Zastosowanie współczesnego oscyloskopu katodowego w miernictwie

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
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 Upp 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 15÷60 pF.
2
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.
Up
U=
a
*t
U
t
to
tp
tr
tm
t
Rys. 2. Parametry napięcia piłokształtnego
gdzie:
tr - czas roboczy,
tp - czas powrotu,
tm - czas martwy ( czas w czasie którego wyzwalanie generatora podstawy czasu jest
niemoŜliwe),
to - 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
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
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
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
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
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
Rys. 9. Modulacja jaskrawości
W oscyloskopie do wygaszania zewnętrznego uŜywa się przebiegu prostokątnego o ściśle
określonej wartości okresu - przebieg składa się z odcinków.
9
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, Cwe = 0.7÷1.5 pF, Rwe= 500 Ω, czas narastania sygnału
0.1ms. Schemat sondy rezystorowej przedstawia rys. 12.
Rys. 12. Schemat sondy rezystorowej
10
c) Sonda RC
Tłumienie 1:10, Cwe= 2÷15 pF, Rwe= 10÷100 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:
1
f =
T ⋅x
gdzie:
T – długość odcinka odpowiadająca okresowi badanego sygnału, odczytana z ekranu
oscyloskopu,
x – współczynnik podstawy czasu, s.
11
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.
Ua
Ub
Ub
∆T
Ua
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
Dla stosunku częstotliwości:
fx
=1 → fx = fy
fy
gdzie:
fx – częstotliwość badanego sygnału,
fy – częstotliwość sygnału wzorcowego,
na ekranie oscyloskopu powstanie obraz:
Rys. Krzywa Lissajos dla takich samych częstotliwości sygnałów
Dla stosunku częstotliwości:
fx 1
=
fy 2
a)
b)
Rys. Krzywa Lissajous dla a) f x / f y = 0.5 , b) f x / f y = 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:
o
0
o
45
o
90
o
135
o
180
Rys. Wpływ przesunięcia fazowego sygnałów na kształt krzywych Lissajous przy f x / f y = 1
Figury Lissajous stosuje się zazwyczaj dla stosunku częstotliwości nie większych niŜ 5 – 10.
13
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
f1
0.707h
f2
f3
f, Hz
Rys. Pasmo przenoszenia oscyloskopu
Do wyznaczenia pasma przenoszenia oscyloskopu potrzebny jest generator napięcia
sinusoidalnego o duŜym zakresie regulowanej częstotliwości.
14