22 Oscyloskop elektroniczny

Politechnika

𮨛

Bia ostocka

Wydzia Elektryczny

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii

Instrukcja do zaj laboratoryjnych z przedmiotu

METROLOGIA 2

Kod przedmiotu:

BRAK

$wiczenie pt.

OSCYLOSKOP ELEKTRONICZNY

Numer wiczenia

Autor

Dr in . % Ryszard Piotrowski

Bia ystok 2006

- 1 -

1. Wprowadzenie

elem wiczenia jest zapoznanie studentów z w a ciwo ciami pomocni

! &

czego sprz tu pomiarowego, który b dzie u ywany przez nich w tra

kcie wicze laborator

yjnych z Metrologii. W instrukcji tej zawarte s (

opisy, obja nienia, wskazówki i pytania kontrolne dotycz ce najwa niejszych

(

Podstawowe wiadomo ci z zakresu budowy

i zasad dzia ania oscyloskopu analogowego

Oscyloskop jest jednym z najwa niejszych i najba

rdziej uniwersalnych

przyrz dów pomiarowych. Jego cenn zalet jest zdolno wy wietlania na

(

ekranie nieruchomych obrazów zmiennych w czasie sygna ów elektrycznych.

Stanowi to dla in yniera zajmuj cego si konstruowaniem uk adów elektro

(

nicznych, czy dla fizyka badaj cego w a ciwo ci materii trudn do przecenienia

(

! &

(

warto .

Lampa oscyloskopowa

Lampa ta jest najwa niejsz cz ci oscyloskopu. Na niej to strumie

( "& (

elektronów kre li lini wietln , odwzorowuj c dok adnie przebieg badanego

" &

(

( (

sygna u w czasie. La

mpa oscyloskopowa jest wi c przetwornikiem elektrolu

minescencyjnym przetwarzaj cym wielko elektryczn na wielko wietln .

(

&# &

(

Uproszczony szkic prostej lampy oscyloskopowej przedstawiony jest na

rysunku 1.

- 2 -

)

Rys. 1.Szkic lampy oscyloskopowej

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 sk

( (

wi zk , przy p

( "

& ieszanie do du ych pr dko ci, by nada im odpowiedni energi

(

kinetyczn , wreszcie skierowanie do odpowiedniego punktu ekranu stanowi

(

cego p aszczyzn uk adu wspó rz dnych prostok tnych, w którym uzyskiwany

( !

! "

(

jest obraz przebiegu czasowego badanej wielko&ci. Lampa mo e by sterowana

tylko sygna em napi ciowym, dlatego dowolna wielko fizyczna, któr chcemy

(

bada musi by uprzednio przetworzona na ten sygna elektryczny.

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

(

katod " K b d c r

" ( ( * ód em swobodnych elektronów. Jest to najcz ciej tzw.

katoda tlenkowa opisana ni ej.

- 3 -

Katoda tlenkowa

Katoda sk ada si z rdzenia metalowego,

najcz ciej niklowego, w kszta cie cylin

dra (rys.2) pokrytego tlenkami metali

ziem alkalicznych (zwykle baru, strontu,

wapnia) albo tlenkami toru. Warstwa

tlenków ma grubo 10

my100Pm

(1Pm=10

m) i wykazuje du porowa

to (obj to porów stanowi 65%

" &#

- 85%

obj to ci warstwy). Katoda grzana jest

" &

po rednio do temperatury ok. 800

przez spiral grzej

n 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 wokó niej pole magnetyczne pr du g

(

rzejnego. Napi cie

zasilaj ce grzejnik

(

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

Dzi ki znacznej bezw adno ci cieplnej, w katodzie grzanej po rednio nie

wyst puj wahania temperatury przy zasilaniu pr dem zmiennym. Katody

" (

(

grzane po rednio wykazuj ponadto wi ksz ni

(

" ( % katody o grzaniu bezpo rednim

sztywno i wytrzyma o mechaniczn .

! &#

(

Cylinder Wehnelta

Katoda K otoczona jest kolejn z rz du elektrod lampy, tzw. cylindrem

(

Wehnelta b d cym siatk steruj c

" (

(

( ( S lampy. W czo owej p aszczy nie tej

elektrody znajduje si ni

" ewielki otworek (rys.3), przez który wydostaje si "

cz elektronów emitowanych przez katod . Steruj ca rola siatki (nazwa nie

"&#

(

adekwatna do wygl du tego elementu, odpowiadaj ca jednak funkcji, jak on

(

wype nia) polega na regulacji liczby elektronów w wi z

( ce docieraj cej do

(

ekranu i tym samym sterowaniu jasno ci jego wiecenia w danym punkcie

& (

w danej chwili. Ma to, jak si przekonamy, wa ne znaczenie praktyczne.

Z rysunku 1 wynika, e siatka

S ma potencja ujemny wzgl dem katody i od

warto ci tego pot

encja u 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 po

(

zosta e, mimo starannego odpompowania

- 4 -

powietrza, zjonizowane cz steczki gazu, przyci gane z racji swego dodatniego

(

adunku przez katod .

𮨛

D F\OLQGHU :HKQHOWD

𮨛

HOHNWURQ\

NDWRGD

𮨛

E F\OLQGHU :HKQHOWD

𰵃

HOHNWURQ\

𰵃

NDWRGD

𰵃

Rys.3. Wp yw ujemnego potencja u siatki (cylindra Wehnelt

a) na tory elektronów

emito- wanych przez katod : " a) siatka ma niewielki potencja ujemny wzgl dem

katody (s abe hamowanie elektronów),

b) du y potencja ujemny siatki (silne

hamowanie elektro- nów)

Elektrony, które przedosta y si przez otworek w cylind

rze Wehnelta s (

przyci gane i tym samym przy pieszane przez anod

(

" A1

o dodatnim potencjale

wzgl dem katody. Anoda ta ma kszta t cylindra z przegrodami wewn trznymi

wychwytuj cymi elektrony, które z ró nych przyczyn wybieg y poza w sk

(

( (

wi zk , formowaniem k

( "

tórej zajmuje si w a nie anoda

" ! &

A1. Odpowiedni dobór

kszta tu tej elektrody s u y wytwarzaniu pola elektrycznego skupiaj cego

! %

(

elektrony w w sk wi zk . Wspomaga j w tym dzia aniu nast pna elektroda

( ( ( "

(

anoda A2 , która ma jeszcze wy szy potencja dodatni wz

gl dem katody (od

1500V do 5000 V). Jej g ównym 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 przyk adu, pr dko elektronów uderzaj cych

(

w luminofor osi ga warto 20 000 km/s, je eli napi cie mi dzy katod i anoda

(

drug wynosi 1000V. Dodajmy jeszcze, e w wyniku oczyszczaj cego

(

dzia ania cylindra Wehnelta, oraz anod A1 i A2, tylko od 5% do 20%

elektronów emitowanych 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

% dzia em elektronowym

Luminofor i zjawisko emisji wtórnej

Luminofor L (rys.1) jest to substancja pó przewodnikowa pokrywaj ca

(

od strony wewn trznej ekran lampy oscyloskopowej.

W warstwie tej dokonuje

- 5 -

si ostatni etap przetwarzania mierzonego sygna u napi

ciowego na sygna

&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 luminescencyjn niewielkich domieszek manganu, srebra, miedzi.

(

Luminofory wiec pod wp ywem bombardowania przez rozp dzone do du ych

(

pr dko ci elektrony. Zjawisko to nosi nazw elektroluminescencji. W wyniku

zderzenia elektronów z warstw luminoforu, nast puje zamiana cz ci energii

(

kinetycznej tych cz steczek na energi wi

(

" & etln . Pozosta a cz 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 ród a zasilania. W ten sposób zostaje zamkni ty obwód pr du

* !

(

wyp ywaj cego z bieguna ujemnego tego ród a. Mowa tu oczywi cie o kie

(

* !

runku rzeczywistym przep ywu pr du, to znaczy kierunku ruchu elektronów.

(

Interesuj cym zagadnieniem jest mechanizm samoczynnej regulacji

(

liczby elektronów wtórnych zapewniaj cej jedn

(

akowe nat enie pr du w ka

(

dym punkcie nierozga zionego obwodu elektrycznego. Liczba tych elektronów

zale y od rodzaju luminoforu i napi cia przy pieszaj cego (napi cia mi dzy

(

katod i drug anod ). Istnieje pewna minimalna warto 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 mniejsz od U

(

, liczba elektronów wybijanych

z luminoforu jest mniejsza od liczby elektronów pierwotnych, w wyniku czego

ekran aduje si ujemnie, dzia aj c coraz bardziej odpychaj co na elektrony

! (

(

przybywaj ce od strony katody. W ko cu dop yw elektronów pierwotnych do

(

ekranu ustaje ca kowicie, uniemo liwiaj c normalne funkcjonowanie lampy.

(

Gdy napi cie przy pieszaj ce ma warto wi ksz od U

(

" (

, liczba elektronów

wybijanych z luminoforu staje si wi ksza od liczby elektronów padaj cych,

(

w wyniku czego ekran zaczyna adowa si dodatnio i jego potencja staje si

# "

wy szy od potencja u warstwy graf

itowej. Mi dzy ekranem a warstw grafitow

(

powstaje wtedy pole elektryczne hamuj ce ruch elektronów wtórnych i

(

zawracaj ce ich cz do ekranu. Wzrost potencja u ekranu trwa dot d, dopóki

(

"&#

(

nie zostanie przywrócona równowaga mi dzy liczb elektronów pierwotn

(

ych

i wtórnych.

Jedn z cech luminoforu jest jego czas po wiaty. Jest to czas, jaki up ywa

(

od chwili znikni cia pobudzenia (strumienia elektronów) do chwili gdy

luminancja (jaskrawo ekranu) zmaleje do 1% warto ci pocz tkowej.

(

- 6 -

Stosowane s luminofory o

(

krótkim czasie po wiaty,5

50 µs, o rednim czasie

po wiaty, 10

50 ms (do fotografowania obrazu) oraz o d ugim czasie po wiaty,

rz du pojedynczych sekund (do obserwowania przebiegów jednokrotnych,

a tak e w radiolokacji).

W celu zmniejszenia strat wiat

a stosuje si napylanie luminoforu od

wewn trznej strony lampy cienk warstw aluminium o grubo ci 50

(

500 10

mm. Tak cienka pow oka aluminiowa praktycznie bez strat

przepuszcza elektrony, natomiast skutecznie odbija wiat o. Spe nia przy tym

jeszcze jedn po yteczn funkcj , chroni mianowicie luminofor przed

(

bombardowaniem ujemnych jonów, co czyni zbyteczn tzw. pu apk jonow

(

stosowan w starszych konstrukcjach lamp oscyloskopowych.

(

Odchylanie strumienia elektronów

Pozosta e do omówienia elek

trody lampy oscyloskopowej, to znaczy

p ytki odchylaj ce

( P1 i P2 (rys.1) maj za zadanie zmienia kierunek lotu

(

elektronów. Przyk adane do tych p ytek zmienne w czasie napi cie,

odzwierciedla odpowiednio: warto chwilow (y) obrazowanej na ekranie

(

wielko&ci (p ytki P1) oraz odpowiadaj c tej warto ci chwil czasu (x) (p ytki

( (

P2). Pozwala to na narysowanie linii wietlnej przedstawiaj cej dan wielko

(

w uk adzie wspó rz dnych prostok tnych

! "

(

y,x. P ytki

P1 zwane s p ytkami

( !

odchylania pionowego, albo p ytka

mi odchylania Y, za p ytki P2

& !

p ytkami odchylania poziomego, albo p ytkami odchylania X.

Ich

rzeczywisty kszta t 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 p ytkami odchylania

pionowego P1 lub p ytkami odchylania poziomego

P2 wytwarzane jest pole

elektryczne. Jedna z p ytek ka dej pary mo e by po czona na sta

!e z uzie-

mieniem (rys.1). Od wp ywu obcych pól elektrycznych p ytki chronione s

(

przez warstw grafitu

G, naniesion na wewn trzn powierzchni ba ki i po

(

" '

!(-

czon z anod

(

( A

, która jest uziemiona.

Zalet( odchylania elektrycznego jest mo liwo stosowani

a go w zakre-

esie wielkich cz stotliwo ci sygna u mierzonego si gaj cych 1 GHz.

" (

Zalet odchylania elektrycznego jest tak e ma a moc potrzebna do

(

uzyskania wymaganego odchylenia elektronów.

- 7 -

Dalsz zalet tego rodzaju odchylania jest to, e tor ruchu n

(

ie zale y od

stosunku adunku elektrycznego do masy cz stek, w zwi zku z czym ujemnie

(

na adowane jony gazów lub cz stek emitowanych przez katod b d mia y taki

(

" " (

sam tor jak elektrony i pada b d na ekran w tym samym miejscu. Zapobiega

# " (

to rozmyciu punktu wietlnego i chroni luminofor przed szybkim zu yciem,

które mia oby miejsce, gdyby ci kie jony (kilka tysi cy razy ci sze od

elektronu), nie podlegaj c dostatecznemu odchylaniu (jak ma to miejsce przy

(

odchylaniu magnetycznym), uderza y ci gle w ten s

(

am rodkowy obszar ekranu.

Wad odchylania elektrycznego jest stosunkowo du a zale no czu o ci

(

% &#

! &

od napi cia przy pieszaj cego drugiej anody. Du emu napi ciu tej anody

(

mianowicie odpowiada du a pr dko elektronów, dla których odchylania

potrzebne jest wi"

(

ksze napi cie przyk adane do p ytek odchylaj cych, co

oznacza oczywi cie mniejsz czu o systemu odchylania. Je eli za o ymy

(

! &#

! %

okre lon warto czu o ci, to zwi kszenie napi cia drugiej anody zmusza do

& (

! &

wyd u enia lampy oscyloskopowej dla uzyskania odpowi

! %

edniej 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 t

(

zawarty mi dzy skrajnymi po o eniami strumienia przy odchylaniu

! %

elektrycznym wynosi 25

- 30

Odchylanie magnetyczne.

W celu realizacji odchylania magnetycznego umieszcza si na zewn trz

(

lampy wokó szyjki, przy ostatniej elektrodzie wyrzutni elektronowej dwie pary

cewek odchylaj cych, których osie magnetyczne ustawione s wzgl dem sie

(

bie

pod k tem prostym. Przez ka d par cewek przep ywa pr d steruj cy, który

(

% (

(

wytwarza pole magnetyczne skierowane prostopadle do osi pod u nej lampy.

! %

Istotn wad odchylania magnetycznego jest to, i odchylenie cz steczki jest tu,

(

w przeciwie stwie do odc

hylania elektrycznego , zale ne od stosunku adunku

elektrycznego cz steczki do jej masy. Ci sze jony odchylane s znacznie

(

s abiej ni lekkie elektrony i padaj na rodkowa cz ekranu, przy pieszaj c

(

"&#

(

zu ycie luminoforu w tym obszarze. Zmusza o to w prz

esz o ci konstruktora do

! &

stosowania tzw. pu apek jonowych, wychwytuj cych jony i nie dopuszcza

(

j cych ich do ekranu. Obecnie pu apki 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.

- 8 -

Zalet odchylania magnetycznego w porównaniu z elektrycznym jest

(

mniejsza zale no czu o ci odchylania od napi cia

% &#

! &

" przy pieszaj cego (czu o

(

! &#

jest tu odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z napi cia

przy pieszaj cego, gdy tymczasem przy odchylaniu elektrycznym czu o jest

(

! &#

odwrotnie proporcjonalna do tego napi cia).

Kolejn zalet odchylania magnetyc

(

znego w porównaniu z elektrycznym

jest prostsza budowa wewn trzna lampy oscyloskopowej, poniewa uk ad

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 dla

(

wspó czesnych konstrukcji wynosi 110

. W rezultacie otrzymuje si korzystny

kszta t lampy, a wi c ma y stosunek jej d ugo ci do rednicy lub przek tnej

(

ekranu. Dla lamp o odchylaniu elektrycznym stosunek ten zawiera si w gra

nicach 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

(

* !

(

ród a 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

cz stotliwo , przy której stosowane by mo e odchylanie magnetyczne jest

rz du 50 kHz. Wada ta, mówi c nawias

(

em, nie ma istotnego znaczenia

w kineskopach odbiorników telewizyjnych, w których cz stotliwo odchylania

pionowego wynosi 50 Hz, poziomego za ok. 15 kHz.

Uk ady elektroniczne oscyloskopu

Zajmiemy si teraz uk adami elektrycznymi, których rol jest

(

przetwarzanie sygna ów doprowadzanych do wej cia oscyloskopu w celu

przystosowania ich do wymogów lampy oscyloskopowej, a tak e uk adami

odpowiedzialnymi za generowanie okresowych sygna ów niezb dnych tak e do

sterowania prac lampy.

(

Omówione dalej uk ady, z

w aszcza za organy regulacyjne i ich ozna

czenia b d odnosi y si do oscyloskopu OS

" (

-351. Pozwoli to na skupienie si "

na konkretnym urz dzeniu i unikni cie rozpraszaj cych uwag dygresji.

(

Wspomniany oscyloskop ma wiele typowych uk adów, które spotka mo n

% a

w innych oscyloskopach, gdzie mog by inaczej oznaczone, za ich organy

( #

regulacyjne mog wyst powa w nieco innym zestawieniu. Zrozumienie roli

(

opisywanych ni ej uk adów i regulatorów pozwoli atwo rozszyfrowa

znaczenie podobnych uk adów w innych typ

ach oscyloskopów.

- 9 -

Oscyloskop jednostrumieniowy, dwukana owy

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 oscylosk

(

opy 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

(

dwukana owym

, co

oznacza, e na jego ekranie mog by ogl dane j

( #

(

ednocze nie przebiegi dwóch

ró nych sygna ów. Taka mo liwo jest podstawowym wymogiem stawianym

nawet prostym konstrukcjom oscyloskopów. Dwukana owo wymaga wbudo

wania do przyrz du dwóch oddzielnych zestawów urz dze (gniazd wej

(

( '

ciowych, prze czników, regulatorów, t umików, wzmacniaczy, itp.). Oscylo

skop dwukana owy ma tak e pewne uk ady elektroniczne wspólne dla obydwu

kana ów, np. generator podstawy czasu, wzmacniacz ko cowy, prze cznik

elektroniczny, itp. Ni ej omówione zostan uk ady wyst puj ce

( !

" ( tylko w jednym

kanale, nast pnie za uk ady wspólne.

& !

Uk ady wej ciowe oscyloskopu

Na rysunku 4. przedstawione zosta y blokowo typowe uk ady wej ciowe

oscyloskopu, przy czym podane na nim oznaczenia dotycz oscyloskopu OS

(

351. Pokazane bloki stanowi frag

(

ment tak zwanego toru odchylania

pionowego, albo toru Y. Badany sygna jest w nim przetwarzany do takiej

postaci, by móg wysterowa p ytki odchylania pionowego i da mo liwie

# !

wierny obraz swojej zmienno ci w czasie.

Wej ciem do jednego z kana ów oscylos

kopu (tutaj kana u A) jest

gniazdo typu BNC oznaczone jako INPUT A. St d sygna mierzony mo e by

(

przy pomocy trójpo o eniowego prze cznika skierowany do T UMIKA

! %

jednym z trzech torów:

tor ALT (sprz enie AC)

tor DC (sprz enie DC)

tor GND

- 10 -

,1387 $

:=0$&

1,$&=

*1'

$/7

326,7,21

GR SU]Há F]

(

QLND HOHNWUR

QLF]QHJR

GR JHQHUDWRUD

SRGVWDZ\

F]DVX

9$5 &$/

WTÓR

NIK

T U-

MIK

Rys. 4.Uk ady wej ciowe oscyloskopu

W torze ALT znajduj cy si tam kondensator odcina z sygna u

(

ewentualn sk adow sta . Sk adowa ta mo e mie niekiedy znaczn warto

( !

( !(

(

i powodowa znikni cie z pola widzenia na o onej na ni niewielk

! %

(

iej sk adowej

zmiennej, która jest cz sto jedyna interesuj c nas cz ci sygna u badanego.

( (

"& (

Tak wi c tor ALT (zwany cz sto sprz eniem AC) nale y wybra , gdy zale y

nam na obserwowaniu sygna u zmiennego zawieraj cego sk adow sta , która

(

( !(

nas nie interesuje.

W torze DC sygna wej ciowy jest doprowadzany bezpo rednio do

T UMIKA. Z toru tego korzystamy w przypadku, gdy mierzymy

(obserwujemy) sygna y sta e, albo sygna y zmienne ze sk adowa sta , która nas

interesuje.

Pozycja GND prze cznika powoduje uziemi

enie wej cia oscyloskopu

i pozwala ustawi wy wietlan lini poziom na osi zerowej podzia ki ekranu

(

oscyloskopu. Dzi ki temu mo liwe jest potem zmierzenie warto ci sygna u

badanego wzgl dem masy (ziemi). Gdy wspomniany prze cznik torów)

znajdzie si w p

ozycji GND, sprz gni ty z nim mechanicznie inny prze cznik,

" "

spowoduje skierowanie sygna u mierzonego na obci enie zbli one do tego

jakie powoduje oscyloskop. Stanowi to udogodnienie dla mierz cego, który nie

(

musi podczas ustawiania linii zerowej od cza

!( #

od gniazda wej ciowego kabla

przy czeniowego.

T umik

Jest to rezystancyjny dzielnik napi cia (rys.5) o skokowo regulowanym

stopniu t umienia

napi cia wej ciowego (U

- 11 -

Rys. 5. Schemat t umika wej ciowego oscyloskopu

Zadaniem t umika jest zmniejszanie warto ci sygna ów wej ciowych i za

pobieganie przesterowaniu stopni wej ciowych wzmacniacza Y (rys.1).

Wielko ci charakteryzuj c t umik jest wspó czynnik t umienia

& (

( ( !

U
U

Wspó czynnik

nie zale y od

cz stotliwo ci sygna u wej ciowego, je eli

do rezystora R

do czona jest pojemno C

o warto ci spe niaj cej równanie:

(

R C R C

1 1

2 2

gdzie C

jest pojemno ci zast pcz pojemno ci monta owych i pojemno ci

& (

" (

wej ciowej

WTÓRNIKA.

Je eli spe ni

! ona jest powy sza równo mówimy, e dzielnik

jest

skompensowany, co oznacza, e impuls wyj ciowy zachowuje kszta t impulsu

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

wania i niedokompensowania dzielnika.

sygna wej ciowy

dzielnik skompensowany

dzielnik niedokom-

pensowany

dzielnik przekompensowany

= R

Rys.6. Odpowiedzi dzielnika (U

) na wymuszenie impulsem prostok tnym dla:

(

dzielnika skompensowanego

- 12 -

dzielnika przekompensowanego

dzielnika niedokompensowanego

Z e skompensowanie dzielnika powoduje wzrost b dów pomiaru. T umiki s

(

tak konstruowane aby pojemno wej ciowa C

C C

mia a jednakow warto dla wszystkich pozycji prze cznika wspó czynnika

(

t umienia

W oscyloskopie OS-351 prze cznik ten oznaczony jest

+VAR.CAL,

(rys.4). Jest to bardzo wa ny prze cznik. Pr

zy jego pomocy u ytkownik mo e

skokowo regulowa wysoko obrazu na ekranie lampy oraz, co najwa niejsze,

odczytywa warto amplitudy mierzonego sygna u. Poszczególne pozycje

prze cznika opisane s bowiem warto ciami

(

wspó czynnika odchylania

(pionowego) wyra onego w

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

dowolnej warto ci chwilowej) sygna u polega na odczytaniu wysoko ci jego

obrazu w centymetrach i pomno eniu jej przez wspomniany wspó czynnik od

chylania.

W oscyloskopach stosowane s dwa rod

(

zaje t umików:

t umiki o du ej rezystancji wej ciowej ( 1 M

)

t umiki o ma ej rezystancji wej ciowej ( 50

lub 75 :)

W t umiku o rezystancji wej ciowej 50

negatywny wp yw pojemno ci

monta owych jest znacznie mniejszy i dlatego t umik taki jest cz

ysto

rezystancyjny (bez kondensatorów). T umiki o rezystancji wej ciowej 50

s (

stosowane w oscyloskopach o pa mie powy ej 150 MHz.

Ze wzrostem cz stotliwo ci rezystory w t umiku nale y traktowa jako

elementy o sta ych roz o onych, w wyniku czego rezyst

! %

ancja wej ciowa w fun

kcji cz stotliwo ci maleje. Tak wi c rezystancja wej ciowa oscyloskopu ma

warto 1M

tylko dla pr du sta ego i ma ych cz stotliwo ci.

(

Wtórnik

Jest to wzmacniacz o wspó czynniku wzmocnienia napi ciowego w przy

bli eniu równym jedno c

& i, nie odwracaj cy w dodatku fazy napi cia

(

wyj ciowego wzgl dem napi cia wej ciowego, a wi c powtarzaj cy na wyj ciu

(

sygna wej ciowy (st d jego nazwa). Podstawow jego cech , dla której

(

wykorzystuje si go, jest du a rezystancja wej ciowa i ma wyj ciowa

Wzmacniacz ten stanowi wi c swoisty transformator rezystancji, wykorzys

- 13 -

tywany do sprz gania ród a sygna u o du ej rezystancji wyj ciowej z odbior

* !

nikiem o ma ej rezystancji wej ciowej. W oscyloskopie wtórnik separuje ród o

* !

sygna u mierzonego od wzma

cniacza odchylania pionowego (Y), nie

dopuszczaj c w ten sposób do nadmiernego obci enia pr dowego tego ród a,

(

* !

zniekszta cenia sygna u mierzonego, a co za tym idzie, zapobiega powstawaniu

nadmiernego b du pomiaru.

Wzmacniacz odchylania pionowego

Wzmacniacz ten (rys.4) wzmacnia wst pnie sygna badany zmierzaj cy

(

do p ytek odchylania pionowego. Jego wspó czynnik wzmocnienia jest

regulowany w sposób p ynny przy pomocy rodkowego pokr t a oznaczonego

" !

w oscyloskopie OS-531 +VAR CAL,. Regulacja wzmocnienia pozwala

zmienia wysoko obrazu na ekranie, zwi kszaj c w ten sposób jego

(

czytelno . Podczas pomiarów jednak pokr t o wzmocnienia musi znajdowa

" !

si w ci le okre lonym po o eniu, najcz ciej prawym skrajnym. Tylko wtedy

" & &

! %

bowiem prawdziwe s potrzebne przy

(

pomiarach, warto ci wspó czynnika

odchylania (w mV/cm lub V/cm) naniesione wokó prze cznika stopnia

t umienia t umika.

W oscyloskopie OS-351 oba organy regulacyjne: wspó czynnika

t umienia i p ynnej regulacji wzmocnienia skupione s w jednym miejscu

(

i opi-

sane jako +VAR CAL,

" ! ! %

przy czym rodkowe pokr t o s u y do p ynnej regulacji

wzmocnienia, za stosowna strza ka wymownie informuje o wymaganym

po o eniu tego pokr t a podczas pomiarów.

! %

" !

Je eli sygna wej ciowy jest zbyt du y, to pomi dzy ród em sygna

* !

!u a

wej ciem wzmacniacza w cza si omówiony wcze niej t umik, odpowiednio

zmniejszaj cy amplitud tego sygna u.

(

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

(

sygna ów i korzystnie jest umie ci je jeden nad drugim, np. na górze sygna

& #

wej ciowy badanego uk adu, na dole z

a jego sygna wyj ciowy.

Po wzmocnieniu sygna w druje dalej do

! "

prze cznika elektronicznego

(rys.4). Cz sygna u odprowadza si do

"&#

uk adu synchronizacyjnego

generatora podstawy czasu. Obydwa te uk ady b d omówione w dalszej

" (

cz ci wyk adu.

- 14 -

Parametry charakteryzuj ce tor Y oscyloskopu

(

Mówi c o torze odchylania pionowego, wypada okre li najwa niejsze

(

& #

parametry oscyloskopu, zwi zanymi z tym torem. S nimi:

(

pasmo oscyloskopu

czas narastania

wspó czynnik odchylania

Pasmo oscyloskopu jest to zakres cz st

" otliwo ci sygna ów badanych

zawartych mi dzy dwiema warto ciami: doln f

(

oraz górn f

(

, przy których

wzmocnienie maleje o 3 dB w stosunku do wzmocnienia dla ma ych cz stotli

wo ci, to znaczy maleje do warto ci równej 0,707 wzmocnienia tych cz stotli

wo&ci.

Od strony ma ych cz stotliwo ci pasmo ograniczone jest sta ymi

czasowymi uk adów sprz gaj cych (AC), a przy sprz eniu sta opr dowym

" (

! (

(DC) zaczyna si od 0 Hz.

Od strony wysokich cz stotliwo ci pasmo ograniczaj pojemno ci i indu

(

kcyjno ci monta owe w

zmacniacza oraz parametrów tranzystorów.

W oscyloskopach o du ych czu o ciach pasmo si ga kilkuset kHz,

! &

natomiast w oscyloskopach szerokopasmowych, mniej czu ych, si ga 500 MHz

i wi cej.

Je li za chodzi o sygna znacznie odbiegaj cy kszta tem od sinuso

(

idy,

istotna jest wierno , z jaka oscyloskop oddaje jego kszta t. 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 no :

" (

% &#

> @

t ns

f MHz

350

gdzie f

oznacza górn cz stotliwo pasma.

( "

- 15 -

Rys. 7. Ilustracja zasady wyznaczania czasu narastania impulsu prostok tnego

(

Zdecydowana wi kszo produkowanych obecnie oscyloskopów ma

wzmacniacze pr du sta

(

!ego o sprz eniu bezpo rednim (DC) od wej cia a do

p ytek odchylaj cych, co umo liwia pomiar sygna ów o bardzo ma ych

(

cz stotliwo ciach oraz sk adowe sta e.

Wspó czynnik odchylania

(pionowego) oscyloskopu jest okre lony

przez warto mi dzyszczytowego n

api cia U

jakie nale y doprowadzi do

jego wej cia, aby uzyska na ekranie obraz o wysoko ci 1 cm lub 1 dzia ki,

je eli podzia ka skali nie jest wyra ona w centymetrach.

Prze cznik elektroniczny

Prze cznik elektroniczny umo liwia wykorzystanie pojedyn

czego

strumienia elektronów do kre lenia obrazów dwóch sygna ów pochodz cych

(

z ró nych kana ów oscyloskopu.

Na rys.8. przedstawiony jest fragment uk adu elektrycznego oscyloskopu,

który ilustruje zasad dzia ania

prze cznika elektronicznego PE

Prze!(

cznik ten udost pnia wej cie wzmacniacza ko cowego toru odchylania

pionowego sygna om z dwóch ró nych kana ów oscyloskopu, co umo liwia

jednoczesne ogl danie dwóch przebiegów elektrycznych (np. sinusoidalnego i

(

prostok tnego).

(

Prze czanie kana ów odbywa

si jednym z dwóch sposobów wybranych

przez u ytkownika, mianowicie w trybie

prze czania przemiennego

oznaczonego jako ALT albo w trybie prze czania siekanego

oznaczonego

jako CHOP.

- 16 -

KANA A

WZMACNIACZ

KO COWY

KANA B

(t)

CHOP

ALT

UK AD

STERUJ CY

Rys. 8. Fragment uk adu elektrycznego oscyl

oskopu z prze cznikiem

elektronicznym PE

Podczas pracy w trybie ALT strumie elektronów podczas swego biegu

od lewej do prawej strony ekranu kre li obraz tylko jednego sygna u, za

podczas powtórnego biegu - obraz drugiego. Je eli to naprzemienne rysowa

nie

powtarza si z dostatecznie du cz stotliwo ci , obserwator widzi obrazy

%( "

& (

obydwu sygna ów, m. in. dzi ki w a ciwo ci ludzkiego wzroku, zachowuj cego

! &

(

wra enie przez jaki czas po znikni ciu bod ca wietlnego.

* &

Gdy prze cznik elektroniczny pracuje w try

bie CHOP, podczas biegu

strumienia elektronów od strony lewej ku prawej, rysuje on jednocze nie obrazy

obydwu przebiegów, ale obrazy te sk adaj si 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 ci. Poniewa jednak obrazy kre lone s

(

wielokrotnie, obserwator najcz 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 napi cia generatora podstawy czasu jest

wi ksza), a co za tym idzie, tak e

% przerwy w kre leniu s krótsze, co wywo uje

(

wra enie ci g o ci wiecenia obrazu.

( ! & &

Tryb CHOP stosuje si przy niewielkiej cz stotliwo ci badanych

sygna ów, kiedy to ruch plamki wietlnej od strony lewej do prawej odbywa si

stosunkowo wolno (cz stotliwo

&# napi cie generatora podstawy czasu jest

niewielka) i przemienne kre lenie ka dego przebiegu z osobna wywo ywa oby

nieprzyjemne migotanie obrazu. Tryb ten jest stosowany tak e w przypadku

rejestracji fotograficznej przebiegów jednokrotnych.

- 17 -

Rys. 9. Tryb siekany pracy prze cznika elektronicznego

W oscyloskopie OS-351 prze cznik elektroniczny PE jest prze czany

przez uk ad steruj cy z cz stotliwo ci 20 Hz przy pracy w trybie ALT oraz z

(

& (

cz stotliwo ci 150 kHz gdy u ytkownik

& (

wybierze tryb CHOP.

Generator podstawy czasu

Generator podstawy czasu generuje tzw. napi cie pi okszta tne (rys.10).

które doprowadzone do p ytek odchylania poziomego (rys.11), steruje ruchem

plamki wietlnej na ekranie, odwzorowuj cym up yw czasu (droga

(

przebyta

przez plamk jest proporcjonalna do czasu rzeczywistego). Z generatorem tym

zwi zany jest kolejny wa ny parametr oscyloskopu, mianowicie

(

wspó czynnik

czasu.

Wspó czynnik czasu

jest to czas potrzebny do przesuni cia plamki

&wietlnej w kierunku poziomym na odleg o 1 cm lub 1 dzia ki. Wyra any jest

! &#

w s/cm, ms/cm, Ps/cm lub ps/cm (pikosekundy na centymetr)

Generator podstawy czasu pe ni rol wewn trznego zegara oscyloskopu,

odmierzaj cego wzorcowe odcinki czasu potrzebne do pomiaru okresu, a tym

(

samym cz stotliwo ci sygna ów okresowych. Jego dzia anie uzewn trznia si

poprzez jednostajny ruch plamki wietlnej wzd u poziomej linii ekranu, za

! %

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

napi cie wyj ciowe generator

a, zmieniaj ce si liniowo od warto ci

(

& -U

do U

(rys.10). Gdy napi cie to ma warto

&# -U

plamka wietlna znajduje si na

- 18 -

lewym skraju ekranu (w punkcie startowym), kiedy osi ga ono warto równ

(

zeru plamka dociera na rodek ekranu, przy napi ciu równym

znajdzie si "

natomiast na jego prawym skraju. Omówiona zmiana napi cia odbywa si

w czasie T

(rys.10). Szybko ruchu mo e by regulowana skokowo i p ynnie

poprzez zmian cz 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

Rys. 10. Napi cie wyj ciowe generatora podstawy czasu

Pouczaj ce jest nastawienie na pocz tku ma ej cz stotliwo ci,

(

zapewniaj c

( ej powolny ruch plamki wietlnej od strony lewej ekranu do prawej.

Obserwator widzi wtedy plamk w jednostajnym ruchu, powtarzaj cym si

(

w regularnych cyklach. Plamka docieraj c do prawego skraju ekranu, znika

(

nagle, by pojawi si po chwili po jego prawe

# "

j stronie i rozpocz ponownie

swój ruch ze sta pr dko ci . 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 dzia aj cy automatycznie uk ad elektroniczny, dostarcza

! (

na ten czas do siatki steruj cej lampy oscyloskopowej (cylindra Wehnelta)

(

impuls ujemny, powoduj c tym ca kowite wyhamowanie emitowanych przez

(

katod elektronów. Gdyby zabrak o

! tego mechanizmu, strumie elektronów

kre li by lini swego ruchu powrotnego nie zwi zan z obserwowanym

& !

( (

przebiegiem i fa szuj c jego obraz, co komplikowa oby obserwacj .

( (

Kiedy stopniowo zwi ksza b dziemy cz stotliwo 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 ci

( "

znaczy swój ruch jednolit , je li chodzi o nat enie lini wietln . Lini t

( &

(

" "

nazywa si cz sto

" "

podstaw czasu

(

- 19 -

Opisane obserwacje poleci nale y wszystkim pocz tkuj cym u ytko

(

wnikom oscyloskopu, poniewa daj one dobre wyobra enie zasady dzia ania

(

generatora podstawy czasu.

Zanim opisany przed chwil cykl powtórzy si , musz zanikn stany

(

nieustalone wewn trz generatora. Zw

(

i 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 uk ady synchronizacyjnego (rys.11) impuls wyzwalaj cy

(

(gdyby si pojawi ) nie mo e wyzwoli podstawy czasu, to znaczy zain

icjowa #

cyklu generacyjnego napi cia pi okszta tnego. Czas martwy jest d u szy od

! %

czasu powrotu i wynosi tyle ile jest konieczne w danym uk adzie do

ca kowitego zako czenia si stanów nieustalonych zwi zanych z powrotem

(

uk adów oscyloskopu do stanu wyj ci

& owego. Nast pny impuls wyzwalaj cy jest

(

zdolny wyzwoli podstaw czasu dopiero po ustaniu wszystkich procesów

przej ciowych, co zapewnia dok adn powtarzalno kolejnych odcinków

(

podstawy czasu.
P ynna regulacja czasu martwego mo e by dokonywana przez u

%ytkownika

przy pomocy pokr t a oznaczonego

" !

+HOLDOFF, (rys.11). Znajduje ona

zastosowanie przy pomiarach przebiegów impulsowych o z o onym kszta cie,

! %

czym nie b dziemy zajmowali si bli ej w tym wyk adzie.

" %

Na rysunku 11. przedstawiono blokowy schemat tej cz ci uk adu

elektrycznego oscyloskopu, który zwi zany jest z generatorem podstawy czasu.

(

Pominiemy budow wewn trzn generatora, skupiaj c si na uk adach

(

steruj cych jego prac . Wyst puj ce na rys.11 oznaczenia zwi zane s z przy

(

" (

(

k adowym oscyloskopem t

ypu OS-351.

Generator podstawy czasu pracuje pod nadzorem uk adu

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 by ryso

wany dok adnie na obrazie

poprzednim, co jest warunkiem wy wietlania na ekranie nieruchomego i sta

bilnego obrazu mierzonego sygna u. Innymi s owy sygna ten musi by

rysowany zawsze od tego samego punktu. Wybór tego punktu zale y od

u ytkownika, który ma

do dyspozycji kilka ró nych organów regulacyjnych.

- 20 -

*(1(5$725

32'67$:<

&=$68

;

:=0$&

1,$&=

;

.$1$à %

.$1$à $

:=0$&

&2:<

&+ $

&+ %

3à

75,* ,1387

0$*1,(),(5

326,7,21

,1387 ;

8.à$'

6<1&+52

1,=$&-,

79 )

79 /

1250

$872

6/23(

75,* /(9(/

+2/' 2))

VFP

PVFP

;

Rys. 11. Generator podstawy czasu i jego otoczenie

Podstawowym organem jest tu +TRIG LEVEL, czyli poziom

wyzwalania. Pokr t em poziomu wyzwalania mo na wybra warto napi

" !

"cia,

od której zacznie si kre lenie krzywej sygna u (rys.12).

Rys. 12. Efekt regulacji poziomu wyzwalania

- 21 -

Kolejnym organem b d cym do dyspozycji u ytkownika jest prze cznik

" (

oznaczony +SLOPE,

! %

(

. S u y on do wyboru zbocza (narastaj cego lub

malej cego) od którego zacznie by rysowany przebieg (rys. 13).

(

Rys.13. Dzia anie prze cznika SLOPE

Prze cznik

+AUTO,

(

, gdy jest w czony, powoduje samoczynn prac

generatora podstawy czasu z okre lon przez konstruktora cz stotliwo ci .

& (

Oznacza to, e generator pracuje pod nieobecno jakiegokolwiek sy

gna u

badanego. Na ekranie rysowana jest linia podstawy czasu sygnalizuj c

(

u ytkownikowi sprawno tego generatora i pozwalaj c ustawi t lini na

(

# "

odpowiedniej linii siatki naniesionej na ekranie. Brak jakiegokolwiek obrazu na

ekranie, co powoduje pewn k

( onsternacj u pocz tkuj cego u ytkownika,

(

wywo ana jest cz sto uprzednim wci ni ciem prze cznika

& "

+NORM,, który

wprowadza odmienny tryb pracy generatora podstawy czasu. Tryb ten wymaga

obecno ci na wej ciu uk adu synchronizacji sygna u badanego dostarczone

go z

kana u

! A lub B. Sygna ten jest wówczas porównywany przez uk ad synchro

nizacji z napi cie sta ym nastawionym przy pomocy regulatora

+TRIG

LEVEL, i wyzwala generator podstawy czasu w odpowiednim punkcie

badanego przebiegu. Wynika st d, e nastawianie

( %

poziomu wyzwalania

(regulator +TRIG LEVEL,

), a tak e wybór zbocza (prze cznik SLOPE,)

jest mo liwe tylko przy w czonym prze czniku

+NORM,

Wybór kana u, z

którego dostarczany jest sygna do uk adu synchronizacji dokonuje si przy

pomocy prze cznika

P-, który ma jeszcze trzeci pozycj oznaczon

(

( +TRIG

INPUT,

( (

, umo liwiaj c synchronizowanie pracy generatora podstawy czasu

sygna em zewn trznym.

Tak wi c, gdy mierzymy tylko jeden sygna i korzystamy z jednego

kana u, musimy ustawi prze cznik

P - w stosownej pozycji: +CH A, albo

+CH B,

. Jest to warunkiem uzyskania stabilnego obrazu badanego sygna u

zarówno przy w czonym

+AUTO,

jaki NORM,.

Kiedy ogl damy jednocze nie dwa obrazy (pracuje prze cznik

(

elektroniczny PE), musimy zdecydowa si na wybór

# "

jednego z dwóch

badanych sygna ów, ustawiaj c prze cznik

(

P - w jednej z dwóch pozycji:

- 22 -

+CH A,

albo CH B,

. Wybiera si zwykle t pozycj prze cznika, która

zapewnia lepsz synchronizacj (bardziej stabilny obraz).

(

Z procesem synchronizacji zwi zane s d

(

( wa charakterystyczne

prze czniki:

+TV L,

oraz TV F, %

u ywane do prac serwisowych przy napra-

wie odbiorników telewizyjnych. Przy w czonym

+TV L, generator podstawy

czasu jest sterowany impulsami synchronizacyjnymi linii, znacz cymi koniec

(

ka dej linii ob

razu telewizyjnego. Przy w czonym

+TV F,

korzysta si z im-

pulsów synchronizacyjnych znacz cych koniec ramki obrazu. Oscyloskop musi

(

w takich przypadkach zawiera uk ady separuj ce z zespolonego sygna u

(

telewizyjnego wymienione impulsy synchronizacyjne.

Na rysunku 11. widnieje tak e organ regulacyjny oznaczony

+HOLD

OFF, ! %

. S u y on do regulacji tak zwanego czasu podtrzymania T

, który

w a ciwiej by oby nazwa czasem powstrzymania generatora przed generacj

! &

(

kolejnego cyklu napi cia pi okszta tnego. Jego d

zia anie uwidacznia si tylko

przy badaniu z o onych sygna ów impulsowych. Wyd u enie czasu T

! %

powstrzymuje generacj napi cia pi okszta tnego do czasu up yni cia okresu

! "

z o onego sygna u i zapobiega powstaniu tak zwanego obrazu uwik anego,

! %

z którym mamy do czynienia wówczas, gdy podczas kolejnego biegu plamki

! %

wietlnej rysowana jest ko cowa cz ci z o onego sygna u, nie narysowana

podczas poprzedniego biegu.

Prze cznik

+MAGNIEFIER,

(co t umaczy si jako lupa ) zmienia

wspó czynnik wzmocnienia wzmacnia

cza X sygna u dostarczonego do toru

odchylania poziomego przez gniazdo wej ciowe

+INPUT X,

(

. Zwi kszaj c ten

wspó czynnik mo na rozci gn obraz sygna u w osi X (osi czasu) i dok adniej

( (#

obejrze te jego fragmenty, które s zag szczone w czasie. Rozci gni

( + "

( "cie

obrazu sprawia, e jego cz przestaje by widoczna na ekranie ale mo na j

"&#

(

obejrze przesuwaj c obraz w osi X przy pomocy regulatora

(

+POSITION,.

Pozycja prze cznika

+MAGNIEFIER,

zmienia oczywi cie tak e

skokowo wspó czynnik czasu (patrz rys.12). Na

przyk ad w oscyloskopie OS

351 wspominany prze cznik ma dwie pozycje oznaczone:

+u1, +

i u5,. Pozyc-

jom tym odpowiada wspó czynnik wzmocnienia w torze X odpowiednio:

0,5

V/cm i 0,1 V/cm (pi ciokrotny wzrost czu o ci). Pi ciokrotnie zmieniaj si

! &

( "

tak e

% wspó czynniki czasu. Dla pozycji prze cznika

+x1,

(

wynosz one od 0,1

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

+u5, od 0,02 Ps do 0,1 s/cm.

Powró my do gniazda wej ciowego

+INPUT X,

. Wykorzystuje si je

wówczas, gdy pomiar wymaga sterowania p ytkami odchylani

a poziomego

przez sygna zewn trzny, np. sygna proporcjonalny do napi cia przy

zdejmowaniu charakterystyki pr dowo

(

- napi ciowej diody. Wy czony musi

by wtedy oczywi cie generator podstawy czasy. W oscyloskopie OS

-531 s u y

! %

do tego wy cznik

+X, (rys.11).

- 23 -

Jednorazowa podstawa czasu

Zgodnie z nazw , sygna odchylania poziomego jest doprowadzony do

(

p ytek odchylania poziomego jednorazowo, daj c jednorazowy ruch plamki w

(

prawo i z powrotem. Sygna odchylania pionowego powinien z chwil

(

pojawienia si w

" yzwoli jednorazowo generator podstawy czasu.

Jednorazowa podstawa czasu jest stosowana przy pomiarach zjawisk

nieperiodycznych, takich jak przebicia i wy adowania, zjawiska przy wybuchu,

zjawiska przy prze czeniach napi oraz pr dów, itp.

(

Oscyloskop OS-351 nie ma mechanizmu wyzwalania jednorazowego, nie

jest bowiem przystosowany do rejestracji tak krótkotrwa ych 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 dzia ania oscyloskopów

(

cyfrowych.

(

wiczenie zawiera zadania pomiarowe, zwi zane z podstawowymi zasto-

sowaniami oscyloskopu analogowego.

2. Zadania pomiarowe

Zadanie 1

Zmierzy przy po

mocy oscyloskopu amplitud U

i okres T zadanego

sygna u sinusoidalnego. Schemat uk adu pomiarowego przedstawiony jest na

rysunku 1.

PW-11

Input B

lub

Input A

Przewód ekranowany

Generator

Oscyloskop

Rys. 1. Schemat uk adu pomiarowego

- 24 -

Obraz oscylograficzny sygna u sinusoidalnego

Kolejno czynno ci

Przed w czeniem napi cia zasilaj cego oscyloskopu, nale y dokona

(

wst pnych nastaw jego organów regulacyjnych.

W torze odchylania Y

prze cznik rodzaju sprz enia (DC,GND,AC) ustawi w pozycji AC

regulator wspó!

" !

czynnika wzmocnienia wzmacniacza VAR. CAL (pokr t o

oznaczone kolorem czerwonym) ustawi w prawym skrajnym po o eniu

! %

prze cznik NORM / INV w pozycji NORM

W torze odchylania X

prze cznik X MAGNIFIER w pozycji X1

w zespole prze czników AUTO / NORM /

TV-F / TV-L wcisn AUTO

prze cznik SLOPE w pozycji +

prze cznik TRIG SOURCE w pozycji CH A lub CH B, zale nie od tego do

którego wej cia oscyloskopu doprowadzony jest sygna mierzony

regulatory LEVEL / HOLDOFF ( rodkowy i zewn trzny) ustawi w po

zycjach rodkowych

- 25 -

Nast pnie nale y

1. W czy napi cie zasilaj ce oscyloskopu i odczeka ok. pi ciu minut

!( #

(

2. W czy napi cie zasilaj ce generator

!( #

(

3. Nastawi cz stotliwo generatora 500 Hz i napi cie wyj ciowe o warto ci

# "

ok. 6V

4. Doprowadzi sygna z generatora pr

zewodem ekranowanym do wej cia

INPUT A albo INPUT B

5. W zespole prze czników

VERT MODE wcisn wy cznik

CHA A lub

CHA B zale nie od wybranego wej cia A lub B

6. W zespole prze czników

X MAGNIFIER wcisn odpowiednio

CHA A

lub CHA B oraz AUTO

7. Prze cznik

iem zmiany wspó czynnika odchylania pionowego (mV/cm,

V/cm) uzyska mo liwie du y obraz sygna u sinusoidalnego; wyregulowa

precyzyjnie jego po o enie w osi Y potencjometrem

! %

POSITION np

8. Prze cznikiem zmiany wspó czynnika czasu (s/cm, ms/cm,

s/cm) uzyska #

obraz co najmniej jednego okresu sinusoidy; wyregulowa precyzyjnie jego

po o enie w osi X potencjometrem

! %

POSITION l

W rezultacie opisanych wy ej zabiegów na ekranie oscyloskopu powinien

pojawi si nieruchomy obraz sygna u sinusoidalnego. Nale y t

# "

% eraz zmierzy #

amplitud tego sygna u oraz jego okres. Wyniki odczytów i oblicze zanotowa

w Tablicy 1.

Tablica 1

Wspó czynnik odchylania w torze Y

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

QLHSRWU]HEQH VNUH OLü

Amplituda sygna u w centymetrach

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

Amplituda w jednostkach napi cia

= a

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

QLHSRWU]HEQH VNUH OLü

Wspó czynnik odchylania w torze X

= ................ Ps/cm, ms/cm, s/cm

QLHSRWU]HEQH VNUH OLü

Okres sygna!u w centymetrach

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

Okres sygna u w jednostkach czasu

T = a

..........................Ps, ms, s

QLHSRWU]HEQH VNUH OLü

- 26 -

Zadanie 2

Zmierzy przy pomocy oscyloskopu amplitud U

i okres T zadanego

sygna u prostok tnego. Schemat uk adu pomiarowego przedstawiony jest na

(

rysunku 1. Przebieg pomiarów b dzie tu analogiczny do opisanego w Zadaniu

Wyniki pomiarów nale y zapisa w Tablicy 2.

Obraz oscyloskopowy napi cia okre

sowego, prostok tnego

(

W sprawozdaniu nale y wyja ni sposób wyznaczenia warto ci skutecznej

& #

mierzonego sygna u na podstawie oscyloskopowego pomiaru jego amplitudy.

Tablica 2

Wspó czynnik odchylania w torze Y

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

QLHSRWU]HEQH VNUH OLü

Amplituda sygna u w centymetrach

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

Amplituda w jednostkach napi cia

= a

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

QLHSRWU]HEQH VNUH OLü

Wspó czynnik odchylania w torze X

= ................ Ps/cm, ms/cm, s/cm

QLHSRWU]HEQH VNUH OLü

Okres sygna u w centymetrach

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

Okres sygna u w jednostkach czasu

T = a

..........................Ps, ms, s

QLHSRWU]HEQH VNUH OLü

- 27 -

Zadanie 3

Obejrze na ekranie efekt ró niczkowania napi cia prostok tnego i

(

zinterpretowa otrzymane na ekranie obrazy. Schemat uk adu po cze

!( '

przedstawiony jest na rysunku 2.

PW-11

= 4V

f= 2kHz

INPUT A

INPUT B

Rys. 2. Schemat uk adu ró niczkuj cego

(

- 28 -

Obraz oscyloskopowy zró niczkowanego sygna u prostok tnego

(

W sprawozdaniu nale y:

Nale y po czy uk ad pomiarowy wed ug schematu przedstawionego na

!( # !

rysunku 2. Rezystor i kondensator umieszczone s na wspólnej p ytce, a zaciski

(

utworzonego przez te elementy uk adu oznaczone s cy

( frami 2,3,5.

Aby mo liwe by o ogl danie jednocze nie obrazów dwóch sygna ów:

(

prostok tnego napi cia wej ciowego uk adu ró niczkuj cego (zaciski 3,5)

(

i napi cia wyj ciowego tego uk adu (zaciski 2,5), nale y w czy prze cznik

!( #

elektroniczny, wybieraj c j

( eden z dwóch mo liwych trybów jego pracy: tryb

przemienny (ALT) lub siekany (CHOP).

Zalecane nastawy:

W torach Y: kana : A: a

= 5V/cm,

kana : B: a

= 5V/cm;

W torze X: a

[

= 0,1 ms/cm

1. Naszkicowa ogl dane przebiegi

(

2. Wyja ni dlaczego w sygnale wyj ciowym pojawiaj si impulsy szpilkowe

& #

( "

dodatnie i ujemne

3. Zaproponowa sposób usuwania z sygna u

! wyj ciowego uk adu ró nicz

kuj cego impulsów ujemnych

(

- 29 -

Zadanie 4

Obejrze na ekranie efekt ca kowania napi cia pr

ostok tnego i

(

zinterpretowa otrzymane na ekranie obrazy. Schemat uk adu po cze

!( '

przedstawiony jest na rysunku 3.

W sprawozdaniu nale y:

PW-11

= 4V

f= 200Hz

INPUT A

INPUT B

Rys. 3. Schemat uk adu ca kuj cego

! (

Zalecane nastawy:

W torach Y: kana A: a

= 5V/cm,

kana B: a

= 50 mV/cm;

W torze X: a

[

= 0,5 ms/cm

1. Naszkicowa ogl dane przebiegi

(

2. Wyja ni dlaczego w rezultacie ca kowania sygna u prostok tnego

& #

(

otrzymuje si sygn

a b d cy liniow funkcj czasu. Poda interpretacj

! " (

(

matematyczn .(

- 30 -

Obraz oscyloskopowy sca kowanego napi cia prostok tnego

(

Zadanie 5

Zmierzy przy pomocy oscyloskopu napi cie U

diody Zenera. Schemat

uk adu po cze przedstawiony jest na rysunku 3.

!( '

PO-21

= 25Va

f= 50Hz

INPUT A

X or TRIG

INPUT

10k:

90k:

Rys. 3. Schemat uk adu do pomiaru napi cia Zenera

DZ 2 badana dioda Zenera

2 rezystor przetwarzaj cy pr d diody Zenera na proporcjonalne do

(

niego napi cie

- 31 -

, R

2 dzielnik napi cia obni aj cy napi cie Zenera w stosunku 1/10

% (

przed podaniem go do wej cia oscyloskopu

Zalecane nastawy:

W torze Y: a

= 5V/cm

W torze X: a

= 0,5V/cm (MAGNIFIER X1)

Wcisn NORM/INV

𶌳

)

Obraz oscyloskopowy charakterystyki pr dowo

(

2 napi ciowej diody Zenera

Przebieg pomiaru

Zwi ksza stopniowo napi cie wyj

&ciowe generatora a do chwili poja

wienia si na ekranie pe nej charakterystyki pr dowo

(

- napi ciowej diody

Zenera.

Obliczy warto napi cia Zenera badanej diody wed ug nast puj cej

" (

formu y:

[V] = L

[cm]u0,5 [V/cm] u10

Zanotowa w Tablicy 3 wynik pomiar

u napi cia U

badanej diody.

Tablica 3

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

W sprawozdaniu wyja ni dlaczego dla otrzymania prawid owego obrazu

& #

charakterystyki pr dowo

(

- napi ciowej diody Zenera nale a o zmieni

% !

polaryzacj napi cia w torze Y oscyloskopu przez wci

& "

ni cie prze cznika

NORM/INV.

Wskazówka: Przeanalizowa polaryzacj napi mi dzy punktami 3

- 4

oraz 4 - 5.

- 32 -

3. Pytania kontrolne

1. Jaka elektroda lampy oscyloskopowej emituje strumie elektronów?

2. Jak rol w lampie pe ni cylinder Wehnelta?

( "

3. Jakie elektrody odpowiedzialne s za skupianie i przy pieszanie strumienia

(

elektronów?

4. Jak rol pe ni pow oka grafitowa wewn trz lampy?

( " !

(

5. Czemu s u y metalizowanie ekranu?

! %

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

9. Dlaczego mo liwe jest ogl da

( nie jednocze nie dwóch przebiegów na ekranie

oscyloskopu jednostrumieniowego?

10. Wyja nij rol prze cznika elektronicznego

11. Obja nij zasad dzia ania prze 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 pod

stawy czasu,

4. Literatura

1. Rydzewski J. Pomiary oscyloskopowe WNT, Warszawa 1994

2. Chwaleba A. i inni Metrologia elektryczna WNT, Warszawa 2006

D O D A T E K

Skrócony opis funkcji organów regulacyjnych

oscyloskopu typu OS-351

Zespó prze czników d

otycz 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

prze czniki i organy regulacyjne.

Przyk adowy opis dla kana u A

- 33 -

INPUT A - gniazdo wej cio

& we kana u A

NORM/INV - prze cznik polaryzacji sygna u mierzonego (odwraca faz

obserwowanego przebiegu o 180

)

DC, GND, AC - prze cznik o trzech po o eniach umo liwiaj cy wybór rodzaju

! %

(

sprz enia:

DC - sprz enie bezpo rednie (sta opr dowe) umo liwiaj c

! (

( e pomiar napi cia

sta ego oraz napi cia zmiennego zawieraj cego sk adow sta ; zakres

(

( !(

mierzonych cz stotliwo ci: 0 Hz

- 15 MHz

AC - sprz enie zmiennopr dowe, wej cie zawiera kondensator odcinaj cy

(

sk adow sta napi cia mierzonego; zakres mierzonych c

(

z stotliwo ci:

10 Hz - 15 MHz

GND - wej cie wzmacniacza do czone do masy, sygna mierzony podawany

jest na obci enie 1M

, 47 nF. Ta pozycja prze cznika pozwala na

ustawienie linii odniesienia na zerowej linii siatki ekranu bez

konieczno ci od czania os

cyloskopu od ród a sygna u mierzonego.

* !

VAR. CAL - rodkowe pokr t o (koloru czerwonego) s u y do regulacji

" !

! %

wspó czynnika wzmocnienia wzmacniacza odchylania pionowego.

Podczas pomiarów powinno znajdowa si w prawym skrajnym

# "

po o eniu.

! %

Prze cznik zewn t

" rzny s u y do skokowej regulacji wspó czynnika

! %

t umienia t umika wej ciowego a tym samym do wyboru

wspó czynnika odchylania pionowego i jest opisany w jednostkach:

V/cm , mV/cm

VERT MODE - zespó prze czników o nast puj cych funkcjach:

" (

CH A - kieruje do wzmacniacza sygna doprowadzony do wej cia

INPUT A

CH B - kieruje do wzmacniacza sygna doprowadzony do wej cia

INPUT B

ALT - w cza tryb przemienny pracy prze cznika elektronicznego

(prze czanie z cz stotliwo ci ok. 20 Hz)

& (

CHOP - w cza tryb siekany pr

acy prze cznika elektronicznego (prze czanie

z cz stotliwo ci 150 kHz)

& (

ADD - umo liwia ogl danie sumy (algebraicznej) sygna ów z kana ów A i B

(

POSITION np - pokr t o przesuwu obrazu w osi Y

" !

Zespó prze czników dotycz cych odchylania poziomego

(

MAGNIFIER - prze cznik zmiany wspó czynnika czasu lub zmiany

wspó czynnika odchylania poziomego.

pozycja X1 - wspó czynnik czasu od 0,1

s/cm do 0,5 s/cm

- 34 -

pozycja X5 - wspó czynnik 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 - wspó czynnik odchylania poziomego 0,5 V/cm

pozycja X5 - wspó czynnik odchylania poziomego 0,1 V/cm

VAR. CAL - prze cznik wspó czynnika czasu i pokr t o ( rodkowe koloru

" ! &

czerwonego) p ynnej regulacji wspó

!czynnika czasu

TRIG MODE - prze czniki sposobu wyzwalania podstawy czasu:

AUTO - generator podstawy czasu jest wyzwalany automatycznie z

cz stotliwo ci ok. 20 Hz, bez wzgl du na istnienie czy brak sygna u

& (

mierzonego. Zaleca si korzystanie z tego rodza

ju wyzwalania,

poniewa umo liwia on ogl danie linii odniesienia jeszcze przed

(

przy czeniem sygna u mierzonego.

NORM - generator podstawy czasu jest wyzwalany sygna em mierzonym, przy

braku tego sygna u na ekranie nie pojawia si linia odniesienia, co

sugerowa mo 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 - prze!(

(

+ ,

(

cznik wyboru zbocza (narastaj cego + lub opadaj cego -

# "

), które wyzwala b dzie generator podstawy czasu

LEVEL HOLDOFF - regulacja poziomu napi cia od którego wyzwalany

b dzie generator podstawy czasu ( tryb pracy aktywny tylko przy

w czonym prze c

!( zniku NORM)

LEVEL HOLDOFF - ( rodkowe pokr t o)

" ! - regulacja czasu powstrzymania

wyzwolenia generatora podstawy czasu. Wykorzystywane przy

ogl daniu z o onych sygna ów z uk adów elektronicznych.

(

! %

TRIG SOURCE - zespó prze czników s u cych do wyboru ród a

! %(

* ! sygna u

wyzwalania generatora podstawy czasu:

CH A - wyzwalanie generatora podstawy czasu sygna em mierzonym

doprowadzonym do gniazda INPUT A

CH B - wyzwalanie generatora podstawy czasu sygna em mierzonym

doprowadzonym do gniazda INPUT B

X - wyzwalanie generatora podstawy czasu sygna em mierzonym

doprowadzonym do gniazda X or TRIG INPUT

- 35 -

POSITION FINE l - pokr t o przesuwu zgrubnego i dok adnego ( rodkowy

" !

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

sygna u), pokr t o to powinno by u

" !

# stawione w prawym

skrajnym po o eniu.

! %

X or TRIG INPUT - gniazdo wej ciowe sygna u steruj cego p ytkami

(

odchylania poziomego, s u ce tak e do wyzwalania generatora

! %(

podstawy czasu sygna em zewn trznym. Gniazdo u ywane do

zdejmowania charakterystyk, np. pr d

( owo - napi ciowych.

ASTG - regulacja astygmatyzmu elektrycznego uk adu optycznego

oscyloskopu

INTENSITY - regulacja jasno ci obrazu

FOCUS - regulacja ostro ci obrazu

SCALE ILUM - regulacja o wietlenia siatki naniesionej na ekran

POWER ON/OFF - wy cznik n

api cia sieciowego

- 36 -

Wymagania BHP

Warunkiem przyst pienia do praktycznej realizacji wiczenia jest

(

zapoznanie si z instrukcj BHP i instrukcj przeciw po arow oraz

(

przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urz dzenia dost pne na

(

stanowisku laboratoryjnym mog posiada instrukcje stanowiskowe. Przed

(

rozpocz ciem pracy nale y zapozna si z instrukcjami stanowiskowymi

# "

wskazanymi przez prowadz cego.

(

W trakcie zaj laboratoryjnych nale y przestrzega nast puj cych zasad.

" (

Sprawdzi , czy urz dzenia d

(

ost pne na stanowisku laboratoryjnym s w

(

stanie kompletnym, nie wskazuj cym na fizyczne uszkodzenie.

(

Sprawdzi prawid owo po cze urz dze .

&# !( '

( '

Za czenie napi cia do uk adu pomiarowego mo e si odbywa po

wyra eniu zgody przez prowadz cego.

(

Przyrz dy pomi

(

arowe nale y ustawi w sposób zapewniaj cy sta

(

obserwacj , bez konieczno ci nachylania si nad innymi elementami

uk adu znajduj cymi si pod napi ciem.

(

Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek prze cze oraz wymiana

!( '

elementów sk adowych stanowiska pod

napi ciem.

Zmiana konfiguracji stanowiska i po cze w badanym uk adzie mo e si

!( '

% "

odbywa wy cznie w porozumieniu z prowadz cym zaj cia.

(

W przypadku zaniku napi cia zasilaj cego nale y niezw ocznie wy czy

(

!( #

wszystkie urz dzenia.

(

Stwierdzone wszelkie braki w wyposa eniu stanowiska oraz

nieprawid owo ci w funkcjonowaniu sprz tu nale y przekazywa

prowadz cemu zaj cia.

(

Zabrania si samodzielnego w czania, manipulowania i korzystania z

urz dze nie nale cych do danego wiczenia.

( '

W przypadku wyst pienia pora

(

enia pr dem elektrycznym nale y

niezw ocznie wy czy zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomoc

!( #

(

wy cznika bezpiecze stwa, dost pnego na ka dej tablicy rozdzielczej w

laboratorium. Przed od czeniem napi cia nie dotyka pora onego.