Zastosowanie współczesnego oscyloskopu katodowego w miernictwie 1. Zasada działania oscyloskopu i jego budowa

Transkrypt

1 Zastosowanie współczesnego oscyloskopu katodowego w miernictwie 1. Zasada działania oscyloskopu i jego budowa Oscyloskop elektroniczny jest przyrządem słuŝącym do wizualnej obserwacji odwzorowań przedstawiających zaleŝności funkcyjne między dwoma lub kilkoma zmiennymi wielkościami fizycznymi. Najczęstszym zastosowaniem oscyloskopu jest odwzorowanie obrazowe zmian wielkości fizycznej przetworzonej na zmiany sygnału napięciowego jako funkcji czasu. Podstawową częścią oscyloskopu, którego schemat blokowy przedstawia rys. 1 jest lampa oscyloskopowa, na której ekranie powstaje obraz świetlny badanych wielkości fizycznych. W tylnej zwęŝonej części balonu znajduje się zespół elektrod zwany działem elektronowym lub wyrzutnią elektronową. Dalej umieszczone są 2 pary płytek odchylających. Całość umieszczona jest w balonie szklanym, w którym utrzymywana jest wysoka próŝnia. Na przedniej rozszerzonej części balonu znajduje się ekran luminescencyjny. Zadaniem działa elektronowego jest wytworzenie strumienia elektronów, który skupia się na powierzchni ekranu w postaci małego punktu. Ekran pokryty jest substancją zwaną luminoforem. Luminofor pod wpływem bombardowania elektronami wysyła wiązkę światła. Jaskrawość punktu świetlnego zaleŝy od szybkości i natęŝenia prądu w wiązce, które moŝe być regulowane przez zmianę ujemnego napięcia na siatce sterującej lampy elektronowej. Przez zmianę napięcia na odpowiedniej elektrodzie (lub elektrodach) działa uzyskuje się regulację ostrości plamki świetlnej. Pokrętła regulacji jaskrawości, ostrości i astygmatyzmu znajdują się na płycie czołowej oscyloskopu. Po opuszczeniu działa strumień elektronów przechodzi pomiędzy pierwszą parą płytek odchylających, które umieszczone są w płaszczyźnie poziomej. Doprowadzone do płytek napięcie powoduje odchylenie strumienia elektronów w stronę płytki bardziej dodatniej, w wyniku czego plamka świetlna przesunie się na ekranie w kierunku pionowym (płytki odchylania pionowego - Y). Następnie strumień elektronów przechodzi między płytkami umieszczonymi w płaszczyźnie pionowej. 1

2 Rys. 1. Schemat blokowy oscyloskopu 2. Podstawowe parametry oscyloskopu Miarą jakości oscyloskopu są m.in. parametry wzmacniacza: pasmo przenoszonych częstotliwości - w większości oscyloskopów dolna częstotliwość wynosi 0 Hz, a górna zaś kilkaset do ok. 500 MHz. czułość oscyloskopu - napięcie międzyszczytowe U pp jakie naleŝy doprowadzić do wejścia Y, aby na ekranie uzyskać obraz o wysokości 1 cm - w większości oscyloskopów od kilku mv/cm do kilkudziesięciu V/cm. impedancja wejściowa - najczęściej 1 MΩ + równolegle dołączona pojemność pf. 2

3 3. Liniowa podstawa czasu Liniowo narastające napięcie przesuwa plamkę w prawo wzdłuŝ osi X. Ruch ten nazywamy ruchem roboczym, schemat napięcia piłokształtnego przedstawia rys. 2. U U p U=a*t t t r tp t m t o t Rys. 2. Parametry napięcia piłokształtnego gdzie: t r - czas roboczy, t p - czas powrotu, t m - czas martwy ( czas w czasie którego wyzwalanie generatora podstawy czasu jest niemoŝliwe), t o - czas oczekiwania na kolejny impuls wyzwalający, t - minimalny czas powtarzania, a - średnia szybkość narastania napięcia piłokształtnego w części roboczej. Ruch powrotny plamki odbywa się ze skończoną prędkością (zazwyczaj większą niŝ ruch roboczy). Na rys. 3 przedstawiono sposób powstawania obrazu na ekranie przy sterowaniu płytek X napięciem piłokształtnym. W celu umoŝliwienia obserwacji obrazu na ekranie oscyloskopu, piłokształtne napięcie podstawy czasu musi powtarzać się zgodnie z doprowadzonym sygnałem, co zapewnia wielokrotne pojawianie się obrazu w tym samym miejscu. Pojawianie się nieruchomego (dla ludzkiego oka) obrazu na ekranie oscyloskopu zapewnia zgodność wzajemnego połoŝenia napięcia podstawy czasu i doprowadzanego sygnału. Zgodność ta jest warunkiem koniecznym nałoŝenia się na siebie kolejnych obrazów. Zgodność tę zapewniają układy synchronizacji i wyzwalania. W nowoczesnych oscyloskopach stosowane są 3 rodzaje podstaw czasu: jednorazowa podstawa czasu, synchronizowana lub samobieŝna podstawa czasu, wyzwalana, wielokrotna podstawa czasu. 3

4 Rys. 3. Powstawanie obrazu na ekranie przy sterowaniu płytek X napięciem piłokształtnym 4. Jednorazowa podstawa czasu Zgodnie z nazwą sygnał odchylania poziomego jest doprowadzony jednorazowo do płytek X dając jednorazowy ruch w prawo i z powrotem. Jej zasadę działania przedstawiono na rys 4. 4

5 Rys. 4. Jednorazowa podstawa czasu Obraz na ekranie moŝe być zarejestrowany na kliszy fotograficznej lub moŝe być utrzymywany przez pewien czas na ekranie z długą poświatą albo na ekranie lampy pamiętającej. Wyzwalanie jednorazowej podstawy czasu moŝe dokonywać się z zewnątrz lub wewnętrznie - przez sygnał mierzony. Jednorazowa podstawa czasu jest stosowana przy pomiarach zjawisk nieokresowych, takich jak przebicia i wyładowania, zjawiska przy przełączeniach napięć oraz prądów, itp. 4.1 Linia opóźniająca Jak widać z rys.4 w klasycznym rozwiązaniu wyzwalania generatora podstawy czasu występują straty części obrazu przedstawiającego przednie zbocze mierzonego sygnału. Przy bardzo stromych zboczach moŝe ich w ogóle nie być widać. W celu uwidocznienia przedniego zbocza stosuje się w torze Y linie opóźniającą - jej umiejscowienie w torze odchylania Y oscyloskopu przedstawia rys.5 - (o stałych skupionych LC lub specjalne kable o duŝym opóźnieniu na jednostkę długości). Rys. 5. Umiejscowienie linii opóźniającej w torze Y oscyloskopu 5

6 Czas opóźnienia powinien pokryć: czas opóźnienia startu podstawy czasu, początkowy, nieliniowy odcinek podstawy czasu, czas konieczny na pełne rozjaśnienie obrazu. 5. Synchronizowana lub samobieŝna podstawa czasu Układy samobieŝnej podstawy czasu wytwarzają niezaleŝnie od obecności sygnału Y okresowy przebieg piłokształtny, który rysuje linię poziomą na ekranie ( patrz rys. 6). Z chwilą pojawienia się okresowego sygnału w torze Y, układy synchronizacji powinny tak przystosować okres napięcia piłokształtnego, aby był on wielokrotnością okresu doprowadzonego sygnału Y - co zapewni nieruchomy obraz na ekranie. Rys. 6. Działanie synchronizowanej podstawy czasu 6. Wyzwalana podstawa czasu Pomiar czasu trwania dowolnego przebiegu lub jego fragmentu, niezaleŝnie od czasu trwania i współczynnika wypełnienia przebiegu jest moŝliwy za pomocą wyzwalanej podstawy czasu, którą mają obecnie nawet najprostsze oscyloskopy ( rys. 7). W czasie nieobecności sygnału Y podstawa czasu nie pracuje, plamka wygaszona oczekuje z lewej strony ekranu. Przychodzący sygnał Y, po osiągnięciu odpowiedniego poziomu, wytwarza impuls, który wyzwala jednorazowo podstawę czasu. Na płycie czołowej oscyloskopu znajduje się przełącznik polaryzacji sygnału wyzwalającego impulsy startujące generator podstawy czasu, jak równieŝ pokrętło do wybierania poziomu wyzwalania. 6

7 Rys. 7. Wyzwalana podstawa czasu 7. Oscyloskopy z lampami wielostrumieniowymi. Przełącznik elektroniczny Często zachodzi potrzeba jednoczesnej obserwacji dwu lub więcej przebiegów napięcia. Problem ten rozwiązano dwoma sposobami: a) oscyloskopy z lampami wielostrumieniowymi (dwa lub więcej dział elektronowych z płytkami odchylającymi, strumienie skierowane na ten sam ekran). Wady: róŝnice w budowie dział, systemów odchylających, układach sterujących. Zalety: moŝliwość obserwacji i fotografowania jednocześnie występujących 2 przebiegów jednorazowych. b) przełącznik elektroniczny - lampa oscyloskopowa jest jednostrumieniowa, zaś przełącznik elektroniczny przełącza sygnały z kilku źródeł na wspólny tor sterujący lampą. Wady: niemoŝliwość obserwacji 2 szybkich przebiegów jednorazowych. Zalety: tańsza lampa oscyloskopowa, prostsze układy sterowania, idealna zgodność wszystkich przebiegów w czasie. jego zasadę działania przedstawia rys. 8. 7

8 We. A We. A We. B We. B podstawa czasu n-ty przebieg n+1 przebieg Rys. 8. Przełącznik elektroniczny Przełącznik elektroniczny moŝe pracować w dwojaki sposób: praca przemienna (alternatywna) - przełączanie kanałów ma miejsce w czasie ruchu powrotnego plamki na ekranie odbywa się co kaŝdy ruch powrotny. A więc raz jest rysowany przebieg z kanału A, a następnie przebieg z kanału B. praca siekana (chopper) - przełącznik elektroniczny przełącza się wielokrotnie w trakcie rysowania z jednego kanału na drugi. 8. Modulacja jaskrawości (oś Z) Przez analogie do przebiegów doprowadzanych do lampy oscyloskopowej w kierunku osi X i Y, zapis informacji dokonywany przez modulację jaskrawości (zmianę natęŝenia strumienia elektronów) nosi nazwę zapisu w kierunku osi Z - schemat układu modulacji jaskrawości przedstawia rys. 9. Modulacja jaskrawości w telewizji - cała treść obrazu zapisana na osi Z. 8

9 Rys. 9. Modulacja jaskrawości W oscyloskopie do wygaszania zewnętrznego uŝywa się przebiegu prostokątnego o ściśle określonej wartości okresu - przebieg składa się z odcinków. 9

10 9. Kalibratory Czułość wejściowa oscyloskopu (wzmacniacza Y) zaleŝy od wielu czynników i dlatego trudno ją utrzymać z duŝą dokładnością przez dłuŝszy okres czasu. Dlatego teŝ, powszechnie stosuje się w praktyce wyprowadzenie na płytę czołową pokrętła okresowej regulacji wzmocnienia (pokręcane przy pomocy wkrętaka). Do regulacji czułości wzmacniacza Y potrzebny jest sygnał o wzorcowej wartości napięcia międzyszczytowego - najwygodniejszy jest przebieg prostokątny z generatora wbudowanego do wnętrza oscyloskopu. 10. Sondy napięciowe a) Przewód współosiowy - ekranowany Schemat przewodu współosiowego przedstawia rys. 11, a jego schemat zastępczy rys. 12. Rys. 10. Schemat przewodu współosiowego Rys. 11. Schemat zastępczy przewodu współosiowego Tłumienie 1:1, duŝa pojemność (ok 100 pf). Przy w.cz. powstają odbicia. Kable współosiowe mają impedancją charakterystyczna: 50 W, 75 W, 60 W (rzadko), 125 W wyznaczaną przy częstotliwości zwykle 200 MHz. Przy przesyłaniu impulsów o bardzo krótkich czasach narastania, kabel taki musi być traktowany jako linia długa: równomiernie rozłoŝone L i C. Prawidłowe (bez odbić) przesyłanie sygnałów kablem współosiowym ma miejsce wtedy, gdy jest on zamknięty na końcu swą rezystancją charakterystyczną. b) Sonda rezystorowa Tłumienie 1:10, pasmo do 3.5 GHz, C we = pf, R we = 500 Ω, czas narastania sygnału 0.1ms. Schemat sondy rezystorowej przedstawia rys. 12. Rys. 12. Schemat sondy rezystorowej 10

11 c) Sonda RC Tłumienie 1:10, C we = 2 15 pf, R we = MΩ, czas narastania sygnału 2 10 ns. Jej schemat został przedstawiony na rys. 14. Rys. 13. Schemat sondy RC Przykłady wykorzystania oscyloskopu w miernictwie 1. Pomiar amplitudy sygnału Przy pomiarze amplitudy sygnału naleŝy zwrócić uwagę na to, aby obraz mierzonego przebiegu zajmował maksymalną wysokość ekranu. Wartość międzyszczytową napięcia U przebiegu wyznaczyć moŝna ze wzoru: U = Y k gdzie: Y wysokość obrazu sygnału na ekranie oscyloskopu, dz lub cm, k wzmocnienie, V/dz lub V/cm. Y Rys. Obraz na ekranie oscyloskopu przy pomiarze amplitudy Wartość skuteczną U napięcia wyznaczyć moŝna ze wzoru: Y k U = 2 2 Przy pomiarze wartości chwilowej naleŝy wyznaczyć wartość napięcia odniesienia (np. połączenie z masą) i ustawić linie odniesienia a następnie podłączyć źródło badanego sygnału. 2. Pomiar częstotliwości sygnału Pomiar częstotliwości sygnału za pomocą oscyloskopu polega na pomiarze jego okresu, a następnie częstotliwość badanego sygnału moŝna wyznaczyć z zaleŝności: f = 1 T x gdzie: T długość odcinka odpowiadająca okresowi badanego sygnału, odczytana z ekranu oscyloskopu, x współczynnik podstawy czasu, s. 11

12 T Rys. Obraz na ekranie oscyloskopu przy pomiarze częstotliwości 3. Pomiar przesunięcia fazowego sygnałów Do pomiaru przesunięcia fazowego sygnałów najwygodniej jest posłuŝyć się oscyloskopem dwukanałowym. U b U a U b U a T T Rys. Pomiar przesunięcia fazowego sygnałów Kąt przesunięcia fazowego wyznacza się z zaleŝności: T ϕ = 2 π T 4. Pomiar częstotliwości przy pomocy figur Lissajous Do pomiaru częstotliwości z wykorzystaniem figur Lissajous potrzebny jest generator wzorcowy. Pomiar polega na porównaniu częstotliwości mierzonego sygnału z częstotliwością sygnału z generatora wzorcowego. Do pomiaru wykorzystywany jest oscyloskop dwukanałowy, w trybie pracy X-Y. Do jednego wejścia oscyloskopu doprowadza się sygnał o mierzonej częstotliwości a do drugiego wejścia sygnał o wzorcowej częstotliwości. Regulując częstotliwość z generatora wzorcowego doprowadza się do uzyskania nieruchomego obrazu na ekranie oscyloskopu. Nieruchomy obraz występuje gdy stosunek częstotliwości obu sygnałów jest równy stosunkowi dwu liczb całkowitych. Stosunek częstotliwości oblicza się ze stosunku liczby przecięć figury Lissajous z prostymi pomocniczymi równoległymi do osi x i y. Proste powinny być tak poprowadzone, aby nie były styczne i nie przechodziły przez punkty węzłowe figury. 12

13 Dla stosunku częstotliwości: f f x y = 1 gdzie: f x częstotliwość badanego sygnału, f y częstotliwość sygnału wzorcowego, na ekranie oscyloskopu powstanie obraz: f = x f y Dla stosunku częstotliwości: Rys. Krzywa Lissajos dla takich samych częstotliwości sygnałów f f x y 1 = 2 a) b) Rys. Krzywa Lissajous dla a) f / f = 0. 5, b) f / f = 2 Do wyznaczania stosunku częstotliwości badanych sygnałów stosuje się metodę siecznych. Metoda ta polega na liczeniu punktów przecięcia figury Lissajous z poprowadonymi prostymi równoległymi do osi X i Y. Proste te prowadzi się tak, aby nie punkty przecięcia nie pokrywały się z punktami przecięcia samej figury. Rysunek ilustruje wpływ przesunięcia fazowego na kształt figur Lissajous: x y x y 0 o 45 o 90 o 135 o 180 o Rys. Wpływ przesunięcia fazowego sygnałów na kształt krzywych Lissajous przy f / f = 1 Figury Lissajous stosuje się zazwyczaj dla stosunku częstotliwości nie większych niŝ x y 13

14 5. Wyznaczanie pasma przenoszenia oscyloskopu Pasmo przenoszenia oscyloskopu jest to zakres częstotliwości, przy których wartość odpowiedzi wzmacniacza toru oscyloskopu na amplitudę h wejściowego sygnału sinusoidalnego maleje nie więcej niŝ do wartości 0.707h czyli niw więcej niŝ o 3dB. G db -3dB h 0.707h f 1 f 2 Rys. Pasmo przenoszenia oscyloskopu f 3 f, Hz Do wyznaczenia pasma przenoszenia oscyloskopu potrzebny jest generator napięcia sinusoidalnego o duŝym zakresie regulowanej częstotliwości. 14