MATERIAŁY POMOCNICZE DO WYKŁADU METROLOGIA ELEKTRYCZNA. Wykład 6 OSCYLOSKOPY

Transkrypt

1 MATERIAŁY POMOCNICZE DO WYKŁADU METROLOGIA ELEKTRYCZNA Wykład 6 OSCYLOSKOPY Głównym zadaniem oscyloskopu jest umoŝliwienie obserwacji sygnałów zmiennych w czasie. Oscyloskopy moŝna podzielić na: 1) analogowe, 2) cyfrowe. W oscyloskopie analogowym obraz przebiegu sygnału jest wyświetlany na ekranie lampy oscyloskopowej w czasie rzeczywistym, tzn. plamka świetlna porusza się na ekranie śledząc aktualne zmiany rejestrowanej wielkości w funkcji czasu, lub jednej wielkości w funkcji drugiej wielkości. W oscyloskopie cyfrowym następuje pobieranie próbek wartości chwilowych badanego sygnału w pewnych odstępach czasu, zapamiętanie ich w pamięci cyfrowej i następnie wyświetlanie na ekranie. Lampa oscyloskopowa OSCYLOSKOPY ANALOGOWE Prędkość elektronów w strumieniu i średnica strumienia decydują o jakości obserwowanego obrazu, który moŝna regulować pokrętłami jako JASNOŚĆ (INTENSITY) i OSTROŚĆ (FOCUS). Wyemitowana przez działo elektronowe wiązka elektronów jest odchylana zmiennym polem elektrycznym w dwóch układach odchylania: pionowego - Y (VERTICAL) i poziomego - X (HORIZONTAL).

2 PołoŜenie plamki na ekranie w zaleŝności od przyłoŝonego napięcia do płytek odchylających X i Y oscyloskopu gdy: a) do płytek X i Y przyłoŝono napięcie stałe b) do płytek Y przyłoŝono napięcie zmienne w czasie c) do płytek Y przyłoŝono napięcie zmienne w czasie, a do X napięcie piłokształtne Przebieg na płytkach X powinien mieć liniowy narost i zapewniać niewidoczny powrót plamki do lewego brzegu ekranu oraz być wyzwalanym w odpowiednich momentach. Aby otrzymać stabilny obraz na ekranie oscyloskopu, przebieg na płytkach X powinien być zsynchronizowany z przebiegiem na płytkach Y w taki sposób aŝeby kreślenie przez plamkę obrazu przebiegu rozpoczynało się zawsze w tym samym miejscu okresu przebiegu Y. Impuls wyzwalający jest tworzony jeśli przebieg wyzwalający (T) przekroczy zadany poziom wyzwalania w zadanym kierunku (tu dla zbocza narastającego). Zasada powstawania impulsów wyzwalających (S) na podstawie sygnału wyzwalającego (T) z płytek Y (Y=T): LEVEL - poziom wyzwalania, SLOPE - zbocze Uzyskanie na ekranie oscyloskopu stabilnego obrazu przebiegu czasowego wymaga: podania tego przebiegu na płytki Y, zapewnienia odpowiedniego przebiegu (piłokształtnego) na płytkach X, synchronizacji przebiegu Y z przebiegiem X poprzez impulsy wyzwalające S, określenia sygnału wyzwalającego T i warunków nań nałoŝonych (poziom i zbocze wyzwalania).

3 Schemat blokowy oscyloskopu z zaznaczeniem podstawowych funkcji i standardowych elementów regulacyjnych VERTICAL - blok odchylania pionowego (tor Y) HORIZONTAL - blok odchylania poziomego (tor X) TRIGGER - układ wyzwalania

4 BLOK ODCHYLANIA PIONOWEGO (TOR Y) ang. VERTICAL WEJŚCIE POMIAROWE są wejściami napięciowymi i oznaczone są odpowiednio do toru pomiarowego: Y1, Y2 lub CH1, CH2. W pojedynczym torze pomiarowym moŝna wyróŝnić 3 podstawowe bloki funkcjonalne: układ sprzęgania wejścia, tłumik i wzmacniacz sygnału odchylania pionowego. Parametry toru ustawia się za pomocą trzech regulatorów na płycie czołowej oscyloskopu: 1. Potencjometr przesuwania poziomu zera - POZYCJONOWANIA W PIONIE (VERTICAL POSITION). 2. Przełącznik wielopozycyjny rozciągu pionowego VOLT/DZ (VOLTS/DIV), określany jako CZUŁOŚĆ (SENSITIVITY). Skala opisująca ten przełącznik określa ile V (mv, µv) napięcia przypada na pojedynczą działkę. 3. Przełącznik sprzęgania wejścia z torem Y (COUPLING). MoŜna go ustawić w jednym z trzech połoŝeń opisanych jako AC, GND, DC. PołoŜenie AC - blokowanie składowej stałej sygnału. W połoŝeniu GND wejście jest zwarte do masy, a sygnał z wejścia pomiarowego jest odłączony. Pozwala to na ustalenie poziomu zerowego na ekranie. W połoŝeniu DC, sygnał podawany jest bezpośrednio na dalsze układy bez eliminacji składowej stałej ani Ŝadnych innych. BLOK ODCHYLANIA POZIOMEGO (TOR X) ang. HORIZONTAL Do nastawiania postawy czasu w osi X słuŝy przełącznik rozciągu poziomego CZAS/DZ (TIME/DIV). Skala tego przełącznika określa ile sekund (milisekund, mikrosekund) potrzeba aby plamka świetlna przemieściła się w poziomie na odległość 1 działki (kratki). Do przesuwania obrazu w poziomie słuŝy pokrętło POZYCJONOWANIE OBRAZU W POZIOMIE (HORIZONTAL POSITION). 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 ang. TRIGGER Układ wyzwalania generatora rozciągu formuje impulsy wyzwalające generator podstawy czasu w momentach zaleŝnych 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).

5 PołoŜenie WEWN (CH1) oznacza, Ŝe moment wyzwalania będzie uzaleŝniony od charakteru zmienności obserwowanego sygnału. W ustawieniu EXT momenty wyzwalania będą zdeterminowane własnościami zewnętrznego sygnału podawanego na WEJŚCIE WYZWALAJĄCE (EXT TRIG IN) oscyloskopu. W ustawieniu LINE momenty wyzwalania będą zdeterminowane przez własności sygnału sieci zasilającej 220V 50Hz. Przełącznik ŹRÓDŁO WYZWALANIA (TRIGGER SOURCE) pozwala wybrać sygnał, którego własności decydują o momentach generowania impulsów wyzwalających. Są one określony 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 powyŝej tego poziomu (na zboczu narastającym) czy poniŝej tego poziomu (na zboczu opadającym). W trybie AUTO układ generuje impulsy wyzwalające, ale obraz moŝe być niestabilny. Do podstawowych pomiarowych parametrów oscyloskopu analogowego naleŝą: Pasmo i czas narastania. Określa ono jak wiernie jest odtworzony oglądany przebieg. W oscyloskopie analogowym czas narastania i pasmo powiązane są wzorem: 0,35 t r = f gdzie: t r - czas narastania [ns], f 2 - górna częstotliwość przenoszona pasma 3 db [MHz]. Zakres napięć wejściowych toru Y i toru X, określony prze minimalna i maksymalną czułość. Górny zakres moŝna rozszerzać zewnętrznymi sondami napięciowymi dzielnikami napięcia). Rezystancja wejściowa. Z reguły jest to 1 MΩ, z równoległą pojemnością od kilku do kilkudziesięciu pf, lub 50 Ω (głównie w oscyloskopach o paśmie ponad 200 MHz). Liczba torów (kanałów) wejściowych (jednokanałowe, dwukanałowe, wielokanałowe). Tryb pracy: a) z jednym kanałem, b) z dwoma lub wieloma kanałami równocześnie, c) sumowania sygnałów wejściowych d) X-t i X-Y. 2

6 OSCYLOSKOPY CYFROWE Fragment płyty czołowej dwukanałowego oscyloskopu cyfrowego

7 W strukturze oscyloskopu cyfrowego moŝna wyróŝnić: tor Y (blok odchylania pionowego, ang. VERTICAL); tor X (blok odchylania poziomego, ang. HORIZONTAL) układ wyzwalania (ang. TRIGGER) blok sterowania procesem akwizycji (ang. RUN CONTROL) blok konfigurujący tryb pracy i inne funkcje oscyloskopu, tworzący grupę przycisków oznaczoną na płycie czołowej jako MENU. UmoŜliwiają one - sterowanie procesem próbkowania przebiegu (ang. ACQUIRE), - sposobem wyświetlania próbek (ang. DISPLAY), - odczytu za pomocą kursorów (ang. CURSOR), - pomiaru wybranych parametrów przebiegu (ang. MEASURE), - zapisu i odczytu zapamiętanych przebiegów (ang. STORAGE) oraz - dodatkowych funkcji (ang. UTILITY). Na płycie czołowej znajduje się takŝe kilka klawiszy kontekstowych, których funkcja jest określona przez informację wyświetlaną na ekranie oscyloskopu. Wszystkie współczesne oscyloskopy cyfrowe wyposaŝone są przycisk AUTO umoŝliwiający, dla większości sygnałów periodycznych, automatyczne i szybkie uzyskanie stabilnego przebiegu na wyświetlaczu oscyloskopu. Oscyloskop cyfrowy typu PDS 5022S firmy OWON

8 Tor Y Wejściowe układy toru Y są identyczne jak w oscyloskopach analogowych. Sygnały wejściowe są przesyłane dalej do przetwornika analogowo-cyfrowego. Blok akwizycji i tor X Z wyjścia wzmacniacza sygnał jest podawany na wejście bardzo szybkiego przetwornika a/c, który próbkuje sygnał analogowy, kwantuje go, a następnie przetwarza skwantowane wartości na ciąg liczb binarnych, zapisanych w odpowiednim kodzie (proces akwizycji). Maksymalna szybkość przetwarzania przetwornika a/c zawiera się w przedziale od kilkuset milionów do kilkudziesięciu miliardów przetworzeń na sekundę. Maksymalna szybkość z jaką oscyloskop moŝe próbkować przebieg jednorazowy (ang. real-time sampling rate) jest drugim, obok pasma przenoszonych częstotliwości, głównym parametrem oscyloskopu cyfrowego. WyraŜana sie ona liczbą przetworzeń w jednostce czasu (ang. MegaSamples per Second, MSa/s lub GigaSamples per Second, GSa/s). Następnie skwantowane próbki sygnału przesyłane są do pamięci operacyjnej. Od jej pojemności (długości rekordu) zaleŝy liczba zapisanych próbek. Im rekord jest dłuŝszy, tym więcej szczegółów badanego przebiegu moŝna zapamiętać oraz później zobrazować. Długość rekordu oscyloskopów zawiera się w przedziale od kilku tysięcy próbek, do kilkudziesięciu milionów próbek. Układ wyzwalania Proces akwizycji jest sterowany sygnałami uzyskiwanymi z układu wyzwalania. W oscyloskopach cyfrowych układ wyzwalania funkcjonuje podobnie jak w oscyloskopach analogowych, lecz jest znacznie bardziej złoŝony. Układ wyzwalania moŝe pracować w jednym z trzech trybów, wybieranych przełącznikiem SWEEP: NORMAL - w którym próbkowanie i akwizycja przebiegu oraz odświeŝanie ekranu oscyloskopu jest realizowane wyłącznie przy obecności sygnału wyzwalającego. Przy braku tego sygnału na ekranie wyświetlany jest przebieg uzyskany przy ostatnim impulsie wyzwalającym; przebieg ten nie jest odświeŝany. AUTO - w którym próbkowanie i akwizycja oraz odświeŝanie ekranu oscyloskopu jest realizowane nie tylko przy obecności sygnału wyzwalającego. Jeśli ten sygnał jest niedostępny przez czas dłuŝszy od kilkudziesięciu milisekund, procesy próbkowania i akwizycji są kontynuowane, a na ekranie uzyskuje się przebieg, ale z reguły niestabilny. Trybu tego nie naleŝy uŝywać do obserwacji sygnałów wolnozmiennych. SINGLE - układ wyzwalania jest inicjowany tylko jeden raz. Po inicjalizacji realizowane jest próbkowanie i akwizycja przebiegu oraz odświeŝenie ekranu oscyloskopu. UŜytkownik musi ponownie zainicjować układ wyzwalania, posługując się odpowiednim przełącznikiem.