elektro.info

Oscyloskop analogowy

Do wytworzenia obrazu przedstawiającego chwilowe napięcie w funkcji czasu wykorzystuje się lampę oscyloskopową. Lampa zapewnia przetwarzanie napięcia chwilowego na przemieszczenie wiązki elektronów. Przemieszczenie jest obserwowane na fluorescencyjnym ekranie jako przemieszczenie plamki świecącej. Na rysunku 1. przedstawiono schemat blokowy oscyloskopu dwukanałowego. Mierzony sygnał podawany na dzielnik wejściowy o skokowo regulowanej wartości tłumienia steruje wzmacniaczem o skokowej i płynnej regulacji wzmocnienia. Regulacja skokowa tłumienia i wzmocnienia jest realizowana wspólnym przełącznikiem. Zadaniem dzielnika jest dopasowanie sygnału wejściowego do wartości zależnej od czułości wzmacniacza i wymaganej wysokości obrazu na ekranie. Pokrętło płynnej regulacji wzmocnienia umożliwia uzyskanie obrazu przebiegu o dogodnej do obserwacji wysokości [2, 5].

Przeczytaj także: Komputery przemysłowe w zastosowaniach systemów pomiarowych

Możemy spotkać oscyloskopy wielokanałowe do równoczesnego obserwowania większej liczby niezależnych sygnałów. Najpopularniejsze są oscyloskopy dwukanałowe. Wielokanałowość realizuje się przez multipleksowanie sygnałów wejściowych. Przełącznik elektroniczny przełącza sygnał z kilku wzmacniaczy wejściowych na jeden wspólny tor sterujący lampą oscyloskopową. W torze wspólnym kanału Y znajduje się linia opóźniająca i wzmacniacz sterujący symetrycznie płytki odchylania pionowego Y-Y lampy oscyloskopowej. Pokrętło przesuwu umożliwia regulację położenia obrazu na ekranie w kierunku pionowym, oddzielnie dla każdego kanału.

Literatura

1. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna, WNT, Warszawa 2009.

2. red. Swędrowski L.: Metrologia, WPG, Gdańsk 2011.

3. Rydzewski J.: Pomiary Oscyloskopowe, WNT, Warszawa 1999.

4. Tumański S.: Technika pomiarowa, WNT, Warszawa 2007.

5. Materiały dydaktyczne Politechnika Gdańska.

6. Materiały dydaktyczne Politechnika Warszawska.

Z każdego kanału Y może być pobrany mierzony sygnał, którego zadaniem jest uzyskanie synchronizacji podstawy czasu z mierzonym przebiegiem. Sygnał synchronizujący steruje układami wyzwalania i generacji podstawy czasu. Układ podstawy czasu generuje piłokształtne napięcie liniowo narastające. Napięcie to po wzmocnieniu we wzmacniaczu odchylania poziomego X steruje symetrycznie płytkami odchylania X-X lampy oscyloskopowej.

Obserwacja napięcia zmiennego na ekranie lampy wymaga jednoczesnego oddziaływania na strumień elektronów dwóch sił. Odchylenie plamki w kierunku pionowym jest proporcjonalne do napięcia mierzonego (dołączonego do wejścia Y), a odchylenie plamki w kierunku poziomym musi być wprost proporcjonalne do czasu, co uzyskuje się przez doprowadzenie do płytek X-X napięcia narastającego liniowo w funkcji czasu [2, 5].

Jeżeli na ekranie oscyloskopu ma być widoczny przebieg badanego sygnału w czasie, do płytek odchylania poziomego X-X należy podłączyć generator podstawy czasu, który zwykle znajduje się wewnątrz oscyloskopu. Generator ten wytwarza narastające napięcie piłokształtne i zgodnie z nim plamka porusza się od lewej strony ekranu do prawej. Ponieważ ekran ma skończone wymiary, dlatego plamka po dojściu do prawego skraju pola ekranu musi powrócić z powrotem, a napięcie odchylające powinno zmaleć do swej wartości początkowej. Wytworzony w ten sposób sygnał jest piłokształtny. Zasadę powstawania obrazu na ekranie pokazano na rysunku 3. Liniowo narastające napięcie przesuwa plamkę w prawo wzdłuż osi X. Ruch powrotny plamki odbywa się ze skończoną prędkością, co mogłoby spowodować rysowanie na ekranie rozciągniętego w czasie fragmentu przebiegu. Aby temu zapobiec, w czasie trwania ruchu powrotnego plamki do siatki lampy oscyloskopowej doprowadza się ujemny impuls wygaszający strumień elektronów [2, 5].

W trybie pracy X-Y oscyloskopu odchylanie poziome x plamki nie jest sterowane sygnałem z generatora podstawyczasu. Do płytek X-X można podłączyć inny sygnał. W takim trybie pracy oscyloskopu możliwa jest przykładowo obserwacja krzywych Lissajous lub obserwacja charakterystyk elementów nieliniowych, takich jak np. dioda. Odchylenie plamki w osi x jest wówczas zależne od prądu diody, natomiast w osi y od spadku napięcia na diodzie. Podając sygnał przemienny na diodę na ekranie uzyskuje się obraz jej charakterystyki prądowo-napięciowej [2, 5].

W przypadku obserwacji przebiegów czasowych sygnału, obraz tego sygnału na ekranie oscyloskopu powinien być nieruchomy. Można to zrealizować poprzez dobór odpowiedniej częstotliwości generatora podstawy czasu. W przypadku, kiedy badany sygnał jest okresowy, o częstotliwości będącej pełną wielokrotnością częstotliwości napięcia piłokształtnego z generatora podstawy czasu, kolejne obrazy są jednakowe, co stwarza wrażenie nieruchomegoobrazu.

W takim wypadku sygnał generatora podstawy czasu jest zsynchronizowany z badanym sygnałem i oscyloskop działa w trybie pracy synchronicznej. Ustawienie częstotliwości generatora podstawy czasu tak, aby częstotliwość badanego sygnału stanowiła jego pełną wielokrotność, może stwarzać trudności. Z reguły częstotliwość generatora jest ustawianaskokowo i trudno ją zsynchronizować z sygnałem badanym. Można to zrobić korzystając z płynnej regulacji częstotliwości tego generatora, ale wiąże się to z rozkalibrowaniem oznakowanej regulacji skokowej, co uniemożliwia określenie za pomocą oscyloskopu częstotliwości badanego sygnału [2, 5].

Sposobem na unieruchomienie obrazu na ekranie oscyloskopu może być zastosowanie wyzwalanego trybu pracy. Narastanie zbocza napięcia piłokształtnego z generatora podstawy czasu jest inicjowane z układu wyzwalania. Stosującwyzwalaną podstawę czasu chwila wysyłania impulsu inicjującego zbocze napięcia piłokształtnego jest zależna od ustawionego poziomu wyzwalania (ang. trigger level) oraz zbocza (ang. slope) określającego, czy poziom wyzwalania znajduje się na części opadającejlub narastającej sygnału. Widoczny na ekranie obraz przebiegu sygnału zaczyna się od punktu wyzwalania. W takim trybie pracy oscyloskopu jest możliwa obserwacja sygnałów nieokresowychlub sygnałów okresowych o małym współczynniku wypełnienia jak np. impulsy pojawiające się ze stałym okresem. Najczęściej źródłem wyzwalania jest sygnał badany, ale może być nim również sygnał o częstotliwości sieciowej 50 Hz lub sygnał zewnętrzny [2, 5].

Oscyloskop cyfrowy

W oscyloskopie cyfrowym badany sygnał jest przetworzony do postaci cyfrowej za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego A/C i zapamiętany w pamięci oscyloskopu. Zastosowanie techniki cyfrowej umożliwia cyfrowy pomiar parametrów sygnału oraz dodatkowe funkcje jak całkowanie lub różniczkowanie przebiegu, analizę widmową i uśrednianie. Przetworzony sygnał może być zapamiętany, co umożliwia wyświetlenie na ekranie oscyloskopu wielu sygnałów. Na rysunku 2. przedstawiono schemat blokowy typowego oscyloskopu cyfrowego.

Oscyloskopy cyfrowe są wyposażone w wyświetlacz ciekłokrystaliczny LCD, w którym mechanizm sterowaniaplamką jest zupełnie inny niż w oscyloskopach analogowych. Ekran LCD jest matrycą pikseli, które są pobudzane do świecenia wysłaniem przez układ sterujący sygnału na adres odpowiedniego piksela. Wyświetlacze LCD umożliwiają zobrazowanie wielu przebiegów sygnałów w rożnych kolorach jednocześnie. Istotnym zadaniem oscyloskopu jest unieruchomienie i wyświetlenie badanego przebiegu sygnału. W oscyloskopach cyfrowych dzięki zapisaniu spróbkowanego sygnału w pamięci może być on z niej odtwarzany lub zatrzymany w sposóbnaturalny dowolną ilość razy. Zaletą tych oscyloskopów jest możliwość zapamiętywaniabadanych przebiegów i przesyłania ich do urządzeń zewnętrznych przy zastosowaniu interfejsów komunikacyjnych. Dzięki temu jest możliwe sterowanie za pomocą komputera funkcjami, nastawami lub pomiarami oscyloskopu lub przesłanie obrazu z ekranuoscyloskopu do komputera [1, 2].

Oscyloskopy cyfrowe nie są pozbawione wad. Podobnie jak inne układy wykorzystujące cyfrowe przetwarzanie sygnałów, w oscyloskopach cyfrowych należy stosować filtry antyaliasingowe, aby zgodnie z twierdzeniem Shannona nie dopuścić do zjawiska nakładania się widm w przypadku, kiedy w badanym sygnale znajdują się składowe o częstotliwości większej od połowy częstotliwości próbkowania [4].

Częstotliwość próbkowania przetworników A/C stanowi również ograniczenie dla górnej granicy pasma częstotliwości oscyloskopów cyfrowych, która dla najszybszych przetworników nie przekracza kilku gigaherców.

W oscyloskopach cyfrowych są stosowane rozwiązania umożliwiające przetwarzanie sygnałów o dużych częstotliwościach. Jedną z metod jest próbkowanie wieloprzebiegowe, w której sygnał jest próbkowany wielokrotnie, z przypadkowym przesunięciem próbek. Przy stosowaniu tej metody istotne jest, aby punkt startu układu wyzwalania był dokładnie ustalony i stabilny. Zapisując przesunięte w kilku przebiegach próbki otrzymuje się w efekcie zwielokrotnienie liczby próbek przypadających na okres [4].

Inną metodą zwiększenia górnej granicy pasma częstotliwości jest technika „próbkuj i pamiętaj” (ang. Sample and Hold), zgodnie z którą częstotliwość próbkowania jest znacznie mniejsza od częstotliwości badanego sygnału. Sygnał jest próbkowany wielokrotnie i start próbkowania za każdym razem jest przesunięty o określony odcinek czasu. W efekcie przebieg sygnału można odtworzyć. Odtworzenie to jest poprawne w przypadku, kiedy sygnał badany jest okresowy.