Przeznaczenie i właściwości oscyloskopów

Oscyloskop jest przyrządem pomiarowym służącym do wizualnej obserwacji zależności funkcjonalnej między dwiema wielkościami wejściowymi - najczęściej jedną z nich jest czas.

Dzięki swoim właściwościom oscyloskop jest jednym z najbardziej uniwersalnych i rozpowszechnionych przyrządów pomiarowych - pozwala na pomiar prawie wszystkich parametrów sygnałów. Wejścia oscyloskopu są najczęściej sterowane napięciowo. Istnieje jednak szeroka gama różnych przetworników pomiarowych, które są w stanie przetwarzać niemal każdą wielkość fizyczną w napięcie.

1. Według przeznaczenia

• uniwersalne,

• specjalne,

• próbkujące,

• pamiętające,

• szybkie.

2. Według sposobu przetwarzania sygnału

• analogowe,

• analogowo-cyfrowe,

• cyfrowe.

3. Według częstotliwości

• m.cz. (B<10 MHz),

• w.cz. (B<500 MHz),

• b.w.cz. (B < 30 GHz).

4. Według ilości kanałów

• jednokanałowe,

• dwukanałowe,

• wielokanałowe.

Do podstawowych parametrów użytkowych oscyloskopów należą szerokość pasma przenoszenia B i czas narastania odpowiedzi impulsowej t_N w kanale Y, nierównomierność charakterystyki przenoszenia, zakres zmian współczynnika odchylania kanału Y, zakres zmian współczynnika czasu (podstawy czasu), impedancja wejściowa kanału X (Y, Z, wyzwalania zewnętrznego), liczba kanałów i sposób uzyskiwania zwielokrotnienia kanałów, wielkość pola odczytowego, rodzaj wskaźnika, dokładność skalowania dzielników wejściowych, dopuszczalne sposoby synchronizacji i wyzwalania generatora podstawy czasu.

Szerokość pasma przenoszenia B. Parametr ten związany jest z charakterystyką amplitudowo-częstotliwościową toru Y oscyloskopu. Kształt tej charakterystyki pokazano na rys. 1.

Charakterystyka ta pokazuje jak zmienia się czułość odchylania kanału Y w funkcji częstotliwości mierzonego sygnału. Szerokość pasma przenoszenia określa się jako różnicę między częstotliwością graniczną górną f_g i dolną f_d charakterystyki przenoszenia.

Typowo zamiast parametru B podaje się częstotliwość górną graniczną charakterystyki przenoszenia, ponieważ zwykle częstotliwość graniczna dolna jest bliska lub równa zero.

Budowa i zasada działania oscyloskopu jednokanałowego

Podstawowym elementem oscyloskopu analogowego jest lampa oscyloskopowa (rys. 2). W największym uproszczeniu lampa składa się z wyrzutni elektronów płytek odchylania pionowego i poziomego oraz ekranu pokrytego luminoforem. Zadaniem wyrzutni elektronów jest emisja elektronów, uformowanie ich ruchu w jeden strumień o określonych parametrach i nadanie im odpowiedniej prędkości. Strumień elektronów uderza w szklany ekran pokryty luminoforem. Luminofor to substancja chemiczna charakteryzująca się tym, że pod wpływem uderzających w nią elektronów zaczyna świecić. Czas świecenia się luminoforu po uderzeniu elektronu nazywany jest czasem poświaty. Jest to parametr charakteryzujący lampę oscyloskopową. Strumień elektronów jest odchylany od kierunku nadawanego mu przez wyrzutnię elektronów przez pole elektryczne wytwarzane przez płytki odchylania pionowego i poziomego. Kierunek i zwrot oraz wielkość tego odchylenia zależy od polaryzacji i wartości napięcia przyłożonego do odpowiedniej pary płytek odchylających.

Rys. 2. Uproszczony schemat lampy oscyloskopowej

Jeżeli strumień elektronów będzie odchylany w sposób płynny to na ekranie lampy pozostawi ślad, którego kształt będzie zależny od kształtu napięć przyłożonych do obydwu par płytek odchylających. Na rys. 3a,b pokazano przykład oscylogramów powstałych na skutek przyłożenia do jednej pary płytek napięcia stałego a do drugiej napięcia sinusoidalnego. Na ekranie powstaje odcinek o długości proporcjonalnej do wartości międzyszczytowej napięcia sinusoidalnego U_pp. Aby oscylogram zobrazowywał zależność napięcia przyłożonego do płytek pionowych, do płytek poziomych musi zostać przyłożone napięcie piłokształtne będące liniową funkcją czasu. Przykład taki przedstawia rys. 3c.

Jeżeli oscyloskop ma przyłożone do płytek odchylania poziomego napięcia liniowo narastające to mówimy, że pracuje z rozciągiem liniowym. Możliwa jest także praca oscyloskopu z innymi rozciągami. Źródłem napięcia piłokształtnego przykładanego do płytek odchylania poziomego oscyloskopu jest wewnętrzny generator nazywany generatorem podstawy czasu.

Oscyloskop jest urządzeniem elektronicznym o bardzo skomplikowanej budowie. Można ją jednak w najprostszym ujęciu sprowadzić do trzech bloków funkcjonalnych (rys. 4).

Zadaniem toru Y jest wysterowanie płytek Y (odchylania pionowego) oscyloskopu. Do wejścia toru Y doprowadzany jest sygnał badany. Po wzmocnieniu lub stłumieniu jest on doprowadzany do płytek Y lampy. Część tego sygnału jest także doprowadzana do wejścia toru wyzwalania, synchronizacji i generacji podstawy czasu.

Zadaniem toru X jest wysterowanie płytek (X) odchylania poziomego lampy oscyloskopowej. Do wejścia toru doprowadzane jest napięcie z wewnętrznego lub zewnętrznego generatora p.cz.

Rys. 4. Uproszczony schemat funkcjonalny
oscyloskopu

Aby obraz na ekranie nie zaniknął musi być stale odświeżany. Odświeżenie oscylogramu nastąpi jeżeli napięcie z generatora p.cz. będzie się cyklicznie pojawiało na płytkach odchylania poziomego lampy. To cykliczne odświeżanie obrazu na ekranie oscyloskopu jest zadaniem toru wyzwalania, synchronizacji i generacji p.cz.

Generator podstawy czasu może pracować w trybie samowzbudnym (automatycznym) lub w trybie wyzwalanym (obcowzbudnym, tzw. normalnym).

Praca automatyczna generatora polega na tym, że podstawa czasu jest generowana z częstotliwością własną generatora podstawy czasu. Oscylogram jest wtedy na ogół niestabilny, ponieważ warunkiem otrzymania stabilnego oscylogramu jest synchronizacja podstawy czasu z sygnałem mierzonym. W trybie automatycznym oscylogram będzie stabilny tylko wtedy, gdy częstotliwość sygnału mierzonego jest całkowitą wielokrotnością częstotliwości podstawy czasu.

Podstawowym rodzajem pracy generatora podstawy czasu jest praca normalna. Tryb ten polega na tym, że ta część napięcia z toru Y, która jest doprowadzana do toru wyzwalania, synchronizacji i generacji podstawy czasu jest porównywana z pewnym napięciem odniesienia, którego wartość nazywamy poziomem wyzwalania.

W momencie zrównania się napięcia z toru Y z poziomem wyzwalania wyzwalany jest jednokrotnie generator podstawy czasu. Po wygenerowaniu jednego impulsu piłokształtnego generator p.cz. czeka na kolejne wyzwolenie. W tym trybie oscylogram jest zawsze stabilny, jeśli poziom wyzwalania jest w granicachzmian wartości chwilowych napięcia w torze Y. Jeżeli nie to na ekranie nie pojawia się żaden oscylogram

Budowa i zasada działania oscyloskopu dwukanałowego

Najpopularniejszą metodą zwielokrotniania kanałów w oscyloskopie analogowym jest zastosowanie przełącznika elektronicznego. Budowę takiego oscyloskopu przedstawiono na rys. 6.

Rys. 6. Uproszczony schemat funkcjonalny
oscyloskopu dwukanałowego

Oscyloskop taki jest wyposażony w lampę jednostrumieniową podobnie jak oscyloskopy jednokanałowe. Przełącznik elektroniczny służy do na przemiennego doprowadzania sygnału z kanału 1 i 2 do płytek odchylania pionowego. Możliwe są dwa tryby pracy przełącznika elektronicznego - praca siekana (czoperowana - Chop) i praca alternatywana (Alt). W trybie alternatywnym stan przełącznika jest zmieniany, co okres podstawy czasu, tzn. w trakcie jednego okresu podstawy czasu kreślony jest np. sygnał z kanału 1. Natomiast, w trakcie kolejnego okresu p.cz. kreślony jest sygnał z kanału 2. W trybie siekanym przełączanie następuje z częstotliwością własną przełącznika. Wynosi ona zwykle 100 kHz lub więcej. W trybie siekanym, obydwa sygnały są więc przełączane z częstotliwością znacznie przewyższającą częstotliwość p.cz. W tym trybie w trakcie jednego okresu p.cz. każdy z sygnałów doprowadzany do płytek Y lampy oscyloskopowej, składa się krótkich odcinków poprzedzielanych

krótkimi przerwami tak, że jeśli w jednym sygnale jest rozświetlony odcinek to w drugim jest przerwa i

na odwrót. W kolejnym okresie p.cz. odcinki te są nieco poprzesuwane względem odcinków wcześniej wykreślonych. Dzięki bezwładności oka ludzkiego i czasowi poświaty otrzymywany jest ciągły obraz każdego z sygnałów. Tryb siekany jest używany do obserwacji sygnałów przy wolnej podstawie czasu a tryb alternatywny przy szybkiej. Zastosowanie trybu alternatywnego przy wolnej podstawie czasu powoduje, że strumień elektronów nie nadąża odświeżać obrazu w kolejnych okresach podstawy czasu i następuje migotanie obrazu. Zastosowanie trybu siekanego do obserwacji przebiegów szybkich może w skrajnych sytuacjach doprowadzić do zsynchronizowania przełącznika z generatorem p.cz., co objawi się powstaniem w obrazie stałych przerw - w kolejnych okresach p.cz. zmiany stanu przełącznika elektronicznego nastąpią w tych samych momentach czasowych. Wygaszenia fragmentów oscylogramu oznaczają utratę informacji w 50%.

OSCYLOSKOP CYFROWY

Oscyloskop cyfrowy może pracować w dwóch reżimach. Jeżeli przełącznik P1 i P2 znajdują się w pozycji l, to układ pracuje jako konwencjonalny oscyloskop z pamięcią. Badany sygnał jest wówczas podawany przez układ wejściowy na wejście informacyjne przetwornika analogowo-cyfrowego (A/C). Proces przetwarzania (próbkowania) rozpoczyna się na sygnał „start”, który jest generowany przez układ sterujący i podawany na wejście sterujące przetwornika/C. Otrzymany na wyjściu przetwornika A/C sygnał cyfrowy jest przekazywany do odpowiedniej komórki bloku pamięci. Informacje zawarte w pamięci mogą być przechowywane dowolnie długo. Przy odtwarzaniu zapisanej informacji, komenda z układu sterującego powoduje wybranie i przekazanie ich da wejście cyfrowe na impulsy o amplitudach proporcjonalnych do zakodowanych w pamięci liczb. Aby otrzymać obraz ciągły, między przetwornik C/A i wzmacniacz jest włączony układ wygładzania - tzw. Generator wektorowy. Na odpowiedni sygnał z układu sterującego mikroprocesor - wchodzący w układ oscyloskopu - dokonuje analizy matematycznej zarejestrowanego w pamięci przebiegu. Oprócz samoczynnego dokonywania analizy matematycznej obrazu, oscyloskopy cyfrowe mają wiele innych zalet w stosunku do analogowych oscyloskopów z pamięcią. Są to przede wszystkim: nieograniczony czas przechowywania informacji oraz szeroki zakres zmian szybkości odtwarzania, a szczególnie możliwości spowalniania procesu odtwarzania poszczególnych fragmentów zapamiętanego przebiegu.

---