LABORATORIUM
MIERNICTWA ELEKTRONICZNEGO
POMIARY OSCYLOSKOPOWE
Wstęp teoretyczny do ćwiczenia laboratoryjnego
Wojskowa Akademia Techniczna - Wydział Elektroniki - Instytut Systemów Elektronicznych
SPIS TREŚCI
1. Budowa, zasada działania i właściwości eksploatacyjne oscyloskopów
Cel: Nauczyć posługiwania się oscyloskopem do obserwacji sygnałów i pomiarów wybranych parametrów oraz szacowania dokładności pomia-ru. Zapoznać z rolą poszczególnych elementów regulacyjnych oscyloskopu, jego przygotowaniem do pracy, stabilizowaniem oscylogramu, a także możliwością zastosowania trybu X/Y.
Budowa, zasada działania i właściwości eksploatacyjne oscyloskopów
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. Dzięki temu oscyloskop można przystosować do obserwacji zmian w zasadzie dowolnej wielkości fizycznej.
Zasady działania różnych oscyloskopów są bardzo podobne, ale mogą się one między sobą różnić ze względu na przeznaczenie, sposób przetwarzania sygnału, ilość kanałów wejściowych czy pasmo częstotliwości. Poniżej przedstawione zostały różne klasyfikacje oscyloskopów.
Według przeznaczenia
uniwersalne,
specjalne,
próbkujące,
pamiętające,
szybkie.
Według sposobu przetwarzania sygnału
analogowe,
analogowo-cyfrowe,
cyfrowe.
Według częstotliwości
m.cz. (B<10 MHz),
w.cz. (B<500 MHz),
b.w.cz. (B < 30 GHz).
Według ilości kanałów
jednokanałowe,
dwukanałowe,
wielokanałowe.
Do podstawowych parametrów użytkowych oscyloskopów należą szerokość pasma przenoszenia B i czas narastania odpowiedzi impulsowej tN 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.
Aby użytkownik mógł w sposób właściwy ocenić przydatność danego oscyloskopu do wykonania konkretnego zadania pomiarowego musi zdawać sobie sprawę ze sposobu definiowania wyżej wymienionych parametrów.
Szerokość pasma przenoszenia B. Parametr ten związany jest z charakterystyką amplitudowo-częstotliwościową toru Y oscyloskopu. Kształt tej charakterystyki pokazano na rys. 1.
Rys. 1. Charakterystyka przenoszenia toru Y oscyloskopu.
Charakterystyka ta pokazuje jak zmienia się czułość odchylania kanału Y w funkcji częstotliwości mierzonego sygnału. Przebieg charakterystyki jest uwarunkowany istnieniem w torze Y różnego typu pasożytniczych elementów L i C. Szerokość pasma przenoszenia określa się jako różnicę między częstotliwością graniczną górną fg i dolną fd charakterystyki przenoszenia. Częstotliwości graniczne charakterystyki przenoszenia są to częstotliwości, przy których czułość odchylania toru Y spada o 3dB w stosunku do czułości dla środka pasma (lub maleje
razy).
B-3dB = fg - fd (1)
Typowo zamiast parametru B podaje się częstotliwość górną graniczną charakterystyki przenoszenia, ponieważ zwykle częstotliwość graniczna dolna jest bliska lub równa zero. Oczywiście im pasmo przenoszenia jest większe tym oscyloskop jest lepszy.
Czas narastania odpowiedzi tN w kanale Y jest ściśle powiązany z szerokością pasma przenoszenia B co przedstawia zależność (2).
tN = 0,35 / fg ~ 0,35 / B-3dB (2)
Parametr ten, zdefiniowany w dziedzinie czasu, ogranicza zdolność oscyloskopu do pomiaru impulsów krótkich i o szybkich zboczach opadających i narastających.
Nierównomierność charakterystyki przeno-szenia . Jest to parametr informujący o możliwości powstawania dodatkowych błędów przy zmianie częstotliwości sygnału mierzonego w płaskiej części charakterystyki przenoszenia. Typowo wartość tego parametru wynosi ± 0,1dB.
Zakres zmian współczynnika odchylania kanału Y. Współczynnik odchylania jest odwrotnością czułości napięciowej toru Y. Określa wartość międzyszczytową napięcia potrzebnego do odchylenia plamki o 1 cm(dz) (typowo 1, 2, 5 ⋅ 10n V/dz - gdzie n - liczba całkowita z zakresu -6 do 0 a nawet 1)
DY = UYPP [V] / A [cm(dz)] = UYPP / 1cm (dz) = 1 / SY
Podanie tego parametru przy jednoczesnej znajomości wielkości pola odczytowego w działkach jest równoznaczne podaniu zakresu pomiarowego napięcia.
Zakres zmian współczynnika czasu (podstawy czasu). Parametr ten określa skalę czasu osi X (typowo 1, 2, 5 ⋅ 10n s/dz - gdzie n - liczba całkowita z zakresu -9 do 0 a nawet 1).
DT = t / 1 cm(dz)
Impedancja wejściowa kanału X, Y, Z, wyzwalania zewnętrznego. Impedancja wejściowa oscyloskopu jest dopasowana do typowej impedancji falowej dla linii transmisyjnej (np. 50, 75 Ω) lub wysoka (rzędu 1MΩ), impedancja wejściowa ma na ogół charakter rezystancyjno -pojemnościowy (RC). Jeżeli impedancja wejściowa oscyloskopu jest wysoka to dopasowanie impedancyjne z linią transmisyjną zapewnia się przez zastosowanie odpowiednich sond pomiarowych.
Liczba kanałów i sposób uzyskiwania zwielokrotnienia kanałów. Typowo 1, 2, 3, 4 z lampą oscyloskopową wielostrumieniową lub ze zwielokrotnionym systemem odchylania plamki albo z lampą jednostrumieniową i przełącznikiem elektronicznym
Wielkość pola odczytowego. Może być wyrażana za pomocą długości przekątnej lub przez podanie wysokości i szerokości pola odczytowego w działkach.
Rodzaj wskaźnika. Obecnie rolę wskaźnika pełnią w oscyloskopach lampy elektronopromieniowe z pojemnościowym odchylaniem strumienia elektronów, monitory telewizyjne i komputerowe oraz wyświetlacze ciekłokrystaliczne zarówno monochromnatyczne jak i kolorowe.
Dokładność skalowania dzielników wejściowych wyrażana jest jako procent długości odpowiedniego wymiaru pola odczytowego (typowo δ%DY, δ%DT ~ 5%).
Dopuszczalne sposoby synchronizacji i wyzwalania gen.p.cz.
automatyczne, normalne, jednokrotne;
wewnętrzne, zewnętrzne, od sieci zasilającej;
m.cz., w.cz., ramka TV;
zboczem narastającym lub opadającym.
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 Upp. 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.
Rys. 3. Zasada tworzenia oscylogramu
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 granicach zmian wartości chwilowych napięcia w torze Y. Jeżeli nie to na ekranie nie pojawia się żaden oscylogram.
Rys. 5. Powstawanie oscylogramu: a) w trybie automatycznym (Auto), b) trybie normalnym (Normal)
Na rys. 5 przedstawiono zasadę powstawania oscylogramu w trybie „auto” i „normal”. Obraz przebiegu badanego jest zobrazowywany zawsze w czasie trwania zbocza narastającego przebiegu piłokształtnego. Strumień elektronów kreśli wtedy ślad na ekranie lampy od lewej do prawej strony. W czasie trwania zbocza opadającego strumień powraca od prawej do lewej strony, ale fakt ten nie jest zobrazowywany, ponieważ w torze wyzwalania, synchronizacji i generacji podstawy czasu wytwarzany jest impuls doprowadzany do wyrzutni elektronów w lampie oscyloskopowej, który wygasza strumień elektronów.
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%.
Pomiary wybranych parametrów
Pomiary parametrów sygnałów z wykorzystaniem oscyloskopów są proste.
W przypadku pomiarów amplitudowych wysokość odpowiadającą mierzonemu parametrowi wyrażamy w działkach (lub w centymetrach) i mnożymy przez współczynnik odchylania odczytany z odpowiedniego przełącznika
(3)
W przypadku pomiarów parametrów czasowych, długość odcinka odpowiadającego danemu parametrowi wyrażamy w działkach (lub w centymetrach) i mnożymy przez współczynnik czasu odczytany z przełącznika podstawy czasu
(4)
Przy pomiarach oscyloskopowych, tak należy dobrać odpowiednio współczynnik odchylania i współczynnik czasu, aby mierzony fragment przebiegu zajmował jak największą część ekranu. Pomiary należy wykonywać zawsze przy pokrętłach płynnej regulacji współczynnika czasu i współczynnika odchylania ustawionych w położenie kalibrowane. Przed wykonaniem pomiarów tory wejściowe oscyloskopu należy skalibrować za pomocą kalibratora wewnętrznego lub zewnętrznego.
Pomiary parametrów napięciowych
Do podstawowych parametrów napięciowych mierzonych za pomocą oscyloskopu należą wartość międzyszczytowa napięcia Upp , amplituda połówki dodatniej i amplituda połówki ujemnej. Jeśli przyjmiemy, że napięcie zmienne opisana jest równaniem u(t) (mówimy, że równanie u(t) opisuje zmiany wartości chwilowej napięcia), to wartość międzyszczytowa jest równa różnicy między największą a najmniejszą wartością chwilową. Amplituda połówki dodatniej jest największą z wartości chwilowych napięcia. Amplituda polówki ujemnej jest najmniejszą z wartości chwilowych mierzonego napięcia. Na rys. 7 pokazano sposób wyznaczania powyższych parametrów.
Rys. 7. Parametry amplitudowe napięcia zmiennego mierzone oscyloskopem
Inne wartości charakterystyczne napięcia zmiennego takie jak wartość skuteczna, średnia jednopołówkowa i dwupołówkowa mogą być mierzone metodą pośrednią przez podzielenie amplitudy napięcia przez współczynnik amplitudy lub uśredniania, jeżeli oczywiście są one znane.
Oscyloskop umożliwia także pomiar napięcia stałego. W tym celu do wejścia oscyloskopu doprowadzany napięcie. Przełącznik MODE ustawiamy w położenie Auto a przełącznik sprzężenia toru Y ustawiamy w położenie GND (ang. ground - masa). Na ekranie otrzymamy poziomy odcinek, który pokrętłem przesuwu pionowego ustawiamy na jedną z linii skali oscyloskopu. Następnie przełącznik sprzężenia toru Y ustawiamy w położenie DC. Odległość, o którą przesunął się odcinek w pionie wyrażamy w działkach i mnożymy przez współczynnik odchylania.
Pomiary parametrów czasowych
Dzięki temu, że na ekranie oscyloskopu obserwuje się kształt napięcia, można pomierzyć czas trwania dowolnego odcinka przebiegu. Do najważniejszych parametrów czasowych sygnałów należą okres, szerokość impulsu, współczynnik wypełnienia, czas narastania impulsu, czas opadania impulsu itd. Na rys. 8 przedstawiono sposób ich wyznaczania.
Okres T jest to parametr charakteryzujący przebiegi tzw. okresowe, dla których spełniona jest zależność
(5)
Czas narastania tn jest czas, w którym wartość chwilowa sygnału narasta od 0,1 do 0,9 jego wysokości (wartości międzyszczytowej).
Czas opadania to jest to czas, w którym wartość chwilowa przebiegu maleje od 0,9 do 0,1 wartości międzyszczytowej.
Szerokość impulsu ti jest to czas, w którym wartość chwilowa sygnału jest większa od 50% wartości międzyszczytowej (czas trwania „połówki” dodatniej ti+) lub mniejsza od 50% Upp (czas trwania „połówki” ujemnej ti-).
Rys.8. Sposób wyznaczania parametrów czasowych: a) szerokość impulsu ti , czas narastania tn , czas opadania to ; b) okres T, współczynnik wypełnienia D, współczynnik przerywistości Θ .
Współczynnik wypełnienia D jest to stosunek szerokości połówki dodatniej do okresu sygnału.
(6)
Współczynnik przerywistości Θ jest odwrotnością współczynnika wypełnienia.
(7)
Zasady eksploatacji oscyloskopów
Przed doprowadzeniem sygnału do kanałów wejściowych oscyloskopu należy wykonać szereg czynności związanych z przygotowaniem oscyloskopu do pracy. Po pierwsze, należy sprawdzić czy przełącznik zasilania jest ustawiony w pozycję, odpowiadającą standardowi napięcia zasilania kraju, w którym się znajdujemy. Po drugie przełączniki i potencjometry znajdujące się na płycie czołowej należy ustawić w określone pozycje zgodnie z tabelą 1.
Tabela 1
Przełącznik |
Pozycja (położenie) |
Tryb wyzwalania p.cz. (MODE) |
AUTO |
Źródło wyzwalania (SOURCE) |
VERT MODE |
Tryb pracy przełącznika elektronicznego |
ALT |
Zbocze synchronizujące (SLOPE) |
„+“ (off) |
Poziom wyzwalania (LEVEL) |
środkowe |
Przesuw pionowy (Y POSITION) |
środkowe |
Płynna regulacja współczynnika odchylania (VARIABLE) |
CAL |
Współczynnik odchylania (VOLTS/DIV) |
5V/dz |
Sprzężenie wejściowe (COUPLING) |
GND |
Przesuw poziomy (X POSITION) |
środkowe |
Współczynnik czasu (TIME/DIV) |
1ms/dz |
Przełącznik wzmocnienia osi czasu (x10 MAG) |
off |
Przy takiej konfiguracji przełączników po włączenia napięcia zasilającego powinniśmy otrzymać linię prostą. Następnie należy sprawdzić działanie pokrętła INTENSITY i ustawić je w takie położenie, aby otrzymać jasny dobrze widoczny oscylogram (Uwaga! Zbyt silne rozkręcenie tego potencjometru może doprowadzić do nieodwracalnego uszkodzenia luminoforu). Używając pokrętła FOCUS wyregulować ostrość oscylogramu, a pokrętłem Trace Rotation ustawić linię poziomą (oscylogram) równolegle do linii poziomych skali.
Przed wykonaniem pomiarów oscyloskop należy jeszcze skalibrować. Kalibracja polega na tym, że do kanałów wejściowych doprowadza się napięcie z wewnętrznego lub zewnętrznego kalibratora napięcia. Odpowiednim potencjometrem reguluje się tak, aby wartość napięcia odczytana z ekranu oscyloskopu była równa wartości zadawanej z kalibratora. Wartość napięcia z kalibratora jest znana. Jeżeli do pomiarów wykorzystuje się sondy RC, to należy jeszcze wykonać kompensację sondy. Po skompensowaniu sonda może być wykorzystywana tylko w tym kanale oscyloskopu, dla którego przeprowadzono jej kompensację.
Niektóre oscyloskopy posiadają także kalibratory czasu. Postępowanie jest podobne.
Literatura
[1] A. Chwaleba, M. Poniński, A. Siedlecki „Metrologia elektryczna”, WNT, Warszawa 1994(1998), sygn. 53200(54691)
[2] Rydzewski J.: „ Pomiary oscyloskopowe”, WNT, Warszawa 1994, sygn. 52218
Przykładowe pytania kontrolne
Przeznaczenie, klasyfikacja i parametry użytkowe oscyloskopów analogowych.
Budowa i zasada działania oscyloskopu analogowego jedno- i dwukanałowego.
Przeznaczenie, uproszczona budowa i zasada działania lampy oscyloskopowej.
Przeznaczenie toru Y w oscyloskopie.
Przeznaczenie toru X w oscyloskopie.
Przeznaczenie toru wyzwalania, synchronizacji i generacji podstawy czasu.
Sposób powstawania oscylogramu.
Tryb pracy automatyczny i normalny generatora podstawy czasu.
Odczyt wartości mierzonej z oscyloskopu analogowego i cyfrowego.
Sposób pomiaru parametrów napięcia zmiennego: wartość międzyszczytowa, okres, szerokość impulsu, czas narastania i opadania impulsu itd.
Zakres czynności przy przygotowaniu oscyloskopu do pracy.
Przeznaczenie kalibratorów napięcia i czasu w oscyloskopie.
Szacowanie dokładności przy pomiarach oscyloskopowych.
Zakład Systemów Informacyjno-Pomiarowych
57139
3
57139
9