Miernictwo
Miernictwo
Miernictwo
Miernictwo
Miernictwo
Oscyloskop - najważniejszy
przyrzÄ…d pomiarowy
w pracowni elektronika
Oscyloskop bez wÄ…tpienia jest najbardziej uni- znalez
ć jakąkolwiek pracę i zarobić na fabryczny,
wesalnym przyrządem pomiarowym w laborato- choćby najtańszy oscyloskop.
CZ
ŚĆ 1
rium elektronicznym. Umożliwia pomiary napięć Do tej pory interesujące dla amatorów były os-
stałych i zmiennych, czasu, częstotliwości, fazy cyloskopy produkowane w byłym Związku Ra-
przebiegów elektrycznych, a przy użyciu przysta- dzieckim, zwłaszcza ze względu na bardzo korzys-
wek także wielu innych wielkości elektrycznych tny przelicznik cen walut. Niestety obecnie prze-
i nieelektrycznych. licznik ten jest znacznie mniej korzystny,
Początkującego elektronika niekiedy przeraża a w związku z wprowadzaniem zasad rynkowych
ilość pokręteł i przełączników umieszczonych na w krajach byłego ZSRR, wiele z fabryk produkują-
płycie czołowej profesjonalnego oscyloskopu. cych sprzęt elektroniczny upadło, a inne bardzo
W rzeczywistości wykorzystanie rozbudowane- podwyższyły ceny. Czytelnicy śledzący ofertę han-
go, profesjonalnego oscyloskopu wcale nie jest dlową AVT zauważyli zapewne, że znikły z niej ta-
trudne, wystarczy poznać podstawowe zasady jego nie oscyloskopy litewskie Rimedy. Firma ta nie wy-
obsługi i budowy. trzymała okresu transformacji i zbankrutowała.
Z drugiej strony posiadanie kosztownego, cyfro- Obecnie (według aktualnego stany wiedzy re-
wego oscyloskopu o szerokich możliwościach dakcji) nie ma już stałego z
ródła zakupu tak tanich
wcale nie gwarantuje sukcesu, ponieważ nieumie- oscyloskopów przeznaczonych dla amatorów.
jętne dołączenie do obwodu może bardzo zafał- Pozostaje skorzystać z oferty firm daleko-
szować wyniki pomiaru, lub co gorsza, nawet spo- wschodnich i zakupić porządny, profesjonalny os-
wodować nieprawidłowe działanie badanego ukła- cyloskop dwukanałowy. Cena takiego oscyloskopu
du. Doświadczony elektronik potrafi wykonać na- przekracza wprawdzie tysiąc złotych, ale warto
prawdę skomplikowane pomiary przy użyciu zdobyć się na jednorazowy wysiłek i nabyć sprzęt
względnie prostego oscyloskopu, co najwyżej do- niezawodny, o dobrych parametrach, który zaspo-
łączy do badanego układu jakieś obwody pomoc- koi z naddatkiem potrzeby elektronika-hobbysty.
nicze. Przed podjęciem decyzji o zakupie oscyloskopu
Dlatego każdy, kto ma lub będzie miał do czy- należy dokładnie poznać jego działanie i możli-
nienia z praktyczną elektroniką powinien dokład- wości. Pomoże w tym niniejszy, kilkuczęściowy
nie rozumieć zasadę działania i kluczowe paramet- cykl artykułów.
ry oscyloskopu. W pierwszej części przedstawiono niezbędne
Nie ma natomiast obecnie większego sensu bu- dla każdego wiadomości o oscyloskopach, ich bu-
dowa oscyloskopu we własnym zakresie (chyba, że dowie i funkcjach. Te informacje wstępne przezna-
w postaci przystawki do komputera, ale to inny te- czone są dla Czytelników, którzy nie mieli żadnego
mat). Tak naprawdę, to bez dobrych przyrządów kontaktu z oscyloskopem. W dalszej części omó-
pomiarowych i dużego doświadczenia, nie można wione będą praktyczne zagadnienia i problemy
zbudować użytecznego oscyloskopu. Zamiast tra- związane z zakupem i wykorzystaniem oscylosko-
cić czas na długotrwałe próby, lepiej na ten czas pu.
Rys. 1. Przekrój lampy oscyloskopowej.
36 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97
Miernictwo
Miernictwo
Miernictwo
Miernictwo
Miernictwo
nia skali i pokrętło umożliwiające rotację obrazu,
czyli ustawienie linii na ekranie równolegle do linii
skali. Starsze przyrządy miały też pokrętło umożli-
wiajÄ…ce korekcjÄ™ astygmatyzmu, czyli uzyskanie
ostrego obrazu na całym ekranie.
Wzmacniacz odchylania
poziomego
Przejdz
my teraz do rysunku 2. Pokazano na nim
w uproszczeniu, jak napięcie między płytkami po-
zwala przesuwać plamkę na ekranie. W tym miejs-
cu powiedzmy, że płytki pozwalające odchylać
plamkę w pionie (w górę i w dół) nazywa się płyt-
kami Y, a płytki pozwalające odchylać plamkę
Rys. 2. Podstawowy układ płytek odchylających.
w poziomie - płytkami X. Cały tor związany z płyt-
kami odchylania pionowego nazywa siÄ™ torem Y.
W literaturze angielskojęzycznej kanał odchylania
Lampa oscyloskopowa
pionowego nazywany jest vertical channel, od ver-
Główną częścią składową typowego oscylosko- tical - pionowy (analogicznie: horizontal - pozio-
pu jest próżniowa lampa elektronowa, której prze- my).
krój pokazano w uproszczeniu na rysunku 1. Ob- Jeśli doprowadzimy napięcie stałe między płytki
Y, plamka odchyli się od położenia spoczynkowe-
wód żarzenia podgrzewa do wysokiej temperatury
go (na środku ekranu) pionowo o pewną odległość.
katodę, która emituje elektrony. Między katodą
i anodą powstaje pole elektryczne, w którym ujem- Kierunek i wielkość odchylenia daje informację
o biegunowości i wartości doprowadzonego do
nie naładowane elektrony emitowane z katody są
płytek napięcia. Wystarczy nanieść na ekran odpo-
przyciągane do anody. Czym większe jest napięcie
wiednią podziałkę, a otrzymamy woltomierz, któ-
anody, tym silniej przyciÄ…gane sÄ… elektrony. Na
rego  wskazówką jest plamka świetlna.
drodze między katodą, a anodą elektrony nabierają
Dla rozszerzenia zakresu takiego woltomierza
prędkości, są skupiane w cienką wiązkę, po czym
należy dodać wzmacniacz lub tłumik o skokowo
uderzajÄ… w ekran pokryty specjalnÄ… substancjÄ…
zwanÄ… luminoforem. Elektrony uderzajÄ…c w lumi- regulowanym wzmocnieniu. Taki wzmacniacz
można znalez
ć w każdym oscyloskopie. Wejściem
nofor tracÄ… swÄ… energiÄ™, a energia ta zamienia siÄ™
na światło, zwykle koloru zielonego. Między kato- tego wzmacniacza jest typowe gniazdo typu BNC,
a wzmocnienie reguluje się skokowo pokrętłem.
dą, a główną anodą umieszczone są dodatkowe
Wszystkie oscyloskopy (z wyjÄ…tkiem przeznaczo-
elektrody, między innymi siatka, która umożliwiają
nych do pracy przy częstotliwościach rzędu setek
regulację ilości elektronów biegnących do anody.
i tysięcy MHz) mają oporność wejściową równą
Ewentualne dodatkowe anody tworzÄ… tak zwane
soczewki elektronowe, umożliwiające takie ukie- 1MW, co oznacza iż tylko w niewielkim stopniu
runkowanie strumienia elektronów, inaczej mó- obciążają badany układ. W praktyce na wejściu
Y oscyloskopu stosuje się sondy, zwiększające tę
wiąc ich zogniskowanie, że trafiają one w jedno
rezystancjÄ™ do 10MW.
miejsce ekranu, tworząć świecący punkt (plamkę)
Wspomniany przełącznik obrotowy oznaczony
o średnicy poniżej 1 milimetra.
Na drodze elektronów między katodą a ekra- jest w oscyloskopach z angielskimi napisami na
nem, umieszczone są kolejne elektrody o kluczo- płycie czołowej VOLTS/DIV (woltów na działkę),
wym znaczeniu. Są to dwie pary metalowych pły- natomiast w oscyloskopach radzieckich - usilenie
wolt/dielenie. Poszczególne pozycje tego pokrętła
tek. Jeśli między dwie płytki zostanie dołączone
skalowane są w woltach na centymetr lub częściej
napięcie (stałe), to między płytkami powstanie pole
elektryczne. Pole to oddziałuje na elektrony prze- w woltach na działkę (działka to jednostka długoś-
chodzące między płytkami i w konsekwencji stru- ci na ekranie; zwykle ekran podzielony jest na 10
mień elektronów jest odchylany w stronę płytki do- działek w poziomie i 8 działek w pionie, często
datniej. W lampie oscyloskopowej dwie pary ta- 1 działka = 1cm). Aby określić wartość mierzonego
napięcia, wystarczy pomnożyć odchylenie plamki
kich płytek, zwanych płytkami odchylającymi, są
(wyrażone w centymetrach lub w działkach) przez
umieszczone wzajemnie prostopadle.
Podsumujmy: w lampie oscyloskopowej może- współczynnik odchylania nastawiony pokrętłem.
W typowych oscyloskopach spotyka się współ-
my za pomocą napięć doprowadzonego do siatek
czynniki odchylania w zakresie od 5mV/działkę
i anod regulować ilość elektronów docierających
(5mV=0,005V) do 5V/działkę, przełączanie odby-
do ekranu, czyli jasność plamki na ekranie oraz
wa się w sekwencji 5-10-20-50 (mV/działkę) -0,1-
uzyskać dobre zogniskowanie, czyli małą, ostrą,
0,2-0,5-1-2-5 (V/działkę).
nierozmytÄ… plamkÄ™. Normalnie plamka pojawia siÄ™
Pokrętło skokowej regulacji wzmocnienia jest
na środku ekranu. Jeśli jednak doprowadzimy do
płytek odchylających napięcie o odpowiednim kie- więc najważniejszym organem regulacyjnym w to-
rze Y. Ale przy niektórych pomiarach, na przykład
runku i wartości, to plamkę można przesunąć
przy pomiarach pasma przenoszenia wzmacniaczy
w dowolny punkt ekranu.
najlepiej jest ustawić taką wielkość obrazu, aby
Każdy oscyloskop posiada pokrętła do regulacji
jasności i ostrości, przesuwu obrazu w pionie i po- wypełniał on cały ekran. Wtedy przydatna jest
ziomie, a niektóre dodatkowo pokrętło podświetle- płynna regulacja wzmocnienia. Wszystkie lepsze
37
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97
Miernictwo
Miernictwo
Miernictwo
Miernictwo
Miernictwo
cia najmniejszego i największego takiego przebie-
gu piłokształtnego, plamka na ekranie będzie się
poruszać z określoną, stałą prędkością z lewej stro-
ny ekranu na prawą, a po dojściu do prawej krawę-
dzi bardzo szybko powróci na lewą stronę i cykl
będzie się powtarzał. Jeśli w czasie ruchu robocze-
go plamki (z lewej na prawą stronę ekranu), do pły-
tek Y zostanie doprowadzone jakieś napięcie zmie-
niajÄ…ce siÄ™ w czasie, wtedy na ekranie zobaczymy
Rys. 3. Przebieg piłokształtny.
przebieg zmian tego napięcia w funkcji czasu.
Jeśli szybkość poruszania się plamki na ekranie,
oscyloskopy mają pokrętło płynnej regulacji czyli częstotliwość przebiegu piłokształtnego, zo-
wzmocnienia, a nominalne współczynniki odchy- stanie tak dobrana aby plamka przebiegała ściśle
lania toru Y uzyskuje siÄ™ w wyraz
nie oznaczonej, określoną odległość, na przykład 1 centymetr (lub
skrajnej pozycji tego pokrętła. jedną działkę), w ciągu jednej sekundy, to uzyska-
Niektóre oscyloskopy mają także przełącznik my możliwość pomiaru czasu.
(zwykle uruchomiany wyciągnięciem pokrętła Właśnie doszliśmy do podstawowej funkcji os-
płynnej regulacji czułości), który zwiększa czułość cyloskopu: oscyloskopem możemy mierzyć napię-
pięciokrotnie i jest wykorzystywany przy pomia- cia i czasy przebiegów zmiennych. Przykład moż-
rach najmniejszych napięć. na zobaczyć na rysunku 4.
Ponieważ oscyloskop często służy do pomiaru Aby był możliwy pomiar czasu, każdy oscylo-
napięć zmiennych, na wejściu toru Y zawsze zna- skop wyposażony jest tak zwany generator podsta-
jduje się przełącznik, sprzęgający gniazdo wejścio- wy czasu (po angielsku TIME BASE, po rosyjsku
we ze wzmacniaczem przez kondensator (w pozy- razwiortka). Generator ten wytwarza przebieg pi-
cji oznaczonej AC lub ~), co eliminuje napięcie łokształtny o częstotliwości regulowanej w szero-
stałe z badanego przebiegu; jest to wręcz koniecz- kim zakresie. Dla ułatwienia, częstotliwości gene-
ne przy pomiarze małych napięć zmiennych nało- ratora są tak dobrane, aby jednej działce na ekranie
żonych na duże napięcia stałe. W pozycji prze- odpowiadała jednostka czasu. Dlatego też pokrętło
łącznika DC lub @ pełny sygnał wejściowy poda- skokowej zmiany szybkości plamki w ruchu pozio-
wany jest na wzmacniacz. W lepszych oscylosko- mym opisane jest nie w hercach, tylko w jednost-
pach przełącznik ten jest trzypozycyjny, w środko- kach czasu na centymetr lub działkę ekranu. Dla
wej pozycji, oznaczonej GND lub ^, wejście jest zwiększenia dokładności zastosowano współczyn-
zwarte do masy. Wbrew pozorom, w praktyce jest niki nie tylko 1s/działkę, 0,1s/działkę, 10ms/dział-
to bardzo przydatne, ponieważ przy pomiarach na- kę, 1ms/działkę, itd, ale podobnie jak przy pomia-
pięć często trzeba korygować położenie obrazu na rze napięcia, zastosowano sekwencję 1-2-5.
ekranie, ściślej biorąc jego wysokość. Do przesuwu W przyzwoitych oscyloskopach szybkość podsta-
obrazu w pionie służy pokrętło oznaczone strzał- wy czasu można wybierać pokrętłem w zakresie
kami lub napisem POS.Y. przynajmniej od 0,2 mikrosekundy/działkę do oko-
ło 1 sekundy/działkę, w sekwencji 0,2-0,5-1-2-5-
Tor odchylania poziomego
10-20-50(µs/dz) 0,1-0,2-0,5-1-2-5-10-20-50(ms/dz)
W praktyce bardzo rzadko wykorzystuje się os- i dalej 0,1-0,2-0,5-s/działkę. W drogich, profesjo-
cyloskop w podany przed chwilą prosty sposób, nalnych przyrządach zakres ten jest znacznie szer-
ponieważ pozostawienie na dłuższy czas plamki szy. Ale nawet w popularnym oscyloskopie umoż-
w jednym miejscu, zwykle na środku ekranu, grozi liwia to pomiary czasu w bardzo szerokim zakre-
wypaleniem luminoforu. Owszem, oscyloskop sie, od milionowych części sekundy do pojedyn-
często używany jest do pomiaru napięć stałych, ale czych sekund. Znając czas, a ściślej okres przebie-
aby uniknąć wypalenia luminoforu, do płytek X też gów powtarzalnych, można obliczyć ich częstotli-
powinien zostać doprowadzony jakiś przebieg, wość ze wzoru:
który poruszałby plamkę w poziomie. Jaki to powi- f = 1/T
nien być przebieg? gdzie f - częstotliwość, a T - okres.
Ktoś powie, że może to być jakikolwiek szybki Dla ułatwienia pomiarów, tor odchylania pozio-
przebieg zmienny, który poruszając szybko plamkę mego wyposażony jest też w pokrętło płynnej regu-
wytworzy na ekranie obraz poziomej linii. W zasa- lacji szybkości narastania piły, co bywa przydatne
dzie jest to wniosek słuszny, ale jeśli już mamy od- w niektórych pomiarach porównawczych. (Podane
chylać plamkę w poziomie, to możemy osiągnąć wcześniej dokładne współczynniki czasu/działkę
znacznie więcej niż tylko poziomą linię na ekranie, uzyskuje się w skrajnej, wyraz
nie oznaczonej po-
która będzie się odchylać w górę lub w dół pod zycji tego pokrętła.) Każdy oscyloskop posiada też
wpływem mierzonego napięcia stałego. pokrętło służące do przesuwania obrazu w pozio-
Co uzyskamy na ekranie, jeśli napięcie na płyt- mie, oznaczone poziomymi strzałkami bądz
napi-
kach X będzie jednostajnie wzrastać? Plamka bę- sem POS. X.
dzie poruszać się ruchem jednostajnym w kierunku Większość oscyloskopów posiada też przełącz-
brzegu ekranu. A jeśli do płytek X doprowadzimy nik (często uruchomiany wyciągnięciem któregoś
tak zwany przebieg piłokształtny, pokazany na ry- pokrętła), zwiększający pięcio- lub rzadziej dzie-
sunku 3, w którym napięcie pomału i jednostajnie sięciokrotnie, współczynniki podstawy czasu. Wy-
wzrasta, a potem gwałtownie i bardzo szybko ma- korzystuje się to przy obserwacji przebiegów o naj-
leje do wartości początkowej? Przy odpowiednim wyższych częstotliwościach.
połączeniu płytek X i właściwym dobraniu napię-
(red)
(red)
(red)
(red)
(red)
38 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97