Oscyloskop Używany jest przede wszystkim do pomiarów, obserwacji i analizy kształtu czasowych przebiegów okresowych lub nieokresowych napięcia i prądu, do pomiaru wartości częstotliwości, kąta fazowego lub wyznaczania charakterystyk elementów nieliniowych. Oscyloskopy ogólnie charakteryzują się dużą rezystancją wejściową, dużą czułością napięciową i dużym zakresem częstotliwości badanych przebiegów (w zakresie od 0 do 20 GHz ). Wyróżnić możemy oscyloskopy analogowe, analogowe próbkujące i cyfrowe.
Głównym elementem oscyloskopu jest lampa próżniowa z ekranem pokrytym od wewnątrz warstwą luminoforu. Luminofory to substancje emitujące promieniowanie widzialne pod wpływem bombardowania strumieniem elektronów. Strumień ten jest wytwarzany w dziale elektronowym, będącym częścią lampy oscyloskopowej. Zawiera ono m.in.: katodę emitującą elektrony, cylinder Wehnelta elektrodę służącą do modyfikacji jasności plamki na ekranie lampy poprzez zmianę liczby elektronów opuszczających działo - oraz szereg anod (elektrod spolaryzowanych dodatnio względem katody), których zadaniem jest należyte przyspieszenie elektronów i zogniskowanie ich strumienia dokładnie w płaszczyźnie ekranu, aby plamka miała małą średnicę, a rysowany obraz był ostry. Ponieważ takie zogniskowanie uzyskuje się zależnie od nastawionej jasności plamki dla różnych napięć na anodach, na ogół zachodzi potrzeba wyprowadzenia na płytę czołową oscyloskopu nie tylko pokrętła regulatora jaskrawości, ale także ostrości. Działo kieruje strumień elektronów mniej więcej na środek ekranu. Aby strumień ten mógł bombardować i rozświetlać różne punkty ekranu, musi być odchylany. W lampach oscyloskopowych stosuje się na ogół odchylanie elektrostatyczne polegające na przepuszczeniu strumienia elektronów pomiędzy dwiema płytkami, do których przyłożono napięcie. Zaletą takiego sposobu odchylania jest to, że przemieszczenie plamki na ekranie jest niemal proporcjonalne do przyłożonego napięcia. Najczęściej w lampie występują dwie pary płytek umieszczone wzajemnie prostopadle. Napięcia przyłożone do nich odchylają więc strumień niezależnie w dwóch prostopadłych kierunkach: poziomym i pionowym. Typowo, napięcie wymagane do odchylenia plamki o 1 cm wynosi od kilku do kilkunastu woltów. Aby umożliwić obserwację i pomiar oscyloskopem napięć w szerokim zakresie wartości, do płytek odchylających dołącza się zespół tłumików i wzmacniaczy. Dzięki tym blokom, wartości współczynników odchylania mogą być zmieniane przełącznikiem na płycie czołowej w zakresie np. od 5 mv/cm do 5 V/cm, najczęściej wg sekwencji 1-2-5. Na ogół możliwa jest też płynna regulacja tych współczynników dodatkowym regulatorem.
POGLĄDOWA STRUKTURA OSCYLOSKOPU GENERATOR PODSTAWY CZASU SYNCHRONIZACJA WZMACNIACZ WEJŚCIOWY
Regulacja Jasności i ostrości Funkcje wyzwalania Regulacja częstotliwości Generatora podstawy czasu kalibracja Funkcje kanałów wejściowych Wzmacniacze wejściowe
Warunkiem uzyskania obrazu stabilnego jest to, by ruch plamki z lewa na prawo ekranu zaczynał się zawsze w tej samej fazie okresowego zjawiska badanego. Aby to osiągnąć, generatory podstawy czasu współczesnych oscyloskopów buduje się zwykle nie jako samowzbudne lecz raczej jako tzw. generatory wyzwalane. Mają one nie tylko wyjście sygnału "piłokształtnego", ale także dodatkowe wejście wyzwalające, na którym - zboczem sygnału cyfrowego - inicjuje się proces generacji jednego zęba napięcia piłokształtnego. Po jego wygenerowaniu (na co składa się generacja zboczy: liniowo narastającego i opadającego oraz przywrócenie w układzie warunków wyjściowych) następuje oczekiwanie na następne wyzwolenie; plamka jest wtedy wygaszona. Taki układ generatora wyzwalanego musi więc współpracować z dodatkowym układem wyzwalającym, którego zadaniem jest wykrywanie w sygnale badanym miejsc, od których obserwacja ma się rozpoczynać. Cecha sygnału, którą powinien wykrywać układ wyzwalania musi występować dokładnie jeden raz w okresie, aby zagwarantować, że ruch plamki po ekranie rozpocznie się zawsze w tej samej fazie zjawiska badanego. Wybór tej cechy musi być jednak rozsądnym kompromisem między możliwością uzyskiwania stabilnych obrazów dla szerokiej klasy sygnałów, a prostotą budowy układu wyzwalania. W praktyce, cechą sygnału która uruchamia generator podstawy czasu jest zwykle przekroczenie nastawionej wartości napięcia w określonym kierunku; oznacza to wykrywanie miejsc, w których spełniony jest iloczyn logiczny zdarzeń: sygnał osiąga określoną wartość, a jego pochodna ma określony znak (zbocze narastające bądź opadające mierzonego impulsu).
Napięcie na wyjściu generatora podstawy czasu a) oraz zasada pracy układu jego wyzwalania b)
Jednoczesna obserwacja dwóch sygnałów. Często zachodzi potrzeba jednoczesnej obserwacji kilku sygnałów. Jednym z przykładów są pomiary wzajemnych przesunięć czasowych między wieloma sygnałami. Ponieważ takie zadanie można zwykle zamienić na sekwencję pomiarów relacji czasowych między dwoma sygnałami, typowe oscyloskopy laboratoryjne umożliwiają jednoczesną obserwację dwóch sygnałów. Zadanie takie można zasadniczo zrealizować dwoma sposobami: Pierwszy polega na zastosowaniu w oscyloskopie lampy dwustrumieniowej, tzn. lampy wyposażonej w dwie wyrzutnie elektronów i dwa niezależne zespoły płytek odchylających. W oscyloskopie występują wtedy również dwa niezależne tory Y. Lampy dwustrumieniowe są drogie i, z konieczności, ustępują jakością nowoczesnym, rozbudowanym lampom jednostrumieniowym. Dlatego też dziś częściej stosuje się: Sposób drugi: polegający na wyposażeniu oscyloskopu w lampę jednostrumieniową, dwa niezależne tory Y i szybki przełącznik elektroniczny, umożliwiający dołączanie płytek odchylania pionowego lampy na przemian do wyjść wzmacniaczy Y obu torów. Mówi się niekiedy, że lampa pracuje z "podziałem czasu" - raz rysuje obraz sygnału z kanału pierwszego, a raz - z drugiego. Powyższe zadanie może być realizowane dwiema metodami: a) Praca przemienna. Polega ona na tym, że tory pierwszy i drugi są dołączane do lampy oscyloskopowej na przemian, na jeden pełny cykl pracy generatora podstawy czasu. Obrazy obu sygnałów pojawiają się więc także na przemian, ale są ciągłe. Wadą tego sposobu jest widoczne naprzemienne pulsowanie obrazów podczas obserwacji sygnałów małej częstotliwości (m. cz.), kiedy z konieczności stosujemy małe prędkości ruchu plamki.
b) Praca siekana. Polega ona na tym, że podczas każdego cyklu generatora podstawy czasu lampa jest wielokrotnie dołączana na przemian do obu kanałów. Obrazy obu sygnałów są więc nieciągłe: w trakcie rysowania fragmentu obrazu sygnału w jednym kanale, w drugim kanale występuje luka. Częstotliwość przełączania klucza bywa rzędu od dziesiątków khz do MHz (typowo 100 300kHz). Aby luki w obrazach sygnałów nie były widoczne, częstotliwość kluczowania moduluje się w sposób losowy. Dzięki temu w każdym cyklu podstawy czasu luki te występują w innych miejscach obrazów co powoduje, że z powodu bezwładności oka ich dostrzeżenie jest właściwie niemożliwe. W niektórych oscyloskopach, na płycie czołowej występuje przełącznik rodzaju pracy klucza: praca przemienna (ang. alternating -ALT), praca siekana (ang. chopped - CHOP). Aby uniknąć migania obrazów, podczas obserwacji sygnałów m. cz. należy wybierać raczej prace siekaną, a dla sygnałów o częstotliwości powyżej 100Hz - prace przemienną. Niekiedy wyboru dokonuje za użytkownika konstruktor oscyloskopu, wiążąc określone rodzaje pracy klucza z przełącznikiem szybkości generatora podstawy czasu: zwykle małym prędkościom przypisywana praca siekana, a dużym - przemienna. Podczas pracy dwukanałowej przy wyzwalaniu wewnętrznym istnieje możliwość wyboru sygnału wyzwalającego. Celowe jest wybranie do wyzwalania tego sygnału obserwowanego, który jest mniej zaszumiony, ma bardziej strome zbocza i - przede wszystkim - występuje w nim taki zakres zmienności, który jest przekraczany w danym kierunku tylko jeden raz w okresie. W oscyloskopach, w których użytkownik może sam decydować o trybie pracy dwukanałowej (przemienny - siekany), dodaje się niekiedy dodatkowy sposób wyzwalania - tzw. sposób przemienny, którego można używać podczas pracy przemiennej klucza pracy dwukanałowej. W sposobie tym, do wyzwalania tych cykli podstawy czasu, w których rysowany ma być sygnał z kanału pierwszego wykorzystywany jest sygnał z tego kanału, a do wyzwalania cykli podstawy czasu gdy ma być rysowany sygnał z kanału drugiego stosuje się sygnał kanału drugiego. Dzięki takiej procedurze możliwe jest uzyskanie dwóch stabilnych obrazów nawet wtedy, gdy oba sygnały mają niewspółmierne okresy (np. pochodzą z różnych generatorów). Jest jednak oczywiste, że podczas stosowania tego trybu wyzwalania nie należy wykorzystywać uzyskanych obrazów do wnioskowania nt. relacji czasowych między obserwowanymi sygnałami.
Lupa czasowa. Działanie lupy czasowej polega na kilkukrotnym (typowo: pięcio - lub dziesięciokrotnym) wzmocnieniu napięcia odchylania poziomego. Powoduje to tyleż - krotny wzrost stromości liniowej części napięcia odchylania i taki sam wzrost szybkości ruchu plamki po ekranie. Oczywiście, wymiary poziome obrazu, przy wzmocnionej amplitudzie napięcia odchylającego, ulegają zwiększeniu w tej samej proporcji i na ekranie widać tylko część obrazu ograniczoną wymiarami ekranu. Przez dodawanie składowej stałej do napięcia odchylania poziomego można przesuwać obraz w poziomie wybierając w ten sposób fragment obrazu, który ma być widoczny. Ponieważ szybkość ruchu plamki po ekranie ulega w tym przypadku tyle - krotnemu zwiększeniu ile razy wzmocniono napięcie odchylania poziomego, trzeba wiec pamiętać, że współczynniki odchylania, odczytane z przełącznika na płycie czołowej, muszą być podzielone przez wartość zastosowanego wzmocnienia (np. przez 5 lub 10). Podwójna podstawa czasu. Aby móc oglądać ze szczegółami fragment okresu sygnału oddalony nawet znacznie od miejsca wyzwolenia podstawy czasu, umożliwia się nastawianie dwóch prędkości podstawy czasu: wolniejszą -służącą do wybierania odcinka czasu od momentu wyzwolenia do uruchomienia drugiej podstawy czasu i drugą - szybszą -służącą do wizualizacji wybranego fragmentu. Oscyloskopy z możliwością uruchamiania drugiej - opóźnionej podstawy czasu mają zwykle kilka możliwości wyświetlania obrazu: a) wykorzystywanie tylko pierwszej podstawy czasu, b) wykorzystywanie pierwszej podstawy czasu z dodatkowym rozjaśnianiem fragmentu, który byłby wyświetlany, gdyby użyć drugiej podstawy czasu, c) wykorzystywanie obu podstaw czasu: zależnie od rozwiązania na ekranie może pojawić się tylko fragment rysowany drugą podstawą czasu, bądź fragmenty rysowane obydwoma podstawami czasu; na obu z nich obowiązują oczywiście różne, wcześniej nastawione, współczynniki czasu.
Schemat blokowy oscyloskopu dwukanałowego
Schemat blokowy oscyloskopu analogowo-cyfrowego
Nastawy oscyloskopu: - wzmocnienie pionowe k y = 0,2 V/dz, - podstawa czasu k t = 5 ms/dz. Pomiary: amplituda sygnałów y = 3 dz, okres sygnałów T = 8 dz, przesunięcie fazowe Φ = 1,5 dz. Obliczenia: U = y * k y = 3 * 0,2 = 0,6 V; T = T * k t = 8 * 5 * 10-3 = 0,04 s; -> f = 25 Hz; ϕ = Φ / T * 2 * π = 1,5 / 8 * 2 * π = 1,2 rad; lub ϕ = Φ / T * 360 0 = 1,5 / 8 * 360 0 = 67,5 0
Napięcie 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6-0.8-1 Pomiar fazy 9 ms 0 20 40 60 80 100 Czas (ms) t 9 ms φ = 2π = 2π = 0.57rad T 100 ms t 9 ms = 360 = 360 = 32 T 100 ms Zacisk C Oscyloskop 9 MΩ Sonda 20 pf 1 MΩ