Obsługa oscyloskopu

Praca kontrolna z pracowni elektrycznej i elektronicznej

Temat pracy kontrolnej:
Obsługa oscyloskopu

Pomiar częstotliwości przy pomocy oscyloskopu.

Zastosowanie oscyloskopu do pomiaru częstotliwości z wykorzystaniem podziałki generatora podstawy czasu.

Zastosowanie oscyloskopu do pomiaru częstotliwości z użyciem generatora częstotliwości wzorcowej.

Obsługa oscyloskopu.
Oscyloskop jest uniwersalnym przyrządem pomiarowym, stosowanym do obserwacji odkształconych przebiegów elektrycznych i pomiaru ich parametrów. Odpowiednio dobrany układ pracy oscyloskopu pozwala nie tylko mierzyć parametry przebiegu odkształconego, ale również zdejmować charakterystyki statyczne i dynamiczne przyrządów elektronicznych, mierzyć przesunięcie fazowe, rezystancję dynamiczną i inne.

Budowa i obsługa oscyloskopu analogowego
Obok bloków funkcjonalnych składających się na układ poziomego odchylania wiązki w czasie oraz pojedynczy tor pomiarowy (zazwyczaj torów tych jest więcej), zaznaczono podstawowe pokrętła i przełączniki występujące na panelu czołowym większości oscyloskopów. Ich znajomość jest niezbędna dla prawidłowego posługiwania się tym przyrządem. Rolę poszczególnych bloków konstrukcyjnych oraz możliwości regulacji podstawowych nastaw omówiono poniżej (w nawiasach podane jest nazewnictwo angielskie).

Lampa oscyloskopowa
Głównym elementem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa. Na jej ekranie powstaje obraz świetlny obserwowanych sygnałów lub wielkości. Obraz świetlny widoczny na ekranie oscyloskopu jest wynikiem bombardowania ruchomą wiązką elektronów warstwy luminoforu pokrywającego wewnętrzną powierzchnię ekranu. Źródłem wiązki jest działo elektronowe. Katoda emituje elektrony, które następnie przyspieszane są w polu elektrycznym kolejnych anod działa elektronowego. Parametry wiązki takie jak prędkość elektronów w strumieniu i średnica strumienia decydującego o jakości obserwowanego obrazu można regulować pokrętłami panelu czołowego opisanymi jako JASNOŚĆ (INTENSITY) i OSTROŚĆ (FOCUS).
Wyemitowana przez działo elektronowe wiązka jest następnie odchylana zmiennym polem elektrycznym w dwóch układach odchylania: pionowego-Y (VERTICAL) i poziomego-X (HORIZONTAL). Zmiany pola elektrycznego w układach odchylania, wymuszone zmianami napięcia przyłożonego do płytek odchylających, powodują, że wiązka elektronów uderza, w co raz to inne punkty ekranu powodując ruch plamki świetlnej obserwowany jako obraz oscyloskopowy.


Jak wynika z budowy lampy oscyloskopowej oraz wcześniejszych rozważań nad rejestracją przebiegów odkształconych, dla uzyskania dwuwymiarowego obrazu, potrzebne są dwa układy sterowania wiązką (plamką świetlną), pionowy i poziomy. Z tego względu elementy regulacyjne na płycie czołowej oscyloskopu można podzielić na dwa podstawowe zestawy: zestaw sterujący ruchem plamki świetlnej w pionie (VERtical)- związany z ustawianiem parametrów torów pomiarowych oscyloskopu oraz zestaw sterujący ruchem plamki świetlnej w poziome (HORIZONTAL)- związany z regulacją i wyzwalaniem podstawy czasu. Często w drugim zestawie samo wyzwalanie ujęte jest w osobnym zestawie wyzwalania podstawy czasu (trigger).
Poziomy ruch plamki świetlnej w czasie
Jeżeli przedmiotem pomiaru są parametry przebiegów odkształconych w czasie, to para płytek odchylania poziomego (X) wiązki jest sterowana z układu poziomego odchylania wiązki w czasie. Sygnał napięciowy sterujący odchylaniem wiązki w poziomie jest przebiegiem piłokształtnym. Po wystąpieniu impulsu wyzwalającego na wejściu generatora rozciągu, w czasie roboczym plamka świetlna przesuwa się ze stałą prędkością poziomą od lewej do prawej krawędzi ekranu w miarę jak rośnie liniowo napięcie między elektrodami. Po osiągnięciu prawej krawędzi ekranu, plamka świetlna jest wygaszana sygnałem sterującym działem elektronowym, a malejące napięcie między elektrodami powoduje powrót plamki do lewej krawędzi ekranu. Dodatkowy odstęp czasu zarezerwowany jest na wystąpienia stanów nieustalonych. Czas powrotu plamki i rezerwa na stany nieustalone stanowią czas martwy w cyklu pracy układu poziomego odchylania wiązki. Wszystkie impulsy wyzwalające, które wystąpią na wejściu generatora podstawy czasu w czasie pracy lub w czasie martwym są ignorowane.
Do nastawiania wartości czasu roboczego służy przełącznik wielopozycyjny rozciągu poziomego czas/dz. (TIME/DIV) regulujący częstotliwość drgań generatora podstawy czasu. Skala opisująca ten przełącznik określa ile sekund (milisekund, mikrosekund) potrzeba, aby plamka świetlna przemieściła się w poziomie na odległość równą pojedynczej działce (kratce) na osi odciętych. Z przełącznikiem tym związane jest pokrętło potencjometru, zamocowane na wspólnej osi lub niezależnie opisane jako REGULACJA PŁYNNA (VARIABLE). W niektórych rozwiązaniach występuje również przełącznik opisany jako REGULACJA KALIBROWANA/PŁYNNA (CAL/VAR). Elementy te, pokrętło lub przełącznik, decydują o tym czy praca odbywa się z czasem kalibrowanym czy też z nie kalibrowanym. Jeżeli czas jest kalibrowany (zerowe położenie pokrętła lub położenie CAL przełącznika) to jednostkowej działce poziomej ekranu odpowiada odcinek czasu ustawiony na przełączniku rozciągu poziomego (TIME/DIV) i można mierzyć parametry czasowe (lub częstotliwościowe) rejestrowanych przebiegów. Jeżeli czas nie jest kalibrowany (położenie VAR przełącznika lub niezerowe położenie pokrętła) to nie wiadomo, jaki odcinek czasu odpowiada pojedynczej poziomej działce ekranu i pomiar czasu nie jest możliwy. Przy pomiarach parametrów czasowych sygnału wygodnie jest przesunąć obraz w poziomie, tak, aby wybrane punkty sygnału odpowiadały położeniom działek na ekranie. Do tego celu służy pokrętło pozycjonowanie obrazu w poziomie (horizontal position).
Poziomy ruch plamki świetlnej po ekranie rozpoczyna się od lewej krawędzi po wystąpieniu na wejściu generatora podstawy czasu impulsu wyzwalającego. We współczesnym oscyloskopie analogowym istnieją przynajmniej dwa tryby wyzwalania automatyczny i normalny. Wyboru trybu wyzwalania dokonuje się przełącznikiem tryb wyzwalania (trigger mODE) ustawiając go w pozycji AUTO lub NORM. W trybie automatycznym (auto) impulsy wyzwalające generowane są przez układy automatycznej pracy oscyloskopu. W trybie normalnym (NORM) impulsy wyzwalające są generowane przez układ wyzwalania generatora rozciągu.
Układ wyzwalania generatora rozciągu formuje impulsy wyzwalające generator podstawy czasu w momentach uzależnionych od wybranego źródła wyzwalania oraz ustawionych: zbocza wyzwalającego i poziomu wyzwalania. Wyboru źródła wyzwalania dokonuje się przełącznikiem źródło wyzwalania (tRiGGer source) ustawiając je w jedną z pozycji WEWN (CH1), ZEWN (EXT), SIEĆ (LINE). Położenie CH1 oznacza, że moment wyzwalania będzie uzależniony od charakteru zmienności obserwowanego sygnału (jeżeli oscyloskop posiada kilka torów pomiarowych istnieje możliwość wybrania któregoś z torów jako źródła sygnału wyzwalającego). W ustawieniu EXT momenty wyzwalania będą zdeterminowane własnościami zewnętrznego sygnału podawanego na wejście wyzwalające (EXT TRIG IN) oscyloskopu. Wreszcie w ustawieniu LINE momenty wyzwalania będą zdeterminowane przez własności sygnału sieci zasilającej 220V 50Hz.
Przełącznik źródło wyzwalania (tRiGGer source) pozwala wybrać sygnał, którego własności zadecydują o momentach generowania impulsów wyzwalających. Sam moment wyzwalania jest zdeterminowany pozycją przełącznika ZBOCzE (SLOPE) oraz pokrętła POZIOM (TRIGGER LEVEL). Pokrętło POZIOM decyduje, przez jaki poziom musi przejść sygnał wyzwalający, aby nastąpiła generacja impulsu wyzwalającego. Przełącznik ZBOCzE decyduje czy będzie to przejście powyżej tego poziomu (na zboczu narastającym) czy poniżej tego poziomu (na zboczu opadającym). Odpowiedni dla danego pomiaru wybór sygnału wyzwalającego oraz ustalenie zbocza wyzwalającego i poziomu wyzwalania są warunkami uzyskania stabilnego obrazu w pomiarach oscyloskopowych sygnałów powtarzalnych. Jeżeli poziom wyzwalania (TRIGger LEVEL) jest zbyt wysoki lub zbyt niski w stosunku do zakresu zmienności sygnału wyzwalającego to w trybie NORM nie następuje generacja impulsów wyzwalających i nie pojawia się obraz na ekranie oscyloskopu natomiast w trybie AUTO zaczyna pracować układ pracy automatycznej, który generuje impulsy wyzwalające, dzięki czemu obraz na ekranie utrzymuje się, choć nie musi być stabilny.
Pionowy ruch plamki świetlnej sterowany rejestrowanym przebiegiem
Przy obserwacji przebiegów odkształconych, rejestrowany sygnał zmienny w czasie jest podawany na płytki odchylania pionowego. Wskutek zmienności w czasie sygnału podawanego na wejście pomiarowe (oznaczone odpowiednio do toru pomiarowego Y1, Y2 lub ch1, ch2; są to wejścia napięciowe) zmienia się pole elektryczne między płytkami odchylania pionowego, co obserwuje się jako ruch plamki świetlnej w kierunku pionowym. W pojedynczym torze pomiarowym można wyróżnić 3 podstawowe bloki funkcjonalne: układ sprzęgania wejścia, tłumik i wzmacniacz sygnału odchylania pionowego.
Regulacja parametrów pojedynczego toru pomiarowego odbywa się za pomocą trzech podstawowych elementów panelu czołowego oscyloskopu. Pierwszym jest potencjometr przesuwania poziomu zera - pozycjonowania w pionie (VERTICAl position). Umożliwia on przesuwanie obrazu w pionie, tak, aby wybrane punkty sygnału odpowiadały położeniom działek osi rzędnych na ekranie. Drugi z elementów to przełącznik wielopozycyjny rozciągu pionowego volt/dz. (volts/DIV), określany jako czułość (SENSITIVity) Skala opisująca ten przełącznik określa ile volt (milivolt, mikrovolt) obrazowanego napięcia przypada na pojedyncza działkę osi rzędnych ekranu. Z przełącznikiem tym związane jest pokrętło potencjometru, z reguły zamocowane na wspólnej osi pozwalające płynnie zmieniać wartość napięcia odpowiadającą pojedynczej działce (kratce) pionowej ekranu. Położenie tego pokrętła decyduje czy napięcie mierzone jest kalibrowane czy nie. Jeżeli napięcie jest kalibrowane (zerowe położenie pokrętła) to jednej działce pionowej ekranu odpowiada wartość mierzonego napięcia ustawiona na przełączniku rozciągu pionowego (volts/DIV) i można oceniać parametry napięciowe rejestrowanego przebiegu. Jeżeli napięcie nie jest kalibrowane (niezerowe położenie pokrętła) to nie wiadomo, jaka zmiana napięcia odpowiada pojedynczej pionowej działce ekranu. Trzecim elementem regulacyjnym jest przełącznik decydujący o sposobie sprzęgania wejścia (COUPLING). Standardowo można go ustawić w jednym z trzech położeń opisanych, jako AC, GND, DC. Położenie AC oznacza blokowanie składowej stałej sygnału i jest użyteczne przy obserwacji małych odkształceń sygnałów o dominującej składowej stałej. Po zablokowaniu składowej stałej, małe odkształcenia można obserwować przy ustawionej dużej rozdzielczości napięciowej, przez co są one lepiej widoczne. W położeniu GND sygnał z wejścia pomiarowego jest odłączony a wejście toru pomiarowego jest zwarte do masy oscyloskopu. Pozwala to na ustalenie poziomu zerowego na ekranie. W trzecim położeniu DC, sygnał podawany jest bezpośrednio na dalsze układy bez eliminacji składowej stałej ani żadnych innych.
Trzy podstawowe, wymienione wyżej elementy regulacyjne są niezależne dla każdego toru pomiarowego oscyloskopu i powielone tyle razy ile torów pomiarowych posiada oscyloskop. Czasami można spotkać dodatkowe elementy regulacyjne dla wybranych kanałów takie jak przełącznik INWERSJA (NORM/INV) pozwalający na zwierciadlane odbicie sygnału napięciowego względem poziomu 0, lub przełącznik x1/x5 umożliwiający dodatkowe powielenie lub podzielenie sygnału wejściowego w stosunku do nastaw przełącznika rozciągu pionowego.
Pomiary dwukanałowe
Współczesne oscyloskopy posiadają z reguły przynajmniej dwa tory pomiarowe, co umożliwia równoczesną obserwacje dwóch przebiegów. Wyboru obserwowanego sygnału dokonuje się ustawiając odpowiednio przełącznik wyboru toru pomiarowego oznaczany z reguły MODE (w grupie vertical). Bardziej rozbudowane wersje oscyloskopów oprócz pomiarów z pojedynczych kanałów (położenia CH1, CH2 przełącznika MODE), pomiaru z dwóch kanałów jednocześnie (położenie DUAL przełącznika MODE), pozwalają również na wykonywanie pewnych operacji na sygnałach np. ich dodawanie (ADD), odejmowanie, mnożenie itp. Z istnieniem więcej niż jednego kanału pomiarowego wiąże się również zwiększenie liczby położeń przełącznika źródła wyzwalania (TRIGGER SOURCE), tak aby można było wyzwalać oscyloskop z każdego kanału lub pewnym sygnałem wypadkowym.
Z obserwacją dwóch sygnałów jednocześnie związany jest dodatkowy problem konstrukcyjny, występujący przy tworzeniu obrazu dwóch przebiegów na ekranie oscyloskopu. Jeżeli konstrukcja lampy oscyloskopowej umożliwia emisję i sterowanie dwóch strumieni elektronów (dwóch plamek świetlnych) to każdy z kanałów pomiarowych steruje odchylaniem jednego ze strumieni (lampę oscyloskopową o takich własnościach nazywamy lampą dwustrumieniową). Jeżeli oscyloskop nie jest wyposażony w lampę dwustrumieniową, to jest on wyposażony w układ przełączania umożliwiający pracę w jednym z dwóch trybów, przełączanym (ALT) lub siekanym (CHOP). Tryb przełączany oznacza, że pionowym odchylaniem plamki świetlnej steruje, w jednym poziomym przejściu plamki przez ekran, sygnał z toru pomiarowego 1, a w następnym sygnał toru pomiarowego 2. W trybie siekanym, w ramach jednego poziomego przejścia plamki przez ekran sterowanie jest przełączane z dużą częstotliwością pomiędzy torami pomiarowymi 1 i 2. Tryb pracy układu przełączania jest wybierany odpowiednim przełącznikiem na płycie czołowej oscyloskopu (ALT/CHOP) lub może być związany z położeniem przełącznika rozciągu poziomego i zdeterminowany przez wybór podstawy czasu. Jeżeli wybór trybu pracy układu przełączania dokonywany jest niezależnym przełącznikiem płyty czołowej to zaleca się wybór pracy w trybie siekanym dla sygnałów o małej częstotliwości (nastawy przełącznika rozciągu poziomego na wartości powyżej 10 ms/div), a wybór pracy w trybie przełączanym dla sygnałów o dużej częstotliwości (nastawy przełącznika rozciągu poziomego na wartości poniżej 0.1 ms/div). Dla nastaw pośrednich można wybrać jeden z trybów, przy czym tryb siekany daje stabilniejszy obraz. Zalecenia odnośnie wyboru trybu pracy układu przełączania wynikają z możliwości uzyskania stabilnego obrazu.
W oscyloskopach dwukanałowych istnieje z reguły możliwość takiego skonfigurowania przyrządu, aby sygnał jednego toru pomiarowego sterował odchylaniem plamki w pionie, a drugiego toru odchylaniem plamki w poziomie. Ten tryb pracy oscyloskopu (bez wyzwalania podstawy czasu), nazywany XY, jest szczególnie użyteczny w przypadku pomiarów przesunięcia fazowego (figury Lissajous), rezystancji dynamicznej oraz obrazowania charakterystyk statycznych i dynamicznych elementów elektronicznych.
Możliwości pomiarowe oscyloskopów można rozszerzyć również przez zastosowanie odpowiednich sond pomiarowych dołączanych do wejść pomiarowych.
Rodzaje oscyloskopów
Produkowane obecnie oscyloskopy można podzielić na cztery (omówione poniżej) grupy:
Oscyloskopy analogowe
W oscyloskopie analogowym obraz przebiegu jest rysowany na ekranie lampy oscyloskopowej w czasie rzeczywistym, tzn. plamka świetlna porusza się na ekranie śledząc zmiany rejestrowanej wielkości z upływem czasu, lub jednej wielkości w funkcji drugiej wielkości.
Do podstawowych pomiarowych parametrów oscyloskopu analogowego należą:
- pasmo oscyloskopu i czas narastania
- współczynnik odchylania
- współczynnik czasu
- liczba torów wejściowych
- parametry lampy oscyloskopowej
Większość współczesnych oscyloskopów posiada przynajmniej dwa tory wejściowe (kanały wejściowe) co umożliwia jednoczesną obserwację dwu różnych przebiegów i ich wzajemne porównywanie. Osiąga się to przez zastosowanie jednego z dwu rozwiązań technicznych: dwustrumieniowej lampy oscyloskopowej lub przełącznika elektronicznego, który przełącza lampę oscyloskopową miedzy przebiegami torów. Rejestracja pojedynczych przebiegów, (wyzwalanych jednorazowo) jest możliwa na oscyloskopie analogowym jedynie przy zastosowaniu dodatkowego wyposażenia, np. sprzężonego aparatu fotograficznego.
Oscyloskopy analogowe z lampą pamiętającą
Są to oscyloskopy analogowe wyposażone w lampę o specjalnej konstrukcji (lampę pamiętającą) która oprócz zwykłej obserwacji obrazu (jak w oscyloskopie analogowym) umożliwia zapamiętanie wewnątrz lampy obrazu przebiegu i wyświetlanie go przez pewien czas na ekranie. Podstawowe parametry takiej lampy to:
rodzaj pamięci: bistabilna lub o zmiennym czasie poświaty;
czas pamiętania;
szybkość rysowania wyrażona w cm/ s;
Oscyloskopy próbkujące
Przeznaczone są do pomiarów bardzo szybkich przebiegów okresowych. Działanie oscyloskopu próbkującego polega na sukcesywnym pobieraniu próbek sygnału kolejno z innego fragmentu przebiegu za każdym następnym okresem, a następnie złożeniu obrazu z próbek i wyświetleniu go na ekranie. Umożliwia to poszerzenie pasma oscyloskopu, ale oscyloskopy takie maja z reguły 50 impedancję wejściową (bardziej obciążają obiekt mierzony).
Stosowane są trzy metody próbkowania:
- próbkowanie sekwencyjne (sequential sampling)
- próbkowanie przypadkowe (random sampling)
- próbkowanie w czasie rzeczywistym (real time sampling)
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. Działanie oscyloskopu cyfrowego polega na pobieraniu próbek badanego sygnału równych jego wartości chwilowej w momencie próbkowania, oraz po zamianie wartości próbki na słowo cyfrowe zapamiętanie go w pamięci cyfrowej. Dla przebiegów okresowych próbkowanie odbywa się metodami identycznymi jak w przypadku oscyloskopu próbkującego, dla przebiegów pojedynczych nieodzowne jest próbkowanie w czasie rzeczywistym co znacznie ogranicza pasmo oscyloskopu. Sygnał odczytywany z pamięci jest wyświetlany w sposób stabilny na ekranie. Istotnymi zaletami powodującymi ekspansję obszaru zastosowań oscyloskopów cyfrowych są: możliwość matematycznej obróbki zapamiętanych sygnałów i automatyzacji pomiaru różnych cech sygnału (analizatory przebiegów), możliwość zapamiętywania i przesyłania sygnałów na duże odległości, możliwość sprzęgania oscyloskopu z systemami pomiarowymi, możliwość barwnej prezentacji wielu przebiegów na monitorze z kolorową lampą kineskopową i inne. Główne parametry oscyloskopów cyfrowych to:
pasmo dla przebiegów jednorazowych (graniczna częstotliwość próbkowania)
pasmo dla przebiegów powtarzalnych
zdolność rozdzielacza w kierunku osi poziomej i pionowej (rozdzielczość stosowanego przetwornika analogowo-cyfrowego)
Ze względu na znaczne możliwości związane z cyfrową obróbką sygnału i jego zapamiętywaniem oraz malejące ceny układów dużej skali integracji oscyloskopy cyfrowe stają się coraz popularniejsze.