L” oraz „TV F” u

ywane do prac serwisowych przy napra-

wie odbiorników telewizyjnych. Przy wł

czonym „TV L” generator podstawy

czasu jest sterowany impulsami synchronizacyjnymi linii, znacz

cymi koniec

dej linii obrazu telewizyjnego. Przy wł

czonym „TV F” korzysta si

impulsów synchronizacyjnych znacz

cych koniec ramki obrazu. Oscyloskop musi

w takich przypadkach zawiera

układy separuj

ce z zespolonego sygnału

telewizyjnego wymienione impulsy synchronizacyjne.

Na rysunku 12. widnieje tak

e organ regulacyjny oznaczony „HOLD

OFF”. Jego rola opisana została wy

ej (patrz rysunek 11).

Przeł

cznik „MAGNIEFIER” (co tłumaczy si

jako „lupa”) zmienia

współczynnik wzmocnienia wzmacniacza X sygnału dostarczonego do toru
odchylania poziomego przez gniazdo wej

ciowe „INPUT X”. Zwi

kszaj

c ten

współczynnik mo

na rozci

ą ć

obraz sygnału w osi X (osi czasu) i dokładniej

obejrze

te jego fragmenty, które s

„zag

szczone” w czasie. Rozci

gni

cie

obrazu sprawia,

e jego cz

ęś ć

przestaje by

widoczna na ekranie ale mo

na j

obejrze

przesuwaj

c obraz w osi X przy pomocy regulatora „POSITION”.

Pozycja przeł

cznika „MAGNIEFIER” zmienia oczywi

cie tak

skokowo współczynnik czasu (patrz rys.12). Na przykład w oscyloskopie OS-
351 wspominany przeł

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

ciokrotny wzrost czuło

ci). Pi

ciokrotnie zmieniaj

tak

e współczynniki czasu. Dla pozycji przeł

cznika „x1” wynosz

one od 0,1

µµµµ

s/cm do 0,5 s/cm, za

dla pozycji „

××××

5” od 0,02

µµµµ

s do 0,1 s/cm.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Powró

my do gniazda wej

ciowego „INPUT X”. Wykorzystuje si

wówczas, gdy pomiar wymaga sterowania płytkami odchylania poziomego przez
sygnał zewn

trzny, np. sygnał proporcjonalny do napi

cia przy zdejmowaniu

charakterystyki pr

dowo - napi

ciowej diody. Wył

czony musi by

wtedy

oczywi

cie generator podstawy czasy. W oscyloskopie OS-531 słu

y do tego

wył

cznik „X” (rys.12).

Jednorazowa podstawa czasu

Zgodnie z nazw

, sygnał odchylania poziomego jest doprowadzony do

płytek odchylania poziomego jednorazowo, daj

c jednorazowy ruch plamki w

prawo i z powrotem. Sygnał odchylania pionowego powinien z chwil

pojawienia

wyzwoli

jednorazowo generator podstawy czasu.

Jednorazowa podstawa czasu jest stosowana przy pomiarach zjawisk

nieperiodycznych, takich jak przebicia i wyładowania, zjawiska przy wybuchu,
zjawiska przy przeł

czeniach napi

ę ć

oraz pr

dów, itp.

Oscyloskop OS-351 nie ma mechanizmu wyzwalania jednorazowego, nie

jest bowiem przystosowany do rejestracji tak krótkotrwałych zjawisk fizycznych.

W niniejszym

wiczeniu u

ywany jest klasyczny oscyloskop analogowy,

pozwalaj

cy zapozna

studentów z podstawami techniki oscyloskopowej. Jej

opanowanie jest podstaw

do studiowania zasad działania oscyloskopów

cyfrowych.

wiczenie zawiera zadania pomiarowe, zwi

zane z podstawowymi zasto-

sowaniami oscyloskopu analogowego.

2. Zadania pomiarowe

Zadanie 1

Zmierzy

przy pomocy oscyloskopu amplitud

i okres T zadanego

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

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

PW-11

Input B

lub

Input A

Przewód ekranowany

Generator

Oscyloskop

Rys.1. Schemat układu pomiarowego

U(t)

Obraz oscylograficzny sygnału sinusoidalnego

Kolejno

ść

czynno

Przed wł

czeniem napi

cia zasilaj

cego oscyloskopu, nale

y dokona

wst

pnych nastaw jego organów regulacyjnych.

W torze odchylania Y

•

przeł

cznik rodzaju sprz

ęż

enia (DC,GND,AC) ustawi

w pozycji AC

•

regulator współczynnika wzmocnienia wzmacniacza VAR. CAL (pokr

tło

oznaczone kolorem czerwonym) ustawi

w prawym skrajnym poło

eniu

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

•

przeł

cznik NORM / INV w pozycji NORM

W torze odchylania X

•

przeł

cznik X MAGNIFIER w pozycji X1

•

w zespole przeł

czników AUTO / NORM / TV-F / TV-L wcisn

ąć

AUTO

•

przeł

cznik SLOPE w pozycji +

•

przeł

cznik TRIG SOURCE w pozycji CH A lub CH B, zale

nie od tego do

którego wej

cia oscyloskopu doprowadzony jest sygnał mierzony

•

regulatory LEVEL / HOLDOFF (

rodkowy i zewn

trzny) ustawi

pozycjach

rodkowych

Nast

pnie nale

1. Wł

czy

napi

cie zasilaj

ce oscyloskopu i odczeka

ok. pi

ciu minut

2. Wł

czy

napi

cie zasilaj

ce generator

3. Nastawi

stotliwo

ś ć

generatora 500 Hz i napi

cie wyj

ciowe o warto

ci ok.

4. Doprowadzi

sygnał z generatora przewodem ekranowanym do wej

cia

INPUT A albo INPUT B

5. W zespole przeł

czników VERT MODE wcisn

ąć

wył

cznik CHA A lub

CHA B zale

nie od wybranego wej

cia A lub B

6. W zespole przeł

czników X MAGNIFIER wcisn

ąć

odpowiednio CHA A

lub CHA B oraz AUTO

7. Przeł

cznikiem zmiany współczynnika odchylania pionowego (mV/cm, V/cm)

uzyska

liwie du

y obraz sygnału sinusoidalnego; wyregulowa

precyzyjnie jego poło

enie w osi Y potencjometrem POSITION

↑↓

8. Przeł

cznikiem zmiany współczynnika czasu (s/cm, ms/cm,

s/cm) uzyska

obraz co najmniej jednego okresu sinusoidy; wyregulowa

precyzyjnie jego

poło

enie w osi X potencjometrem POSITION

↔

W rezultacie opisanych wy

ej zabiegów na ekranie oscyloskopu powinien

pojawi

nieruchomy obraz sygnału sinusoidalnego. Nale

y teraz zmierzy

amplitud

tego sygnału oraz jego okres. Wyniki odczytów i oblicze

zanotowa

w Tablicy 1.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Tablica 1

Współczynnik odchylania w torze Y

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

niepotrzebne skre

Amplituda sygnału w centymetrach

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

Amplituda w jednostkach napi

cia

= a

∗

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

niepotrzebne skre

Współczynnik odchylania w torze X

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

s/cm, ms/cm, s/cm

niepotrzebne skre

Okres sygnału w centymetrach

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

Okres sygnału w jednostkach czasu

T = a

∗

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

s, ms, s

niepotrzebne skre

Zadanie 2

Zmierzy

przy pomocy oscyloskopu amplitud

i okres T zadanego

sygnału prostok

tnego. Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na

rysunku 1. Przebieg pomiarów b

dzie tu analogiczny do opisanego w Zadaniu 1

Wyniki pomiarów nale

y zapisa

w Tablicy 2.

Obraz oscyloskopowy napi

cia okresowego, prostok

tnego

W sprawozdaniu nale

y wyja

sposób wyznaczenia warto

ci skutecznej

mierzonego sygnału na podstawie oscyloskopowego pomiaru jego amplitudy.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Tablica 2

Współczynnik odchylania w torze Y

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

niepotrzebne skre

Amplituda sygnału w centymetrach

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

Amplituda w jednostkach napi

cia

= a

∗

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

niepotrzebne skre

Współczynnik odchylania w torze X

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

s/cm, ms/cm, s/cm

niepotrzebne skre

Okres sygnału w centymetrach

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

Okres sygnału w jednostkach czasu

T = a

∗

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

s, ms, s

niepotrzebne skre

Zadanie 3

Obejrze

na ekranie efekt ró

niczkowania napi

cia prostok

tnego i

zinterpretowa

otrzymane na ekranie obrazy. Schemat układu poł

cze

przedstawiony jest na rysunku 2.

PW-11

= 4V

f= 2kHz

INPUT A

INPUT B

Rys.2. Schemat układu ró

niczkuj

cego

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Obraz oscyloskopowy zró

niczkowanego sygnału prostok

tnego

W sprawozdaniu nale

Nale

y poł

czy

układ pomiarowy według schematu przedstawionego na

rysunku 2. Rezystor i kondensator umieszczone s

na wspólnej płytce, a zaciski

utworzonego przez te elementy układu oznaczone s

cyframi 2,3,5.

Aby mo

liwe było ogl

danie jednocze

nie obrazów dwóch sygnałów:

prostok

tnego napi

cia wej

ciowego układu ró

niczkuj

cego (zaciski 3,5) i

napi

cia wyj

ciowego tego układu (zaciski 2,5), nale

y wł

czy

przeł

cznik

elektroniczny, wybieraj

c jeden z dwóch mo

liwych trybów jego pracy: tryb

przemienny (ALT) lub siekany (CHOP).

Zalecane nastawy:

W torach Y: kanał: A: a

= 5V/cm,

kanał: B: a

= 5V/cm;

W torze X: a

= 0,1 ms/cm

1. Naszkicowa

ogl

dane przebiegi

2. Wyja

dlaczego w sygnale wyj

ciowym pojawiaj

impulsy szpilkowe

dodatnie i ujemne

3. Zaproponowa

sposób usuwania z sygnału wyj

ciowego układu ró

nicz-

kuj

cego impulsów ujemnych

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Zadanie 4

Obejrze

na ekranie efekt całkowania napi

cia prostok

tnego i

zinterpretowa

otrzymane na ekranie obrazy. Schemat układu poł

cze

przedstawiony jest na rysunku 3.

W sprawozdaniu nale

PW-11

= 4V

f= 200Hz

INPUT A

INPUT B

Rys.3. Schemat układu całkuj

cego

Zalecane nastawy:

W torach Y: kanał A: a

= 5V/cm,

kanał B: a

= 50 mV/cm;

W torze X: a

= 0,5 ms/cm

1. Naszkicowa

ogl

dane przebiegi

2. Wyja

dlaczego w rezultacie całkowania sygnału prostok

tnego otrzymuje

sygnał b

cy liniow

funkcj

czasu. Poda

interpretacj

matematyczn

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

Obraz oscyloskopowy scałkowanego napi

cia prostok

tnego

Zadanie 5

Zmierzy

przy pomocy oscyloskopu napi

cie U

diody Zenera. Schemat

układu poł

cze

przedstawiony jest na rysunku 3.

PO-21

= 25V

∼

f= 50Hz

INPUT A

X or TRIG

INPUT

10k

Ω

90k

Ω

Rys.3. Schemat układu do pomiaru napi

cia Zenera

DZ – badana dioda Zenera

– rezystor przetwarzaj

cy pr

d diody Zenera na proporcjonalne do

niego napi

cie

, R

– dzielnik napi

cia obni

cy napi

cie Zenera w stosunku 1/10

przed podaniem go do wej

cia oscyloskopu

Zalecane nastawy:

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

W torze Y: a

= 5V/cm

W torze X: a

= 0,5V/cm (MAGNIFIER X1)

Wcisn

ąć

NORM/INV

)

Obraz oscyloskopowy charakterystyki pr

dowo – napi

ciowej diody Zenera

Przebieg pomiaru

Zwi

ksza

stopniowo napi

cie wyj

ciowe generatora a

do chwili pojawienia

na ekranie pełnej charakterystyki pr

dowo - napi

ciowej diody Zenera.

Obliczy

warto

ś ć

napi

cia Zenera badanej diody według nast

puj

cej

formuły:

[V] = L

[cm]

0,5 [V/cm]

Zanotowa

w Tablicy 3 wynik pomiaru napi

cia U

badanej diody.

Tablica 3

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

W sprawozdaniu wyja

dlaczego dla otrzymania prawidłowego obrazu

charakterystyki pr

dowo - napi

ciowej diody Zenera nale

ało zmieni

polaryzacj

napi

cia w torze Y oscyloskopu przez wci

cie przeł

cznika

NORM/INV.

Wskazówka: Przeanalizowa

polaryzacj

napi

ę ć

dzy punktami 3 - 4

oraz 4 - 5.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

3. Pytania kontrolne

1. Jaka elektroda lampy oscyloskopowej emituje strumie

elektronów?

2. Jak

rol

w lampie pełni cylinder Wehnelta?

3. Jakie elektrody odpowiedzialne s

za skupianie i przy

pieszanie strumienia

elektronów?

4. Jak

rol

pełni powłoka grafitowa wewn

trz lampy?

5. Czemu słu

y metalizowanie ekranu?

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

liwe jest ogl

danie jednocze

nie dwóch przebiegów na ekranie

oscyloskopu jednostrumieniowego?

10. Wyja

nij rol

przeł

cznika elektronicznego

11. Obja

nij zasad

działania przeł

cznika elektronicznego oraz tryby jego pracy:

siekany i przemienny.

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

elektryczny?

13. Wyja

nij rol

generatora podstawy czasu

14. Narysuj przebieg czasowy napi

cia generatora podstawy czasu.

15. Jaka jest zasada pracy tzw. „samobie

nej podstawy czasu”?

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

4. Literatura

1. Rydzewski J. 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

ski M. Miernictwo elektryczne WNT, Warszawa 1967

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

D O D A T E K

Skrócony opis funkcji organów regulacyjnych

oscyloskopu typu OS-351

Zespół przeł

czników dotycz

cych odchylania pionowego

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

oraz „CH B”. W ka

dym z tych torów wyst

puj

tak samo oznaczone

przeł

czniki i organy regulacyjne.

Przykładowy opis dla kanału A

INPUT A - gniazdo wej

ciowe kanału A

NORM/INV - przeł

cznik polaryzacji sygnału mierzonego (odwraca faz

obserwowanego przebiegu o 180

)

DC, GND, AC - przeł

cznik o trzech poło

eniach umo

liwiaj

cy wybór rodzaju

sprz

ę ż

enia:

DC - sprz

ę ż

enie bezpo

rednie (stałopr

dowe) umo

liwiaj

ce pomiar napi

cia

stałego oraz napi

cia zmiennego zawieraj

cego składow

stał

; zakres

mierzonych cz

stotliwo

ci: 0 Hz - 15 MHz

AC - sprz

ę ż

enie zmiennopr

dowe, wej

cie zawiera kondensator odcinaj

składow

stał

napi

cia mierzonego; zakres mierzonych cz

stotliwo

ci:

10 Hz - 15 MHz

GND - wej

cie wzmacniacza doł

czone do masy, sygnał mierzony podawany jest

na obci

ą ż

enie 1M

Ω

, 47 nF. Ta pozycja przeł

cznika pozwala na

ustawienie linii odniesienia na zerowej linii siatki ekranu bez
konieczno

ci odł

czania oscyloskopu od

ródła sygnału mierzonego.

VAR. CAL -

rodkowe pokr

tło (koloru czerwonego) słu

y do regulacji

współczynnika wzmocnienia wzmacniacza odchylania pionowego.
Podczas pomiarów powinno znajdowa

w prawym skrajnym

poło

eniu.

Przeł

cznik zewn

trzny słu

y do skokowej regulacji współczynnika

tłumienia tłumika wej

ciowego a tym samym do wyboru współczynnika

odchylania pionowego i jest opisany w jednostkach: V/cm , mV/cm

VERT MODE - zespół przeł

czników o nast

puj

cych funkcjach:

CH A - kieruje do wzmacniacza sygnał doprowadzony do wej

cia INPUT A

CH B - kieruje do wzmacniacza sygnał doprowadzony do wej

cia INPUT B

ALT - wł

cza tryb przemienny pracy przeł

cznika elektronicznego (przeł

czanie

z cz

stotliwo

ok. 20 Hz)

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

CHOP - wł

cza tryb siekany pracy przeł

cznika elektronicznego (przeł

czanie z

stotliwo

150 kHz)

ADD - umo

liwia ogl

danie sumy (algebraicznej) sygnałów z kanałów A i B

POSITION

↑↓

- pokr

tło przesuwu obrazu w osi Y

Zespół przeł

czników dotycz

cych odchylania poziomego

MAGNIFIER - przeł

cznik

zmiany

współczynnika

czasu

lub

zmiany

współczynnika odchylania poziomego.

pozycja X1 - współczynnik czasu od 0,1

s/cm do 0,5 s/cm

pozycja X5 - współczynnik czasu od 0,02

s/cm do 0,1 s/cm

Gdy napi

cie odchylaj

ce jest doprowadzane z zewn

trz (do wej

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

cznik współczynnika czasu i pokr

tło (

rodkowe koloru

czerwonego) płynnej regulacji współczynnika czasu

TRIG MODE - przeł

czniki sposobu wyzwalania podstawy czasu:

AUTO - generator

podstawy

czasu

jest

wyzwalany

automatycznie

stotliwo

ok. 20 Hz, bez wzgl

du na istnienie czy brak sygnału

mierzonego. Zaleca si

korzystanie z tego rodzaju wyzwalania,

poniewa

umo

liwia on ogl

danie linii odniesienia jeszcze przed

przył

czeniem sygnału mierzonego.

NORM - generator podstawy czasu jest wyzwalany sygnałem mierzonym, przy

braku tego sygnału na ekranie nie pojawia si

linia odniesienia, co

sugerowa

e uszkodzenie oscyloskopu !

TV-F

- generator podstawy czasu jest wyzwalany impulsem synchronizuj

cym

ramk

obrazu telewizyjnego

TV-L - generator podstawy czasu jest wyzwalany impulsem synchronizuj

cym

lini

obrazu telewizyjnego

SLOPE - przeł

cznik wyboru zbocza (narastaj

cego „+” lub opadaj

cego „-”),

które wyzwala

dzie generator podstawy czasu

LEVEL HOLDOFF - regulacja poziomu napi

cia od którego wyzwalany b

dzie

generator podstawy czasu ( tryb pracy aktywny tylko przy wł

czonym

przeł

czniku NORM)

LEVEL HOLDOFF - (

rodkowe pokr

tło) - regulacja czasu powstrzymania

wyzwolenia generatora podstawy czasu. Wykorzystywane przy
ogl

daniu zło

onych sygnałów z układów elektronicznych.

wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny

TRIG SOURCE - zespół przeł

czników słu

ż ą

cych do wyboru

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

tło przesuwu zgrubnego i dokładnego (

rodkowy

potencjometr) obrazu w osi X. Podczas pomiaru czasu (np. okresu
sygnału), pokr

tło to powinno by

ustawione w prawym skrajnym

poło

eniu.

X or TRIG INPUT - gniazdo wej

ciowe sygnału steruj

cego płytkami

odchylania poziomego, słu

ż ą

ce tak

e do wyzwalania generatora

podstawy czasu sygnałem zewn

trznym. Gniazdo u

ywane do

zdejmowania charakterystyk, np. pr

dowo - napi

ciowych.

ASTG - regulacja astygmatyzmu elektrycznego układu optycznego oscyloskopu
INTENSITY - regulacja jasno

ci obrazu

FOCUS - regulacja ostro

ci obrazu

SCALE ILUM - regulacja o

wietlenia siatki naniesionej na ekran

POWER ON/OFF - wył

cznik napi

cia sieciowego