Kacper Kruszec

GR 19 AiR 2008/2009

Maciej Kural

Krzysztof Kozubski

Dominik Leśniak

Michał Rybałtowski

Wydział Inżynierii Mechanicznej I Robotyki

Metrologia

Sprawozdanie

Temat:

„Zastosowanie oscyloskopu katodowego”

Oscyloskop został wynaleziony przez Thomasa Edisona. Stosuje się go najczęściej do badania przebiegów szybkozmiennych sygnałów elektrycznych oraz pomiaru ich parametrów, niemożliwych do bezpośredniej obserwacji przez człowieka. Pierwotnie oscyloskopy budowane były w oparciu o lampę oscyloskopową (oscyloskop analogowy). Obecnie dzięki rozwojowi elektroniki cyfrowej buduje się oscyloskopy cyfrowe. W oscyloskopie analogowym przebieg po wzmocnieniu steruje w płaszczyźnie pionowej plamką świetlną na ekranie oscyloskopu a w poziomie plamka jest sterowana albo z regulowanego generatora podstawy czasu (dzięki temu uzyskujemy obraz zmian napięcia sygnału w czasie), albo z sygnału odniesienia. Oscyloskop analogowy zazwyczaj nie posiadał możliwości zapamiętania przebiegu, więc w celu stałego wyświetlania go na ekranie oscyloskopu musiał być podawany cyklicznie, dlatego też w celu takich właśnie przebiegów najczęściej był

używany (przebiegi prądu zmiennego). Zmieniło się to wraz z wprowadzeniem oscyloskopów cyfrowych, które potrafią "zapamiętać" przebieg sygnału i odtworzyć go na ekranie nawet po jego zaniku. Dzięki zastosowaniu układów pamięciowych i przetworników analogowo-cyfrowych w oscyloskopach cyfrowych, lampa oscyloskopowa stała się zbędna i została wyeliminowana przez mniejsze i bardziej uniwersalne wyświetlacze ciekłokrystaliczne.

Rozróżnia się trzy rodzaje oscyloskopów:

• z odchylaniem ciągłym lub okresowym,

• uniwersalne z odchylaniem ciągłym i wyzwalanym,

• szybkie (bardzo dużej częstotliwości).

W zależności od technologii analizy sygnału wyróżnić można oscyloskopy:

• analogowe z lampą oscyloskopową na której obraz generowany jest w wyniku oddziaływania obserwowanych przebiegów na układ

odchylania wiązki elektronowej

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

Oscyloskopy mogą występować jako system wbudowany albo

oprogramowanie.

Z uwagi na sposób pomiaru dzieli się oscyloskopy analogowe na:

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

• oscyloskop dwustrumieniowy - lampa oscyloskopowa o dwóch

strumieniach elektronów, co pozwala na jednoczesne badanie dwóch sygnałów, posiadają jeden generator podstawy czasu

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

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

Ponad to każdy oscyloskop bez względu na rodzaj posiada:

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

• potencjometr płynnej regulacji czułości (rozciąganie przebiegu w pionie)

• potencjometr regulacji poziomu wyzwalania, pozwalający na

ustawienie punktu wyzwalania na zboczu obserwowanego

przebiegu.

Analiza przebiegów:

1.

Ustawienia oscyloskopu:

Okres podstawy czasu: 0,2 ms/dz

Czułość: 0.5V/dz

Aby wyznaczyć okres sygnału

należy policzyć ilość działek

przypadających na jeden okres

sygnału(5,5 dz) i pomnożyć ją przez

okres podstawy czasu (0,2 ms/dz),

czyli:

5

,

5 ⋅ ,

0 2 = 1.1ms

W celu wyznaczenia amplitudy

sygnału należy policzyć ilość działek

pomiędzy największym

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

,

1 ⋅ 5

,

0

= 9

,

0 5 V

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

1 ≈ 900 Hz

.

1 1

2.

Ustawienia oscyloskopu:

Okres podstawy czasu: 0,2 ms/dz

Czułość: 1V/dz

Okres, amplitudę i częstotliwość

sygnału wyznaczamy w analogiczny

do pierwszego przykładu sposób,

czyli:

Okres: 5 ⋅ ,

0 2 = 1ms

Amplituda: 3 ⋅1 = 3 V

Częstotliwość: 1kHz

3.

Ustawienia oscyloskopu:

Okres podstawy czasu: 0,2 ms/dz

Czułość: 0,5V/dz

W celu wyznaczenia parametrów

sygnału postępujemy w ten sam

sposób co w przykładzie drugim i

trzecim i otrzymujemy:

Okres: ,

4 4 ⋅ ,

0 2 = 8

,

0 8 ms

Amplituda: 3 ⋅ 5

,

0

= 5

,

1 V

1

Częstotliwość:

≈ 1

,

1 36 kHz

8

,

0 8

Ocyloskop można również wykorzystać do porównania częstotliwości i przesunięcia fazowego dwóch przebiegów napięć sinusoidalnie zmiennych. W

tym przypadku odłącza się generator liniowej podstawy czasu od płytek odchylania poziomego, podając w to miejsce napięcie sinusoidalne zmienne o znanej częstotliwości fx. Jeżeli do płytek odchylania pionowego doprowadzić również napięcie sinusoidalne, którego częstotliwość fy tworzy z częstotliwością sinusoidalnej podstawy czasu stosunek fx/fy = m/n, to na ekranie oscyloskopu otrzymuje się krzywe Lissajous, z których kształtu można wyznaczyć wartość m/n, a następnie nieznaną częstotliwość fy. W

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

Badanie kąta przesunięcia fazowego.

Aby z sinusoidalnych przebiegów dwóch sygnału można wyznaczyć kąt przesunięcia fazowego należy policzyć ilość działek odpowiadających okresowi sygnału (8dz) a następnie ilość działek odpowiadających przesunięciu fazowemu (3,2 dz). Wiedząc, iż okres funkcji sinus wynosi 3600

z proporcji obliczamy kąt przesunięcia fazowego.

360o → 8

x → 3,2

x = 144o

Kąt przesunięcia fazowego możemy również wyznaczyć z pomocą krzywych Lissajous. W tym celi zliczamy ilość działek odpowiadających yo(1,6) i ym(2,9) a następnie podstawiamy do wzoru określającego kąt fazowy:

yo

ϕ = −arcsin

ym

a następnie odjąć od 180o:

0

0

0

180 − 33 5

,

= 146 5

,

Jak już wiemy oscyloskopem możemy zbadać przebiegi wielkości

elektrycznych w czasie. za pomocą można zmierzyć na przykład napięcie,

częstotliwość, fazę oraz przy użyciu odpowiednich przetworników wielkości fizyczne dające się przetworzyć na wielkości

elektryczne. Przy pomocy odpowiednich układów pomiarowych można zbadać między innymi: rezystancję, pojemność, indukcyjność oraz pomiary bardzo małych mocy (w zakresie

częstotliwości pracy oscyloskopu). Dodatkowo oscyloskopy cyfrowe mogą posiadać moduły

oprogramowania realizujące analizę widmową sygnału.

Oscyloskopy cyfrowe

Szybki postęp technologiczny w dziedzinie wytwarzania układów cyfrowych o dużym

stopniu integracji, a zwłaszcza przetworników analogowo-cyfrowych i mikroprocesorów,

otworzył drogę do produkcji oscyloskopów cyfrowych.

Budowa oscyloskopu cyfrowego

Działanie oscyloskopu cyfrowego

Do wzmacniacza wejściowego zostaje doprowadzony sygnał pomiarowy.

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

sygnał należy pobrać wiele próbek, których liczba i czas odstępu pomiędzy nimi zależą od częstotliwości próbkowania. Tę liczbę próbek, na którą został

podzielony badany przebieg nazywamy rekordem. Obecnie stosuje się rekordy o długości od 512 do wielu tysięcy słów. Zapamiętanie wartości cyfrowych przebiegu w pamięci, umożliwia dokonanie wielu pomiarów i ciągłe wyświetlanie przebiegu na ekranie (funkcja zamrożenia obrazu). Występuje również możliwość zachowania (zapamiętania) przebiegu w pamięci oscyloskopu przez dowolnie długi okres czasu i ponowne odtworzenie tego przebiegu na ekranie w dowolnej chwili i dokonanie ponownych pomiarów lub porównanie go z innym przebiegiem.

Aby obejrzeć przebieg na ekranie oscyloskopu należy go odtworzyć z danych znajdujących się w jego pamięci. W tym celu dane te zostają przesłane do układu przetwornika cyfrowo-analogowego. Układ ten zamienia wartość cyfrową (liczby) sygnału w odpowiadające im wartości analogowe napięcia. Z

kolei ten odtworzony przebieg analogowy steruje wzmacniaczem odchylania pionowego Y lampy obrazowej. Zasadniczym podzespołem podstawy czasu jest bardzo dokładny generator z oscylatorem kwarcowym, dzięki czemu błąd podstawy czasu jest mniejszy od 0,01%. Impulsy z generatora są wzmacniane przez wzmacniacz podstawy czasu (wzmacniacz odchylania poziomego), który z kolei steruje układem odchylania poziomego lampy obrazowej. Obraz, jaki otrzymujemy na ekranie składa się z kropek, o położeniu których decyduje wzmacniacz Y w pionie i wzmacniacz X w poziomie. Zapisem do pamięci, przesyłem danych, pracą układów synchronizacji, pracą przetworników analogowo-cyfrowych i cyfrowo-analogowych steruje kontroler, którym obecnie jest najczęściej mikroprocesor. W odróżnieniu od oscyloskopów analogowych, w

oscyloskopach cyfrowych jako lampy obrazowe stosuje się lampy kineskopowe (monochromatyczne i kolorowe). Obecnie najczęściej są stosowane rozwiązania, w których ekran jest zbudowany przy wykorzystaniu wyświetlacza ciekłokrystalicznego LCD. Zaletą wyświetlaczy jest to, że nie wymagają dużych napięć i nie potrzebują dużych mocy, tak jak to jest w przypadku lamp oscyloskopowej i kineskopowej. Pozwala to na ograniczenie gabarytów oscyloskopu i zastosowanie zasilania bateryjnego. A to z kolei pozwala zastosować oscyloskop jako urządzenie przenośne.

Główne parametry oscyloskopów cyfrowych to:

- pasmo częstotliwości dla przebiegów jednorazowych (graniczna częstotliwość

próbkowania)

- pasmo częstotliwości dla przebiegów powtarzalnych

- zdolność rozdzielacza w kierunku osi poziomej i pionowej (rozdzielczość stosowanego

przetwornika analogowo-cyfrowego)