OSCYLOSKOPY ELEKTRONICZNE

Oscyloskopy elektroniczne są to elektroniczne przyrządy pomiarowe służące do wizualnej

obserwacji zależności funkcyjnej między dwiema wielkościami fizycznymi. Zobrazowana na ekranie,
najczęściej w prostokątnym układzie współrzędnych X – Y, zależność funkcyjna, umożliwia pomiary
parametrów obserwowanych wielkości. Oscyloskopy elektroniczne najczęściej wykorzystywane są do
wizualnej obserwacji (zobrazowania) sygnałów napięciowych w funkcji czasu (jest to podstawowe
zadanie oscyloskopów). Zasada powstawania oscylogramów.

Rys. 2.1. Podstawowe zespoły oscyloskopu

u

x

(t)

u

y

(t)

WE Y

Sygnał

synchronizacji

Kanał

Y

Kanał

rozciągu

X

LO

Kanał Y – kanał odchylania pionowego lub kanał sygnału badanego. Zadaniem tego bloku jest

przeniesienie sygnału badanego u

y

(t), przy jak najmniejszych zniekształceniach liniowych i nieliniowych,

na płytki Y lampy oscyloskopowej.

Kanał X – kanał rozciągu lub kanał podstawy czasu. Zadaniem tego bloku jest wytworzenie

(wygenerowanie) napięcia wprost proporcjonalnego do czasu u

x

(t) = k

⋅t i podanie go na płytki X lampy

oscyloskopowej.

L.O. – lampa oscyloskopowa - podstawowy blok oscyloskopu odwzorowujący sygnał napięciowy na

obraz świetlny.

Powstawanie oscylogramów

Pod wpływem napięcia u

Y

(t), podawanego na wejście Y oscyloskopu, „plamka świetlna” (świecący

element ekranu spowodowany uderzeniem strumienia elektronów w luminofor) odchyla się w kierunku
pionowym. Odchylenie to jest wprost proporcjonalne do napięcia podawanego na płytki Y. Jeżeli
odchylenia (ruch) „plamki świetlnej” są szybkie (np. kilkanaście razy na sekundę), to na ekranie
widoczny jest świecący odcinek o długości Y. Pod wpływem napięcia u

X

(t), podawanego na wejście X

oscyloskopu, „plamka świetlna” odchyla się w kierunku poziomym i kreśli odcinek o długości X.
Ponieważ napięcia u

Y

(t) i u

X

(t) działają jednocześnie, „plamka świetlna” kreśli na ekranie linię zwaną

oscylogramem. Rozważania te można zapisać analitycznie.

( )

Y

Y

Y

S

K

t

u

Y

⋅

⋅

=

( )

X

X

S

t

u

X

⋅

=

Gdzie: K

Y

– transmitancja kanału Y,

S

Y

, S

X

– czułość napięciowa lampy oscyloskopowej w kierunku Y i X.

Jest to równanie krzywej (oscylogramu) podane w postaci parametrycznej.
Przykład:

1)

t

U

S

K

Y

m

Y

Y

⋅

⋅

⋅

=

ω

sin

2)

t

k

S

X

X

⋅

⋅

=

z 2)

k

S

X

t

X

⋅

=

Po podstawieniu do 1) otrzymuje Y = f(X). Jest to równanie oscylogramu.

k

S

X

U

S

K

Y

X

m

Y

Y

⋅

⋅

⋅

⋅

⋅

=

ω

sin

Jeżeli k, K

Y

, S

Y

, S

X

= const wówczas Y = f(X) odtwarza kształt napięcia podawanego na wejście

oscyloskopu u

Y

(t). Na rys. 2.2 przedstawiono graficzny sposób powstawania oscylogramu.

Wnioski:

T

y

= T

x

1

0

2

5

3

4

6

7

8

0

1

2

3

4
5

6

7
8

2

0

4

3

1

8

7

6

5

U

x

U

y

t

t

Rys. 2.2 Konstrukcja graficzna oscylogramu

- jeżeli T

y

= T

x

to oscylogram jest krzywą zamkniętą;

- część okresu wykorzystana jest na powrót podstawy czasu do zera;
- na ekranie można obserwować tylko część okresu sygnału badanego;
- w celu obserwacji pełnego okresu musi być spełniony warunek:

T

x

= T

p.czasu

= n

⋅T

y

- gdzie: n – liczba naturalna

> 1;

- powrót plamki powinien być wygaszony;
- napięcia U

y

oraz U

x

powinny mieć taką wartość żeby oscylogram zajmował pełne pole pomiarowe

(wymaga to wzmocnienia lub stłumienia napięć U

y

oraz U

x

).

Klasyfikacja oscyloskopów elektronicznych

1

° W zależności od sposobu przetwarzania sygnału badanego:

- oscyloskopy analogowe;
- oscyloskopy cyfrowe.

2

° W zależności od zasady pracy:

- oscyloskopy uniwersalne;
- oscyloskopy pamiętające (z lampą pamiętająca lub z pamięcią cyfrową);
- oscyloskopy szybkie: z lampą oscyloskopową o systemie odchylania typu fali bieżącej oraz

oscyloskopy próbkujące (stroboskopowe);

- oscyloskopy specjalne (np. medyczne, telewizyjne itd.).

3

° Według częstotliwości:

- oscyloskopy m.cz. (pasmo do ~ 10MHz);
- oscyloskopy w.cz. (pasmo do ~ 100 MHz);
- oscyloskopy b.w.cz. (pasmo do ~ 40GHz).

4

° Według liczby kanałów:

2

- oscyloskopy jednokanałowe, oscyloskopy dwukanałowe i oscyloskopy wielokanałowe.

2.2. Oscyloskopy analogowe
2.2.1. Budowa i działanie oscyloskopów elektronicznych

Uproszczony

schemat

funkcjonalny

jednokanałowego

oscyloskopu

elektronicznego

przedstawiony jest na rys. 2.3.

3

LO

U

kł

ad

sy

nc

hr

on

iz

ac

ji

i wyzwalania

U

kł

ad

y

w

ej

śc

io

w

e

Y

W

zm

ac

ni

ac

z

wstępny

L

in

ia

opóźniająca

W

zm

ac

ni

ac

z

ko

ńc

ow

y

Y

Generator

podstawy czasu

Układy

w

ej

śc

io

w

e

X

Wzmacniacz

ko

ńc

ow

y

X

U

kł

ad

y

w

ej

śc

io

w

e

kanału Z

Kalibrator

napięcia

WE Y

WE

synchronizacji

Z generatora podstawy

czasu

Kalibrator

czasu

WE X

P2

P1

P4

P3

Wew

Wew

Zew

Zew

2

1

Wyzw.

Aut.

D

o

WE Y

Do kanału Z

WE Z

Wygaszanie

1

2

3

4

5

Rys. 2.3. Schemat blokowy oscyloskopu analogowego

Ze względu na czytelność rysunku na schemacie nie pokazano zasilaczy, połączenia bloków

wykonano jednoprzewodowo a sterowanie płytek odchylających lampy oscyloskopowej przedstawiono
jako niesymetryczne. Oscyloskop może pracować:

1. z rozciągiem wewnętrznym (z liniową podstawa czasu);

W zależności od rodzaju pracy generatora podstawy czasu oscyloskop z rozciągiem liniowym
(linearnym) może pracować:

a) w trybie automatycznym;
b) w trybie wyzwalanym (synchroskopy).

2. z rozciągiem zewnętrznym.

1

° Praca automatyczna oscyloskopu:

Przy braku napięcia badanego u

Y

= 0, generator podstawy czasu generuje napięcie linearne o

częstotliwości zależnej od zadanych parametrów napięcia podstawy czasu. Na ekranie pojawia się linia
pozioma (rys. 2.4).

Jeżeli na wejście Y podane jest napięcie badane u

Y

= f(t), to po wzmocnieniu lub stłumieniu

sygnału w układach wejściowych i wzmacniaczu wstępnym, sygnał przez linię opóźniająca lub
bezpośrednio podawany jest na wzmacniacz końcowy Y i na płytki odchylania pionowego lampy
oscyloskopowej. Część sygnału podawana jest na układ synchronizacji. W układzie tym wytwarzane jest
napięcie synchronizujące generator podstawy czasu. Napięcie podstawy czasu przez wzmacniacz
końcowy X podawane jest na płytki odchylania poziomego lampy oscyloskopowej.

W wyniku działań tych dwóch napięć na ekranie otrzymujemy oscylogram badanego sygnału. Wykresy
czasowe w wybranych punktach schematu blokowego i oscylogram napięcia wejściowego przedstawiono
na rys. 2.4 b) i 2.4 c).

U

1

U

2

,

U

3

U

4

U

5

t

t

t

t

b)

c)

U

a)

5

u

we

(t) = 0

Rys. 2.4. Praca przy samobieżnej (automatycznej) podstawie czasu:

a) u

we

(t) = 0,

b) u

we

= f(t),

c) oscylogramy

u

we

(t) = f(t)

t

Ten rodzaj pracy oscyloskopu stosuje się do wstępnego ustalenia parametrów oscylogramu (jasność,
ostrość, ustawienie osi czasu) i przy pomiarach napięć stałych. Może być również stosowany przy
badaniu sygnałów okresowych o małej przerywistości np. napięć sinusoidalnych, fali prostokątnej itd.

4

2

° Praca wyzwalana oscyloskopu:

Przy braku napięcia badanego u

Y

= 0, generator podstawy czasu znajduje się w stanie oczekiwania,

nie generuje napięcia. Ekran jest ciemny.

Jeżeli u

Y

≠ 0, to część sygnału podawana na układ wyzwalania powoduje wygenerowanie impulsów

wyzwalających generator podstawy czasu.

Rys. 2.5 a) i b) przedstawia wykresy czasowe w wybranych punktach układu i oscylogramy

badanego napięcia przy włączonej i wyłączonej linii opóźniającej.

b)

Bez linii

opóźniającej

Z włączoną linią

opóźniającą

Oscylogramy

a)

U

1

U

2

U

3

U

4

U

5

t

t

t

t

t

Rys. 2.5. Praca oscyloskopu przy:

a) wyzwalanej (normalnej) podstawie czasu;

b) oscylogramy badanego sygnału

Praca wyzwalana oscyloskopu umożliwia łatwiejsze otrzymywanie nieruchomego (stabilnego)

oscylogramu. Stosowana jest przy obserwacji sygnałów powtarzalnych (okresowych lub nieokresowych)
oraz sygnałów jednokrotnych.

Ad. b) Rozciąg zewnętrzny jest najczęściej rozciągiem nieliniowym.
Z rozciągów nieliniowych stosuje się:

1

° rozciąg sinusoidalny: pomiary częstotliwości;

2

° rozciąg kołowy: pomiary częstotliwości i czasu;

3

° rozciąg spiralny: pomiary czasu.

5

2.2.2. Budowa i wymagania stawiane podzespołom oscyloskopów
1) Lampa oscyloskopowa – LO - (elektronopromieniowa).

Jest ona podstawowym podzespołem oscyloskopu elektronicznego. Na rys. 2.6 przedstawiono

budowę dwuanodowej lampy oscyloskopowej.

Bańka
szklana

System odchylania

Y X

CW

K

A1 A2

Ekran pokryty

m

luminofore

Działo elektronowe

Warstwa
grafitowa

Plamka

świetlna

Elektrony emisji

wtórnej

Rys. 2.6. Budowa lampy oscyloskopowej (elektronopromieniowej)

Wąski strumień

elektronów

Ż

- Ż – żarzenie katody;
- K – pośrednio żarzona punktowa katoda;
- CW – cylinder Wehnelta (siatka sterująca);
- A1, A2 – anody;
- Y, X – płytki odchylania pionowego i poziomego.

Wyemitowane z katody elektrony są formowane i przyspieszane w układzie elektrod zwanym

działem elektronowym. Między elektrodami powstają soczewki elektrostatyczne. Potencjały elektrod są
tak dobrane, aby strumień elektronów został skupiony na ekranie. System odchylania (w oscyloskopach
stosuje się głównie odchylanie elektrostatyczne) steruje odchylaniem poziomym i pionowym strumienia
elektronów. Po odpowiednim uformowaniu, przyspieszeniu i odchyleniu, wiązka elektronów uderza w
ekran pokryty luminoforem. Energia elektronów zostaje przetworzona na energię świetlną, energię
cieplna oraz na emisję wtórną elektronów. Elektrony emisji wtórnej są przechwytywane przez warstwę
grafitową.
Uproszczony (potencjometryczny) sposób zasilania lampy oscyloskopowej oraz przykładowe wartości
napięć pokazano na rys. 2.7.

Jasność

Ostrość

0V

− 400V

−1500V

−1550V

U

Ż

Rys. 2.7. Zasilanie elektrod lampy oscyloskopowej

Jednym z podstawowych parametrów lampy oscyloskopowej jest czułość napięciowa statyczna (rys. 2.8).

2

2

A

Y

U

U

d

l

L

U

Y

S

⋅

⋅

⋅

=

=

6

Przy obserwacji sygnałów b.w.cz. należy czułość statyczną zastąpić czułością dynamiczną lampy

oscyloskopowej.

Y

U

U

Y

S

=

Rys. 2.8. Wyznaczanie czułości lampy oscyloskopowej

U

Y

d

Y

E

l

L

2

2

sin

p

p

U

d

t

t

S

S

⋅

⋅

⋅

=

ω

ω

Gdzie:

ω – pulsacja napięcia u

Y

(t),

t

p

– czas przelotu elektronów w przestrzeni między płytkami odchylającymi (w polu elektrycznym

odchylającym).

Czułość dynamiczna oraz pojemność płytek i indukcyjność doprowadzeń określają pasmo częstotliwości
lampy oscyloskopowej.

2) Kanał odchylania pionowego (kanał Y).

Zadaniem kanału Y jest wysterowanie płytek odchylania pionowego lampy napięciem badanym podanym
na wejście Y oscyloskopu. Kanał Y składa się z układów wejściowych, wzmacniaczy i linii opóźniającej.
a) Wzmacniacze
Zadaniem wzmacniaczy jest zapewnienie maksymalnej czułości oscyloskopu przy odpowiedniej
wysokości oscylogramu. Wymagania:

- odpowiednie wzmocnienie:

U

OMAX

MAX

S

S

K

=

;

gdzie: K

MAX

– maksymalne wzmocnienie kanału Y;

S

O MAX

– maksymalna czułość oscyloskopu;

S

U

– czułość statyczna lampy oscyloskopowej;

- stałość wzmocnienia w czasie;
- odpowiednie pasmo przenoszenia (nie większe niż pasmo przenoszenia LO);
- jak najmniejsze zniekształcenia nieliniowe (w zakresie amplitud mieszczących się w polu pomiarowym

ekranu).

Wzmacniacze toru Y dzielone są na wzmacniacze wstępne i końcowe.
Zadania wzmacniacza wstępnego:

- zapewnienie wzmocnienia przy założonej charakterystyce częstotliwościowej,
- regulacja płynna wzmocnienia oraz korekcja wzmocnienia,
- przetworzenie napięcia niesymetrycznego na symetryczne i związana z tym korekcja stałoprądowa,

Zadaniem wzmacniacza końcowego jest dopasowanie toru Y do systemu odchylania pionowego lampy
oscyloskopowej (płytek Y).

b) Układy wejściowe - zadania:

- Zapewnienie odpowiedniego sprzężenia: stałoprądowego lub zmiennoprądowego. Jest to realizowane

przez szeregowe włączenie lub zwarcie kondensatora sprzęgającego C

s

(rys. 2.9.a);

- Odpowiednia impedancja wejściowa (patrz parametry użytkowe oscyloskopu).
- Możliwość regulacji współczynnika odchylania D

Y

;

- Zabezpieczenie wzmacniaczy przed przesterowaniem. W tym celu stosuje się dzielniki napięcia skompensowane

częstotliwościowo, które zapewniają szerokie pasmo przenoszenia i dużą stabilność współczynnika podziału K

DN

.

7

8

Na rys. 2.9.b) pokazano uproszczony schemat takiego dzielnika.

R

2

R

1

C

1

C

2

b)

Rys. 2.9. Układy wejściowe oscyloskopu:

a) układ sprzęgający;

b) dzielnik napięcia skompensowany częstotliwościowo.

C

s

R

we

2

1

a)

1 – wejście stałoprądowe,
2 – wejście zmiennoprądowe.

2

1

1

2

2

1

2

2

1

2

1

1

R

C

R

j

C

R

j

R

R

Z

Z

Z

K

DN

+

+

+

⋅

=

+

=

ω

ω

− współczynnik podziału (transmitancja) dzielnika napięcia.

Przy założeniu: R

1

C

1

= R

2

C

2

otrzymuje się:

1

° dla m.cz.: (X

C

>> R);

ωRC << 1

2

1

2

R

R

R

K

DN

+

=

;

2

° dla w.cz.: (X

C

<< R);

ωRC >> 1,

2

1

1

C

C

C

K

DN

+

=

.

Aby dopasować wejścia wzmacniaczy do wejść oscyloskopu są wtórniki napięciowe.

c) Linia opóźniająca – jej zadaniem jest pokrycie czasu opóźnienia startu podstawy czasu oraz

opóźnienie sygnału impulsowego w celu obserwacji przedniego zbocza.

3) Kanał odchylania poziomego (tzw. kanał X, rozciągu lub kanał podstawy czasu).

Jego zadaniem jest wysterowanie płytek odchylania poziomego lampy oscyloskopowej napięciem

odchylającym strumień elektronów w kierunku poziomym. Kanał odchylania poziomego składa się z
generatora podstawy czasu, układu synchronizacji i wyzwalania, wzmacniacza końcowego X oraz
układów wejściowych rozciągu zewnętrznego i synchronizacji zewnętrznej.
a) Generator podstawy czasu

Jest on wewnętrznym źródłem napięcia wprost proporcjonalnego do czasu: u

X

(t) = a

⋅ t.

Najlepiej spełnia ten warunek napięcie piłokształtne (tzw. napięcie linearne lub liniowe). Kształt i

podstawowe parametry napięcia liniowego (napięcia podstawy czasu) przedstawiono na rys. 2.10.

u

p.cz.

U

m

u

R p.cz.

(t) = a

⋅ t

Czas

roboczy

α

t

t

pow.

t

m

t

R

Czas

martwy

T

p.cz.

= t

R

+ t

pow.

+ t

m

Czas

powrotu

Rys. 2.10. Parametry napięcia podstawy czasu

Podstawowe parametry napięcia podstawy czasu:

- t

R

- czas roboczy podstawy czasu;

- t

pow.

– czas powrotu ( t

pow.

<< t

R

);

- t

m

- czas martwy (czas podtrzymania) – czas na zakończenie stanów nieustalonych w generatorze,

- T

p. czasu

- okres napięcia podstawy czasu,

- U

m

- amplituda napięcia podstawy czasu,

- tg

α - charakteryzuje prędkość narastania napięcia podstawy czasu w [cm/s].

Praktycznym parametrem charakteryzującym prędkość podstawy czasu jest współczynnik czasu:

D

t

= 1 / tg

α [s / cm].

Jego regulację przeprowadza się metodami pokazanymi na rys. 2.11.

a)

U

m

α

1

α

2

t

R1

t

R2

u

p.cz.

α

1

α

2

U

m1

u

p.cz.

t

t

R

U

m2

U

m1

< U

m2

α

1

< α

2

v

1

< v

2

D

t1

> D

t2

b)

t

Rys. 2.11. Sposoby regulacji współczynnika czasu D

t

:

a) U

m

= const., t

R

= var.,

b) t

R

= const., U

m

= var.

t

R1

< t

R2

,

α

1

> α

2

v

1

> v

2

, D

t1

< D

t2

Nieliniowość podstawy czasu powoduje, że wykres napięcia roboczego w funkcji czasu nie jest linią
prostą (napięcie robocze nie jest liniową funkcją czasu). Wynikiem tego są zniekształcenia oscylogramu
sygnału badanego.
Miarą nieliniowości, najczęściej stosowaną, jest błąd szybkości

δ

sz

rys. 2.12.

0

0

1

2

1

1

2

1

tg

tg

tg

=

=

=

−

=

−

=

−

=

=

t

t

t

t

n

sz

dt

du

dt

du

dt

du

v

v

v

R

α

α

α

δ

δ

%

100

%

100

tg

tg

tg

1

2

1

1

2

1

⋅

−

=

⋅

−

=

v

v

v

n

α

α

α

δ

α

1

α

2

u

t

Rys. 2.12. Określenie nieliniowości podstawy czasu

9

Budowa generatorów podstawy czasu:

Generatory napięć linearnych są generatorami relaksacyjnymi. Działają na zasadzie ładowania i

rozładowania kondensatora (patrz: generatory funkcji). Linearyzację napięcia (części roboczej) wykonuje
się stosując integrator Millera lub układ bootstrap. Na rys. 2.13 podano uproszczony schemat
funkcjonalny generatora podstawy czasu.

Multiwibrator

lub astabilny

mono-

Integrator

Wyzwalanie

i

synchronizacja

WY

Rys. 2.13. Przykład budowy generatora podstawy czasu

Zależnie od rodzaju pracy generatora, multiwibrator pracuje jako:

- astabilny (praca automatyczna);

- monostabilny (praca wyzwalana generatora podstawy czasu).

a) Układy synchronizacji i wyzwalania

Ich zadaniem jest otrzymanie stabilnego (nieruchomego) oscylogramu.

Aby móc obserwować oscylogram na ekranie lampy oscyloskopowej to, ze względu na krótki czas

poświaty luminoforu, musi on być rysowany wielokrotnie (kilkanaście razy na sekundę).

Warunkiem nieruchomego (stabilnego) oscylogramu jest to, aby każdy cykl rysowania zaczynał się i

kończył w tym samym miejscu na ekranie. W każdym cyklu podstawy czasu rysowana jest figura
zamknięta i każdy następny cykl powtarza tę figurę. Warunek powyższy można zapisać:

n

T

T

Y

czasu

p

=

.

gdzie: n = 1, 2, 3 .... liczba naturalna

Jest to warunek stabilnego oscylogramu lub warunek synchronizacji generatora podstawy czasu. W

zależności od rodzaju pracy generatora podstawy czasu rozróżnia się synchronizację lub wyzwalanie.

1

° Praca automatyczna

Generator podstawy czasu pracuje samowzbudnie. Aby otrzymać nieruchomy oscylogram nie

wystarczy ustawić częstotliwości generatora podstawy czasu tak, żeby był spełniony ww. warunek.

Ze względu na niestabilności częstotliwości sygnałów u

Y

(t) oraz u

p.czasu

(t):

n

T

T

Y

czasu

p

≠

.

.

Spełnienie warunku synchronizacji wymaga oddziaływania jednym z przebiegów na drugi.

Najczęściej napięciem badanym jest synchronizowany generator podstawy czasu. W generatorach

relaksacyjnych można regulować częstotliwość przez zmianę napięcia porównującego, nie zmieniając
przy tym szybkości podstawy czasu. Podczas synchronizacji zmienia się częstotliwość generatora
podstawy czasu z naturalnej na wymuszoną (równą częstotliwości sygnału badanego lub jego
podwielokrotności:

f

p.czasu

= f

Y

/ n

rys. 2.14.

Napięcie synchronizujące jest odpowiednio przetworzone w układzie synchronizacji i wyzwalania tak,
żeby jego kształt był jak najbardziej odpowiedni do wysterowania generatora podstawy czasu.

10

2

° Praca wyzwalana

Okres generatora

podstawy czasu

naturalny

Okres generatora

podstawy czasu

wymuszony

u

p.cz.

t

Napięcie porównujące

u

we

u

syn

t

t

Rys. 2.14. Synchronizacja generatora podstawy czasu.

T

Y

= T

syn.

Synchronizacja między napięciem badanym u

Y

(t) a napięciem podstawy czasu u

p.cz

(t), wynika z zasady

działania generatora rozciągu linearnego - rys.2.15. Generator nie pracuje dopóki na wejście Y
oscyloskopu nie zostanie podany sygnał badany.
W tym przypadku układy wyzwalające muszą zapewniać to, że ruch plamki będzie zaczynał się zawsze w
tym samym miejscu ekranu. Rozróżnia się nstp. rodzaje pracy:

- wyzwalanie bez dzielenia częstotliwości,
- wyzwalanie z dzieleniem częstotliwości,
- wyzwalanie sygnałami nieperiodycznymi,
- wyzwalanie jednokrotne (stosowane jest przy rejestracji sygnałów np. w oscyloskopach z pamięcią

lub przy fotografowaniu).

W każdym z tych przypadków warunek stabilnego oscylogramu jest spełniony.

11

Poziom wyzwalania

u

we

u

wyzw.

u

p.cz.

t

t

t

Rys. 2.15. Praca wyzwalana generatora podstawy czasu

T

Y

= T

wyzw.

T

p.czasu

= T

wyzw

W zależności od źródła sygnału rozróżnia się wyzwalanie lub synchronizację:
- wewnętrzną: układem wyzwalania i synchronizacji steruje napięcie wejściowe oscyloskopu u

Y

;

- zewnętrzną: układem wyzwalania i synchronizacji steruje napięcie zewnętrzne, podawane na wejście

zewnętrzne synchronizacji;

- napięciem o częstotliwości sieci energetycznej (sieć);
- sygnałami telewizyjnymi;
- wyzwalanie jednokrotne (single).
Sposoby wyzwalania i synchronizacji (rys. 2.16) umożliwia płynną regulację poziomu wyzwalania oraz
wybór zbocza wyzwalającego (narastającego lub opadającego).

Rys. 2.16. Sposoby wyzwalania i synchronizacji

Regulowany poziom wyzwalania

Wyzwalanie zboczem

narastającym

Wyzwalanie zboczem

opadającym

t

t

u

wyzw.

u

c) Wzmacniacz końcowy X - zadania:
- dopasowanie napięcia generatora podstawy czasu lub napięcia rozciągu zewnętrznego do systemu

odchylania poziomego lampy oscyloskopowej (płytek X),

- przetworzenie napięcia niesymetrycznego na symetryczne,
- umożliwienie przesuwu oscylogramu w kierunku X oraz płynnej regulacji wzmocnienia (czasami),
- ekspansjia rozciągu (regulacja D

t

poprzez zmianę wzmocnienia).

Wymagania: - odpowiednie pasmo przenoszenia zależne od współczynnika czasu,

- jak najmniejsze zniekształcenia nieliniowe,
- stałość wzmocnienia.

d) Układy wejściowe kanału X i synchronizacji zewnętrznej – ich zadaniem jest zapewnienie

odpowiedniej impedancji wejściowej w celu nieobciążania zewnętrznych źródeł.

12

4) Kalibratory napięcia i czasu (pomiary parametrów napięciowych i czasowych)

Są to źródła wzorcowych sygnałów elektrycznych, służące do wzorcowania

oscylogramu w odpowiadających mu jednostkach napięcia i czasu.
Pomiary parametrów napięciowych i czasowych obserwowanych sygnałów (rys. 2.17)

U[V] = A[cm]

⋅ D

Y

[V/cm],

t[s] = B[cm]

⋅D

t

[s/cm]

B

A

Rys. 2.17. Pomiar napięcia i czasu

a) Pomiary napięcia:

U[V] = A[cm]

⋅ D

Y

[V/cm],

Analiza dokładności pomiaru napięcia:

(

)

Y

D

A

U

δ

δ

δ

+

±

=

A

A

A

∆

=

δ

- względny błąd pomiaru wysokości oscylogramu;

Y

D

δ

- względny błąd określenia współczynnika odchylania. Błąd ten zależy od stałości

modułu transmitancji toru Y oscyloskopu.

Duże wzmocnienie wzmacniaczy Y powoduje, że D

Y

jest niestabilne w czasie. Wobec

tego kanał Y oscyloskopu należy skalować przed każdą serią pomiarów.
Przykład kalibratora napięcia oscyloskopu i sposób kalibracji przedstawia rys. 2.18.

U

pp

b)

WY

Kalibrator

napięcia

U

pp

n

[ ]

[ ]









=

cm

V

D

V

U

cm

n

Y

pp

a

kalibrator

Rys. 2.18. Kalibrator napięcia w oscyloskopie:

a) symbol;

b) kalibracja napięcia

a)

Kalibratory napięcia w oscyloskopie, oprócz powyższego zadania, wykorzystywane są do sprawdzania
(kompensacji) sond pomiarowych.

13

b) Pomiary czasu:

Pomiary parametrów czasowych obserwowanych sygnałów przeprowadza się w

podobny sposób jak pomiary parametrów napięciowych (rys. 2.17). Jest to tzw. metoda
kalibrowanej podstawy czasu.

t[s] = B[cm]

⋅ D

t

[s/cm],

Analiza dokładności pomiaru czasu:

(

)

t

D

B

t

δ

δ

δ

+

±

=

B

B

B

∆

=

δ

- względny błąd pomiaru szerokości oscylogramu,

t

D

δ

- względny błąd określenia współczynnika czasu.

Błąd ten zależy od dokładności wyskalowania regulatora D

t

.

Współczesne oscyloskopy nie są wyposażane w wewnętrzne kalibratory czasu,

ponieważ generatory podstawy czasu charakteryzują się dużą stabilnością napięcia i
małym błędem nieliniowości:

(

δ

sz

< 1%).

Kalibracja czasu (osi X) za pomocą zewnętrznego wzorca czasu.

[ ]

[ ]

cm

s

n

T

D

kal

t

⋅

=

.

[ ]

[ ]

cm

s

n

T

m

D

zn

t

⋅

⋅

=

T

kal.

T

zn

P - 2

Kalibrator czasu

)

(generator pomiarowy

Oscyloskop

We Y

We Z

Wyzw.
zewn.

P

1

2

P - 1

Rys. 2.19. Przykłady kalibracji osi czasu

Przykład cyfrowego urządzenia do pomiaru parametrów czasowych sygnału

badanego pokazano na rys. 2.20.

Oscyloskopy elektroniczne umożliwiają pomiary parametrów napięciowych i

czasowych również innymi metodami np. metodą porównawczą i kompensacyjną.
Nowoczesne oscyloskopy analogowe umożliwiają pomiary za pomocą kursorów (tak jak
oscyloskopy cyfrowe).

14

5) Kanał Z:

Kanał Z lub tzw. kanał modulacji jasności pozwala na sterowanie jasnością „plamki

świetlnej”.

Powoduje to rozjaśnienie lub wygaszenie odpowiednich części oscylogramu.

Zbudowany jest on z układów wejściowych, wzmacniacza i inwertera.

a)

Cyfrowy

czasu

pomiar

Generator

rozjaśniających

impulsów

U2

U1

K2

K1

Do CW

U

p. czasu

Rys. 2.20. Cyfrowy kalibrator czasu w oscyloskopie:

a) schemat blokowy; b) wykresy czasowe

Znaczniki
podświetlające

b)

∆t

x

∆t

x

= t

2

– t

1

U1

U2

u

p. czasu

t

t

t

u

u

komp.

Oscylogra

m

t

1

t

2

2.2.3. Podstawowe parametry użytkowe oscyloskopów
1.Lampa oscyloskopowa:

- pole pomiarowe ekranu: 6

× 10 cm oraz 8 × 10 cm;

- czas poświaty (świecenie po zaprzestaniu działania pobudzenia): w oscyloskopach uniwersalnych

stosuje się czasy poświaty krótkie lub średnie t

poświaty

< 2ms,

- barwa świecenia: różne barwy, można stosować barwne filtry.

2.Kanał Y oscyloskopu (kanał odchylania pionowego):
- Pasmo przenoszenia: jest to zakres częstotliwości, przy której charakterystyka

częstotliwościowa toru Y nie zmienia się więcej niż o 3 dB (rys. 2.21).

3dB

f

d

f

g

∆f = f

g

- f

d

K

Y



f

Rys. 2.21. Pasmo częstotliwości oscyloskopu

15

- Czas narastania oscyloskopu: parametr ten charakteryzuje zdolność oscyloskopu (kanału Y) do

przenoszenia szybkich sygnałów bez zniekształceń (rys. 2.22). Czas narastania t

N

oscyloskopu ściśle

związany jest z jego pasmem przenoszenia

∆f.

[ ]

[

]

MHz

f

s

t

N

∆

=

350

,

0

µ

t

N

t

t

U

wyj.

U

wej.

Rys. 2.22. Określenie czasu narastania oscyloskopu

Sygnał wejściowy

Oscylogram na
ekranie

10%

90%

- Współczynnik odchylania:

[ ]

[ ]

cm

V

U

A

U

S

D

Ypp

Ypp

Y

Y

1

1

=

=

=

;

gdzie: S

Y

– czułość oscyloskopu;

U

Ypp

– wejściowe napięcie międzyszczytowe;

A – wysokość oscylogramu;

- zakres D

Y

: ~ 10V/cm

÷ < 1mV/cm;

- dokładność skalowania D

Y

: ~5%;

- impedancja wejściowa: R

we

= 1M

Ω; C

we

= 15

÷ 80 pF; liczba kanałów: 1 ÷ 4.

3.Kanał X (kanał rozciągu):
- rodzaje rozciągu: liniowy (wewnętrzny), zewnętrzny.

- Współczynnik czasu:

[ ]

[ ]

[ ]

[ ]

cm

s

t

cm

B

s

t

D

t

1

=

=

gdzie: t – czas; B – szerokość oscylogramu [cm lub dz];
- zakres D

t

: 100 ns/cm

÷ 1 s/cm (zależy od pasma przenoszenia);

- dokładność skalowania D

X

: od 1%

÷ ~5%.

- Rodzaje pracy generatora podstawy czasu: praca samobieżna (automatyczna), wyzwalana (normalna),

jednokrotna.

- Błąd nieliniowości podstawy czasu –

< 1%.

- Parametry wejścia zewnętrznego X: Z

we

, współczynnik odchylania kanału X itd.

4. Kanał synchronizacji i wyzwalania:
- Rodzaje stabilizacji oscylogramu: synchronizacja i wyzwalanie.
- Źródła sygnału synchronizacji i wyzwalania: wewnętrzne (napięciem badanym), zewnętrzne, napięciem

sieci.

- Sposoby synchronizacji i wyzwalania: zboczem narastającym lub opadającym, możliwość regulacji

poziomu wyzwalania.

- Parametry wejściowe kanału wyzwalania zewnętrznego: Z

we

, minimalne napięcie wejściowe.

5. Tor Z (tor modulacji jasności):
- poziom i polaryzacja napięcia potrzebne do wygaszenia „plamki” oraz impedancja wejściowa Z

we

.

2.3. Oscyloskop dwukanałowy z przełącznikiem elektronicznym

Do obserwacji kilku przebiegów jednoczesnych służą oscyloskopy wielokanałowe. Najczęściej budowane
są oscyloskopy dwukanałowe z przełącznikiem elektronicznym - rys. 2.23. Sposoby pracy oscyloskopu:

a) jednokanałowa z włączonym kanałem A lub B,
b) różnicowa lub sumacyjna (A

± B),

c) dwukanałowa (A i B).

Przy pracy dwukanałowej rozróżnia się dwa rodzaje pracy oscyloskopu, zależnie od sposobu sterowania
przełącznika elektronicznego.

16

Sterowanie

przełącznikiem

elektronicznym

PE

Kanał

Y2

Kanał

Y1

Generator

czasu

podstawy

Y1

Y2

P1

CHOP

Y1

LO

1

2

u

Y

u1

u2

u

p.cz.

U

PE

ALT

Y2

P2

Rys. 2.23. Uproszczony schemat blokowy oscyloskopu dwukanałowego z

przełącznikiem elektronicznym

1

° Praca przemienna (ALT – alternating) - przełącznik elektroniczny sterowany jest z generatora

podstawy czasu: P w pozycji ALT (rys. 2.24).

Napięcie sterujące pracą przełącznika elektronicznego u

PE

ma dwa razy mniejszą częstotliwość niż

napięcie generatora podstawy czasu. W każdym cyklu podstawy czasu rysowany jest tylko jeden
przebieg. Po przejściu wielu cykli podstawy czasu na ekranie widoczne są oscylogramy obydwu
badanych przebiegów u

1

i u

2

(rys 2.24 b). Napięcia u

1

lub u

2

, pojawiają się na ekranie z częstotliwością

f

p.czasu

/2. Przy obserwacji sygnałów m.cz. występuje migotanie oscylogramu. Z tego względu ten rodzaj

pracy stosowany jest przy obserwacji sygnałów o większych częstotliwościach.

a)

u

1

t

u

2

t

u

p.cz.

t

u

PE

t

t

powr.

u

Y

t

b)

Rys. 2.24. Praca przemienna (ALT) przełącznika elektronicznego

a) przebiegi czasowe;

b) oscylogram

17

2

° Praca „siekana”, przerywana lub kluczowana (CHOP – chopped)

Przełącznik elektroniczny sterowany jest z generatora sterującego o częstotliwości stałej, niezależnej

od częstotliwości generatora podstawy czasu: P w pozycji CHOP (rys. 2.25). Stosowane są częstotliwości
przełączania od 10 kHz do 2 MHz.
Jeżeli T

p. czasu

>> T

PE

to w jednym cyklu podstawy czasu rysowane są fragmenty obydwu przebiegów

u

1

i u

2

.

Ze względu na asynchroniczną pracę generatora sterującego przełącznikiem elektronicznym i
generatora podstawy czasu, w każdym następnym cyklu podstawy czasu będą rysowane inne fragmenty
badanych przebiegów.
Po przejściu wielu cykli na ekranie widoczny jest ciągły oscylogram badanych napięć (rys. 2.25.b).
Przy obserwacji sygnałów w.cz. ( T

PE

≤ T

p. czasu

) istnieje niebezpieczeństwo zsynchronizowania się

generatorów podstawy czasu i generatora sterującego przełącznikiem elektronicznym. Może to
spowodować częściową lub całkowitą utratę informacji o badanym przebiegu. Z tego względu ten rodzaj
pracy stosowany jest do badania sygnałów m.cz.
Innym zastosowaniem pracy „siekanej” jest fotografowanie dwóch jednoczesnych sygnałów
impulsowych. Musi być przy tym spełniony warunek t

i

>> T

PE

.

Jeżeli ten warunek nie jest spełniony to do fotografowania dwóch jednoczesnych sygnałów impulsowych
należy wykorzystać oscyloskop dwukanałowy z lampą dwustrumieniową.
UWAGA: w czasie powrotu podstawy czasu (t

powr

), sygnały u

Y1

i u

Y2

są podawane na płytki Y lampy

oscyloskopowej, lecz są niewidoczne na ekranie z powodu wygaszania powrotu plamki.

Rys. 2.25. Praca „siekana” (CHOP) przełącznika elektronicznego:

a) przebiegi czasowe, b) oscylogram

a)

b)

t

t

u

2

u

1

u

p.cz.

u

PE

u

Y

t

t

t

t

powr.

Istotnym zagadnieniem jest zapewnienie stabilności oscylogramu. Z rys. 2.23 widać,

że generator podstawy czasu może być wyzwalany (synchronizowany) sygnałem
wewnętrznym otrzymanym z wejścia Y1 lub Y2.

18

Wyznaczenie warunku stabilnego oscylogramu:

1

°

1

1

.

n

T

T

Y

czasu

p

=

;

2

°

2

2

.

n

T

T

Y

czasu

p

=

→

1

2

2

1

n

n

T

T

Y

Y

=

− warunek ten oznacza, że sygnały u

1

i u

2

muszą być zsynchronizowane.

UWAGA:

Warunki 1

° i 2° muszą być spełnione jednocześnie.

Niektóre oscyloskopy mają możliwość wyzwalania podstawy czasu sygnałami Y1 i Y2 (sygnał

wyzwalający pobierany jest za przełącznikiem elektronicznym). Ten sposób pracy oscyloskopu może być
stosowany tylko przy pracy przemiennej (ALT).

2.6. Przykładowe pytania kontrolne:

1

° Oscyloskop elektroniczny: określenie oscyloskopu, podstawowe parametry użytkowe, klasyfikacja.

2

° Oscyloskop analogowy:

− budowa (schemat blokowy),

− działanie,

− zadania poszczególnych podzespołów.

3

° Lampa oscyloskopowa: (CRT): budowa, działanie, sposób zasilania elektrod, podstawowe parametry.

4

° Generator podstawy czasu: zadania, budowa, parametry.

5

° Synchronizacja i wyzwalanie generatora podstawy czasu.

6

° Kalibratory napięcia i czasu: zastosowanie, sposoby pomiaru napięcia i czasu oscyloskopem

analogowym.

7

° Oscyloskop cyfrowy: budowa, działanie, zadania poszczególnych bloków.

8

° Metody próbkowania stosowane w oscyloskopach cyfrowych.

9

° Podstawowe parametry charakterystyczne dla oscyloskopów cyfrowych.

10

° Metody pomiaru napięcia i czasu stosowane w oscyloskopach cyfrowych.

11

° Sondy pomiarowe oscyloskopów elektronicznych.

2.7. Literatura:

1) A. Chwaleba, M. Poniński, A. Siedlecki, „Metrologia elektryczna”, wyd. VIII, WNT, 2003 r.;
2) J. Dusza, G. Gortat, A. Leśniewski, „Podstawy miernictwa”, Ofic. Wyd. Politechniki Warszawskiej,

1998 r.;

3) A. Jellonek, Z. Karkowski, „Miernictwo radiotechniczne", WNT, 1972 r.;
4) G. J. Mirski, "Miernictwo elektroniczne", WkiŁ, 1973 r.;
5) B. M. Oliver, J. M. Cage, "Pomiary i przyrządy elektroniczne", WKiŁ, 1978 r.;
6) J. Parchański, „Miernictwo elektryczne i elektroniczne”, WSiP 1991 r.;
7) J. Rydzewski, „Pomiary oscyloskopowe”, WNT, 1994 r.;
8) M. Stabrowski, "Miernictwo elektryczne: cyfrowa technika pomiarowa", Ofic. Wyd. Politechniki

Warszawskiej, 1994 r.

19