docOscyloskop elektroniczny
download 
Reklamacja Transkrypt
Oscyloskop elektroniczny
POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY ___________________________________________________________ Laboratorium Miernictwa Elektrycznego Oscyloskop elektroniczny Instrukcja do ćwiczenia Nr 22 Opracował dr inż. Ryszard Piotrowski ___________________________________________________ Białystok 2001 Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny 1. Wprowadzenie Podstawowe wiadomości z zakresu budowy i zasad działania oscyloskopu analogowego O scyloskop jest jednym z najważniejszych i najbardziej uniwersalnych przyrzą dów pomiarowych. Jego cenną zaletą jest zdolnoś ć wyś wietlania na ekranie nieruchomych obrazów zmiennych w czasie sygnałów elektrycznych. Stanowi to dla inżyniera zajmują cego się konstruowaniem układów elektronicznych, czy dla fizyka badają cego właś ciwoś ci materii trudną do przecenienia wartoś ć . Lampa oscyloskopowa Lampa ta jest najważniejszą czę ś cią oscyloskopu. Na niej to strumień elektronów kreś li linię ś wietlną , odwzorowują cą dokładnie przebieg badanego sygnału w czasie. Lampa oscyloskopowa jest wię c przetwornikiem elektroluminescencyjnym przetwarzają cym wielkoś ć elektryczną na wielkoś ć ś wietlną . Uproszczony szkic prostej lampy oscyloskopowej przedstawiony jest na rysunku 1. K S A1 A2 P1 P2 L E e Ż G R1 R2 R3 + Rys.1.Szkic lampy oscyloskopowej ew Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny W próżniowej bań ce szklanej umieszczonych jest szereg elektrod: katoda, siatka sterują ca (cylinder Wehnelta), anoda pierwsza, anoda druga. Ich zadaniem jest emitowanie swobodnych elektronów, skupianie ich w wą ską wią zkę , przyś pieszanie do dużych prę dkoś ci, by nadać im odpowiednią energię kinetyczną , wreszcie skierowanie do odpowiedniego punktu ekranu stanowią cego płaszczyznę układu współrzę dnych prostoką tnych, w którym uzyskiwany jest obraz przebiegu czasowego badanej wielkoś ci. Lampa może być sterowana tylko sygnałem napię ciowym, dlatego dowolna wielkoś ć fizyczna, którą chcemy badać musi być uprzednio przetworzona na napię cie elektryczne. Patrzą c od lewej strony na szkic z rysunku 1., napotykamy najpierw katodę K bę dą cą ź ródłem swobodnych elektronów. Jest to najczę ś ciej tzw. katoda tlenkowa opisana niżej. Katoda tlenkowa warstwa emisyjna Katoda składa się z rdzenia metalowego, najczę ś ciej niklowego, w kształcie cylindra (rys.2) pokrytego tlenkami metali ziem cylinder alkalicznych (zwykle baru, strontu, niklowy wapnia) albo tlenkami toru. Warstwa tlenków ma gruboś ć 10µm÷100µm -6 (1µm=10 m) i wykazuje dużą porowatoś ć (obję toś ć porów stanowi 65% - 85% spirala grzejna obję toś ci warstwy). Katoda grzana jest poś rednio do temperatury ok. 8000 C przez Rys.2. Szkic katody tlenkowej o spiralę grzejną umieszczoną wewną trz grzaniu poś rednim cylindra katody. Dzię ki bifilarnemu wykonaniu drutu grzejnego (nie jest to uwidocznione na szkicu), nie wystę puje wokół niej pole magnetyczne prą du grzejnego. Napię cie zasilają ce grzejnik Ż (rys.1) wynosi zwykle 6,3V. Dzię ki znacznej bezwładnoś ci cieplnej, w katodzie grzanej poś rednio nie wystę pują wahania temperatury przy zasilaniu prą dem zmiennym. Katody grzane poś rednio wykazują ponadto wię kszą niż katody o grzaniu bezpoś rednim sztywnoś ć i wytrzymałoś ć mechaniczną . Cylinder Wehnelta Katoda K otoczona jest kolejną z rzę du elektrodą lampy, tzw. cylindrem Wehnelta bę dą cym siatką sterują cą S lampy. W czołowej płaszczyź nie tej elektrody znajduje się niewielki otworek (rys.3), przez który wydostaje się czę ś ć Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny elektronów emitowanych przez katodę. Sterują ca rola siatki (nazwa nie adekwatna do wyglą du tego elementu, odpowiadają ca jednak funkcji, jaką on wypełnia) polega na regulacji liczby elektronów w wią zce docierają cej do ekranu i tym samym sterowaniu jasnoś cią jego ś wiecenia w danym punkcie i w danej chwili. Ma to, jak się przekonamy, waż ne znaczenie praktyczne. Z rysunku 1 wynika, ż e siatka S ma potencjał ujemny względem katody i od wartoś ci tego potencjału zależ y stopień hamowania przez nią elektronów, co wymownie pokazuje rysunek 3. Cylinder Wehnelta chroni jednocześ nie delikatną katodę przed bombardowaniem przez jony dodatnie, których pewna liczba zawsze znajduje się wewną trz lampy. Tworzą je pozostałe, mimo starannego odpompowania powietrza, zjonizowane czą steczki gazu, przycią gane z racji swego dodatniego ładunku przez katodę. katoda katoda elektrony elektrony yy a) cylinder Wehnelta b) cylinder Wehnelta Rys.3. Wpływ ujemnego potencjału siatki (cylindra Wehnelta) na tory elektronów emitowanych przez katodę: a) siatka ma niewielki potencjał ujemny względem katody (słabe hamowanie elektronów), b) duży potencjał ujemny siatki (silne hamowanie elektronów) Elektrony, które przedostały się przez otworek w cylindrze Wehnelta są przycią gane i tym samym przyś pieszane przez anodę A1 o dodatnim potencjale względem katody. Anoda ta ma kształt cylindra z przegrodami wewnętrznymi wychwytują cymi elektrony, które z róż nych przyczyn wybiegły poza wą ską wią zkę, formowaniem której zajmuje się właś nie anoda A1. Odpowiedni dobór kształtu tej elektrody służ y wytwarzaniu pola elektrycznego skupiają cego elektrony w wą ską wią zkę. Wspomaga ją w tym działaniu następna elektroda anoda A2 , która ma jeszcze wyż szy potencjał dodatni względem katody (od 1500V do 5000 V). Jej głównym zadaniem jest ostateczne przyś pieszanie elektronów i nadawanie im koń cowej prędkoś ci, od której zależ y skutek ś wietlny uderzenia elektronów w luminofor L pokrywają cy wewnętrzną powierzchnię ekranu E. Dla przykładu, prędkoś ć elektronów uderzają cych w luminofor osią ga wartoś ć 20 000 km/s, jeż eli napięcie między katodą i anoda drugą wynosi 1000V. Dodajmy jeszcze, ż e w wyniku „oczyszczają cego” działania cylindra Wehnelta, oraz anod A1 i A2, tylko od 5% do 20% elektronów emitowanych Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny przez katodę dociera do ostatecznego celu swojej wędrówki, jakim jest luminofor pokrywają cy wewnętrzną powierzchnię lampy. Grupa elektrod: katoda, cylinder Wehnelta i obie anody nosi nazwę wyrzutni elektronowej, zwanej czasem takż e działem elektronowym. Luminofor i zjawisko emisji wtórnej Luminofor L (rys.1) jest to substancja półprzewodnikowa pokrywają ca od strony wewnętrznej ekran lampy oscyloskopowej. W warstwie tej dokonuje się ostatni etap przetwarzania mierzonego sygnału napięciowego na sygnał ś wietlny. Luminofory są to siarczki lub tlenki metali takich jak kadm, wapń , beryl, magnez, krzem z dodatkiem tzw. aktywatorów, to znaczy zwiększają cych zdolnoś ć luminescencyjną niewielkich domieszek manganu, srebra, miedzi. Luminofory ś wiecą pod wpływem bombardowania przez rozpędzone do duż ych prędkoś ci elektrony. Zjawisko to nosi nazwę elektroluminescencji. W wyniku zderzenia elektronów z warstwą luminoforu, następuje zamiana częś ci energii kinetycznej tych czą steczek na energię ś wietlną . Pozostała częś ć energii zuż yta zostaje na wybicie z luminoforu tzw. elektronów wtórnych ew (rys.1), które zmierzają do warstwy grafitowej G, ską d zostają odprowadzone do dodatniego bieguna ź ródła zasilania. W ten sposób zostaje zamknięty obwód prą du wypływają cego z bieguna ujemnego tego ź ródła. Mowa tu oczywiś cie o kierunku rzeczywistym przepływu prą du, to znaczy kierunku ruchu elektronów. Interesują cym zagadnieniem jest mechanizm samoczynnej regulacji liczby elektronów wtórnych zapewniają cej jednakowe natęż enie prą du w każ dym punkcie nierozgałęzionego obwodu elektrycznego. Liczba tych elektronów zależ y od rodzaju luminoforu i napięcia przyś pieszają cego (napięcia między katodą i drugą anodą ). Istnieje pewna minimalna wartoś ć napięcia przyś pieszają cego U0, przy której liczba elektronów wtórnych staje się równa liczbie elektronów pierwotnych (padają cych na luminofor). Jeż eli napięcie przyś pieszają ce ma wartoś ć mniejszą od U0, liczba elektronów wybijanych z luminoforu jest mniejsza od liczby elektronów pierwotnych, w wyniku czego ekran ładuje się ujemnie, działają c coraz bardziej odpychają co na elektrony przybywają ce od strony katody. W koń cu dopływ elektronów pierwotnych do ekranu ustaje całkowicie, uniemoż liwiają c normalne funkcjonowanie lampy. Gdy napięcie przyś pieszają ce ma wartoś ć większą od U0, liczba elektronów wybijanych z luminoforu staje się większa od liczby elektronów padają cych, w wyniku czego ekran zaczyna ładować się dodatnio i jego potencjał staje się wyż szy od potencjału warstwy grafitowej. Między ekranem a warstwą grafitową powstaje wtedy pole elektryczne hamują ce ruch elektronów wtórnych i zawracają ce ich częś ć do ekranu. Wzrost potencjału ekranu trwa dotą d, dopóki nie zostanie przywrócona równowaga między liczbą elektronów pierwotnych i wtórnych. Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Jedną z cech luminoforu jest jego czas poś wiaty. Jest to czas, jaki upływa od chwili zniknię cia pobudzenia (strumienia elektronów) do chwili gdy luminancja (jaskrawoś ć ekranu) zmaleje do 1% wartoś ci początkowej. Stosowane są luminofory o krótkim czasie poś wiaty,5÷50 µs, o ś rednim czasie poś wiaty, 10÷50 ms (do fotografowania obrazu) oraz o długim czasie poś wiaty, rzę du pojedynczych sekund (do obserwowania przebiegów jednokrotnych, a takż e w radiolokacji). W celu zmniejszenia strat ś wiatła stosuje się napylanie luminoforu od wewnę trznej strony lampy cienką warstwą aluminium o gruboś ci 50∗10-6 mm ÷500∗10-6 mm. Tak cienka powłoka aluminiowa praktycznie bez strat przepuszcza elektrony, natomiast skutecznie odbija ś wiatło. Spełnia przy tym jeszcze jedną poż yteczną funkcję , chroni mianowicie luminofor przed bombardowaniem ujemnych jonów, co czyni zbyteczną tzw. pułapkę jonową stosowaną w starszych konstrukcjach lamp oscyloskopowych. Odchylanie strumienia elektronów Pozostałe do omówienia elektrody lampy oscyloskopowej, to znaczy płytki odchylające P1 i P2 (rys.1) mają za zadanie zmieniać kierunek lotu elektronów. Przykładane do tych płytek zmienne w czasie napię cie, odzwierciedla odpowiednio: wartoś ć chwilową (y) obrazowanej na ekranie wielkoś ci (płytki P1) oraz odpowiadającą tej wartoś ci chwilę czasu (x) (płytki P2). Pozwala to na narysowanie linii ś wietlnej przedstawiającej daną wielkoś ć w układzie współrzę dnych prostokątnych y,x. Płytki P1 zwane są płytkami odchylania pionowego, albo płytkami odchylania Y, zaś płytki P2 - płytkami odchylania poziomego, albo płytkami odchylania X. Ich rzeczywisty kształt jest bardziej wyrafinowany niż ten pokazany na rysunku 1. Mechanizmy odchylania wiązki elektronów Odchylanie wiązki elektronów moż e być elektryczne lub magnetyczne. Odchylanie elektryczne W przypadku odchylania elektrycznego, mię dzy płytkami odchylania pionowego P1 lub płytkami odchylania poziomego P2 wytwarzane jest pole elektryczne. Jedna z płytek każ dej pary moż e być połączona na stałe z uziemieniem (rys.1). Od wpływu obcych pól elektrycznych płytki chronione są przez warstwę grafitu G, naniesioną na wewnę trzną powierzchnię bań ki i połączoną z anodą A2, która jest uziemiona. Zaletą odchylania elektrycznego jest moż liwoś ć stosowania go w zakreesie wielkich czę stotliwoś ci sygnału mierzonego się gających 1 GHz. Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Zaletą odchylania elektrycznego jest takż e mała moc potrzebna do uzyskania wymaganego odchylenia elektronów. Dalszą zaletą tego rodzaju odchylania jest to, ż e tor ruchu nie zależ y od stosunku ładunku elektrycznego do masy cząstek, w związku z czym ujemnie naładowane jony gazów lub cząstek emitowanych przez katodę bę dą miały taki sam tor jak elektrony i padać bę dą na ekran w tym samym miejscu. Zapobiega to rozmyciu punktu ś wietlnego i chroni luminofor przed szybkim zuż yciem, które miałoby miejsce, gdyby cię ż kie jony (kilka tysię cy razy cię ż sze od elektronu), nie podlegając dostatecznemu odchylaniu (jak ma to miejsce przy odchylaniu magnetycznym), uderzały ciągle w ten sam ś rodkowy obszar ekranu. Wadą odchylania elektrycznego jest stosunkowo duż a zależ noś ć czułoś ci od napię cia przyś pieszającego drugiej anody. Duż emu napię ciu tej anody mianowicie odpowiada duż a prę dkoś ć elektronów, dla których odchylania potrzebne jest wię ksze napię cie przykładane do płytek odchylających, co oznacza oczywiś cie mniejszą czułoś ć systemu odchylania. Jeż eli założ ymy okreś loną wartoś ć czułoś ci, to zwię kszenie napię cia drugiej anody zmusza do wydłuż enia lampy oscyloskopowej dla uzyskania odpowiedniej wielkoś ci obrazu na ekranie. Zauważ my, ż e maksymalny kąt odchylania w lampach o odchylaniu elektrycznym jest mniejszy niż w lampach o odchylaniu magnetycznym. Kąt zawarty mię dzy skrajnymi położ eniami strumienia przy odchylaniu elektrycznym wynosi 250 - 300. Odchylanie magnetyczne. W celu realizacji odchylania magnetycznego umieszcza się na zewnątrz lampy wokół szyjki, przy ostatniej elektrodzie wyrzutni elektronowej dwie pary cewek odchylających, których osie magnetyczne ustawione są wzglę dem siebie pod kątem prostym. Przez każ dą parę cewek przepływa prąd sterujący, który wytwarza pole magnetyczne skierowane prostopadle do osi podłuż nej lampy. Istotną wadą odchylania magnetycznego jest to, iż odchylenie cząsteczki jest tu, w przeciwień stwie do odchylania elektrycznego , zależ ne od stosunku ładunku elektrycznego cząsteczki do jej masy. Cię ż sze jony odchylane są znacznie słabiej niż lekkie elektrony i padają na ś rodkowa czę ś ć ekranu, przyś pieszając zuż ycie luminoforu w tym obszarze. Zmuszało to w przeszłoś ci konstruktora do stosowania tzw. pułapek jonowych, wychwytujących jony i nie dopuszczających ich do ekranu. Obecnie pułapki jonowe nie są stosowane, ponieważ luminofor od strony wyrzutni elektronów pokrywany jest cienką warstwą aluminium (ekran metalizowany). Warstwa ta nie stanowi istotnej przeszkody dla niewielkich elektronów, zatrzymuje natomiast skutecznie o wiele wię ksze jony. Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Zaletą odchylania magnetycznego w porównaniu z elektrycznym jest mniejsza zależ noś ć czułoś ci odchylania od napię cia przyś pieszającego (czułoś ć jest tu odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z napię cia przyś pieszającego, gdy tymczasem przy odchylaniu elektrycznym czułoś ć jest odwrotnie proporcjonalna do tego napię cia). Kolejną zaletą odchylania magnetycznego w porównaniu z elektrycznym jest prostsza budowa wewnę trzna lampy oscyloskopowej, ponieważ układ odchylający znajduje się na zewnątrz lampy. Odchylanie magnetyczne powoduje mniejsze rozogniskowanie wiązki elektronów, dzię ki czemu moż liwe jest uzyskanie duż ych wartoś ci kąta odchylania, którego typowa wartoś ć dla współczesnych konstrukcji wynosi 1100. W rezultacie otrzymuje się korzystny kształt lampy, a wię c mały stosunek jej długoś ci do ś rednicy lub przekątnej ekranu. Dla lamp o odchylaniu elektrycznym stosunek ten zawiera się w granicach 2,5 -3,5, natomiast dla lamp o odchylaniu magnetycznym wynosi on 0,7 - 0,8. Wadą odchylania magnetycznego jest stosunkowo duż a moc pobierana ze ź ródła prądu odchylającego. Ponadto odchylanie magnetyczne nie moż e być stosowane przy zbyt duż ych czę stotliwoś ciach, z uwagi na wzrost reaktancji cewek oraz wzrost strat przy powię kszaniu czę stotliwoś ci. Maksymalna czę stotliwoś ć , przy której stosowane być moż e odchylanie magnetyczne jest rzę du 50 kHz. Wada ta, mówiąc nawiasem, nie ma istotnego znaczenia w kineskopach odbiorników telewizyjnych, w których czę stotliwoś ć odchylania pionowego wynosi 50 Hz, poziomego zaś ok. 15 kHz. Układy elektroniczne oscyloskopu Zajmiemy się teraz układami elektrycznymi, których rolą jest przetwarzanie sygnałów doprowadzanych do wejś cia oscyloskopu w celu przystosowania ich do wymogów lampy oscyloskopowej, a takż e układami odpowiedzialnymi za generowanie okresowych sygnałów niezbę dnych takż e do sterowania pracą lampy. Omówione dalej układy, zwłaszcza zaś organy regulacyjne i ich oznaczenia bę dą odnosiły się do oscyloskopu OS-351. Pozwoli to na skupienie się na konkretnym urządzeniu i uniknię cie rozpraszających uwagę dygresji. Wspomniany oscyloskop ma wiele typowych układów, które spotkać moż na w innych oscyloskopach, gdzie mogą być inaczej oznaczone, zaś ich organy regulacyjne mogą wystę pować w nieco innym zestawieniu. Zrozumienie roli opisywanych niż ej układów i regulatorów pozwoli łatwo rozszyfrować znaczenie podobnych układów w innych typach oscyloskopów. Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Oscyloskop jednostrumieniowy, dwukanałowy Oscyloskop OS-351 jest przyrządem jednostrumieniowym, co oznacza, ż e wewnątrz lampy istnieje tylko jedna wyrzutnia elektronów i co za tym idzie jeden strumień elektronów. Istnieją jednak oscyloskopy o wię kszej liczbie wyrzutni, są jednak raczej rzadko spotykane ze wzglę du na wysoki stopień komplikacji i związane z tym koszty produkcji. Oscyloskop OS-351 jest jednocześ nie przyrządem dwukanałowym, co oznacza, ż e na jego ekranie mogą być oglądane jednocześ nie przebiegi dwóch róż nych sygnałów. Taka moż liwoś ć jest podstawowym wymogiem stawianym nawet prostym konstrukcjom oscyloskopów. Dwukanałowoś ć wymaga wbudowania do przyrządu dwóch oddzielnych zestawów urządzeń (gniazd wejś ciowych, przełączników, regulatorów, tłumików, wzmacniaczy, itp.). Oscyloskop dwukanałowy ma takż e pewne układy elektroniczne wspólne dla obydwu kanałów, np. generator podstawy czasu, wzmacniacz koń cowy, przełącznik elektroniczny, itp. Niż ej omówione zostaną układy wystę pujące tylko w jednym kanale, nastę pnie zaś układy wspólne. Układy wej ś ciowe oscyloskopu Na rysunku 4. przedstawione zostały blokowo typowe układy wejś ciowe oscyloskopu, przy czym podane na nim oznaczenia dotyczą oscyloskopu OS-351. Pokazane bloki stanowią fragment tak zwanego toru odchylania pionowego, albo toru Y. Badany sygnał jest w nim przetwarzany do takiej postaci, by mógł wysterować płytki odchylania pionowego i dać moż liwie wierny obraz swojej zmiennoś ci w czasie. Wejś ciem do jednego z kanałów oscyloskopu (tutaj kanału A) jest gniazdo typu BNC oznaczone jako INPUT A. Stąd sygnał mierzony moż e być przy pomocy trójpołoż eniowego przełącznika skierowany do TŁUMIKA jednym z trzech torów: • tor ALT (sprzę ż enie AC) • tor DC (sprzę ż enie DC) • tor GND Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny VAR. CAL 47pF INPUT A POSITION ALT TŁUMIK DC WTÓR NIK GND WZMAC NIACZ Y do przełącznika elektronicznego do generatora podstawy czasu 47pF 1 MΩ Rys.4.Układy wejściowe oscyloskopu W torze ALT znajdują cy się tam kondensator odcina z sygnału ewentualną składową stałą . Składowa ta moż e mieć niekiedy znaczną wartość i powodować zniknię cie z pola widzenia nałoż onej na nią niewielkiej składowej zmiennej, która jest czę sto jedyna interesują cą nas czę ścią sygnału badanego. Tak wię c tor ALT (zwany czę sto sprzę ż eniem AC) należ y wybrać , gdy zależ y nam na obserwowaniu sygnału zmiennego zawierają cego składową stałą , która nas nie interesuje. W torze DC sygnał wejściowy jest doprowadzany bezpośrednio do TŁUMIKA. Z toru tego korzystamy w przypadku, gdy mierzymy (obserwujemy) sygnały stałe, albo sygnały zmienne ze składowa stałą , która nas interesuje. Pozycja GND przełą cznika powoduje uziemienie wejścia oscyloskopu i pozwala ustawić wyświetlaną linię poziomą na osi zerowej podziałki ekranu oscyloskopu. Dzię ki temu moż liwe jest potem zmierzenie wartości sygnału badanego wzglę dem masy (ziemi). Gdy wspomniany przełą cznik torów) znajdzie się w pozycji GND, sprzę gnię ty z nim mechanicznie inny przełą cznik, spowoduje skierowanie sygnału mierzonego na obcią ż enie zbliż one do tego jakie powoduje oscyloskop. Stanowi to udogodnienie dla mierzą cego, który nie musi podczas ustawiania linii zerowej odłą czać od gniazda wejściowego kabla przyłą czeniowego. Tłumik Jest to rezystancyjny dzielnik napię cia (rys.5) o skokowo regulowanym stopniu tłumienia β napię cia wejściowego (Uwe). Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny R1 C1 R2 C2 Uwe Uwy Rys.5. Schemat tłumika wejściowego oscyloskopu Zadaniem tłumika jest zmniejszanie wartości sygnałów wejściowych i zapobieganie przesterowaniu stopni wejściowych wzmacniacza Y (rys.1). Wielkością charakteryzują cą tłumik jest współczynnik tłumienia β: β= U wy U we = R2 R1 + R 2 Współczynnik β nie zależ y od czę stotliwości sygnału wejściowego, jeż eli do rezystora R1 dołą czona jest pojemność C1 o wartości spełniają cej równanie: R1C1 = R 2 C2 gdzie C2 jest pojemnością zastę pczą pojemności montaż owych i pojemności wejściowej WTÓRNIKA. Jeż eli spełniona jest powyż sza równość mówimy, ż e dzielnik jest skompensowany, co oznacza, ż e impuls wyjściowy zachowuje kształt impulsu wejściowego. Na rys.6 pokazano przypadki skompensowania, przekompensowania i niedokompensowania dzielnika. Uwe Uwy sygnał wejściowy R1C1 > R2C2 β Uwe t Uwy β Uwe dzielnik przekompensowany t Uwy R1C1 = R2C2 dzielnik skompensowany β Uwe t R1C1 < R2C2 dzielnik niedokompensowany t Rys.6. Odpowiedzi dzielnika (Uwy) na wymuszenie impulsem prostoką tnym dla: • dzielnika skompensowanego Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny • dzielnika przekompensowanego • dzielnika niedokompensowanego Złe skompensowanie dzielnika powoduje wzrost błędów pomiaru. Tłumiki są tak konstruowane aby pojemnoś ć wejś ciowa Cwe : Cwe = miała jednakową wartoś tłumienia β. ć C1C2 C1 + C2 dla wszystkich pozycji przełą cznika współczynnika W oscyloskopie OS-351 przełą cznik ten oznaczony jest „VAR.CAL” (rys.4). Jest to bardzo waż ny przełą cznik. Przy jego pomocy uż ytkownik moż e skokowo regulować wysokoś ć obrazu na ekranie lampy oraz, co najważ niejsze, odczytywać wartoś ć amplitudy mierzonego sygnału. Poszczególne pozycje przełą cznika opisane są bowiem wartoś ciami współczynnika odchylania (pionowego) wyraż onego w V/cm albo mV/cm. Pomiar amplitudy (albo dowolnej wartoś ci chwilowej) sygnału polega na odczytaniu wysokoś ci jego obrazu w centymetrach i pomnoż eniu jej przez wspomniany współczynnik odchylania. W oscyloskopach stosowane są dwa rodzaje tłumików: • tłumiki o duż ej rezystancji wejś ciowej ( 1 MΩ ) • tłumiki o małej rezystancji wejś ciowej ( 50 Ω lub 75 Ω) W tłumiku o rezystancji wejś ciowej 50 Ω negatywny wpływ pojemnoś ci montaż owych jest znacznie mniejszy i dlatego tłumik taki jest czysto rezystancyjny (bez kondensatorów). Tłumiki o rezystancji wejś ciowej 50 Ω są stosowane w oscyloskopach o paś mie powyż ej 150 MHz. Ze wzrostem częstotliwoś ci rezystory w tłumiku należ y traktować jako elementy o stałych rozłoż onych, w wyniku czego rezystancja wejś ciowa w funkcji częstotliwoś ci maleje. Tak więc rezystancja wejś ciowa oscyloskopu ma wartoś ć 1MΩ tylko dla prą du stałego i małych częstotliwoś ci. Wtórnik Jest to wzmacniacz o współczynniku wzmocnienia napięciowego w przybliż eniu równym jednoś ci, nie odwracają cy w dodatku fazy napięcia wyjś ciowego względem napięcia wejś ciowego, a więc powtarzają cy na wyjś ciu sygnał wejś ciowy (stą d jego nazwa). Podstawową jego cechą , dla której wykorzystuje się go, jest duż a rezystancja wejś ciowa i małą wyjś ciowa. Wzmacniacz ten stanowi więc swoisty transformator rezystancji, wykorzys- Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny tywany do sprzęgania ź ródła sygnału o duż ej rezystancji wyjś ciowej z odbiornikiem o małej rezystancji wejś ciowej. W oscyloskopie wtórnik separuje ź ródło sygnału mierzonego od wzmacniacza odchylania pionowego (Y), nie dopuszczają c w ten sposób do nadmiernego obcią ż enia prą dowego tego ź ródła, zniekształcenia sygnału mierzonego, a co za tym idzie, zapobiega powstawaniu nadmiernego błędu pomiaru. Wzmacniacz odchylania pionowego Wzmacniacz ten (rys.4) wzmacnia wstępnie sygnał badany zmierzają cy do płytek odchylania pionowego. Jego współczynnik wzmocnienia jest regulowany w sposób płynny przy pomocy ś rodkowego pokrętła oznaczonego w oscyloskopie OS-531 „VAR CAL”. Regulacja wzmocnienia pozwala zmieniać wysokoś ć obrazu na ekranie, zwiększają c w ten sposób jego czytelnoś ć . Podczas pomiarów jednak pokrętło wzmocnienia musi znajdować się w ś ciś le okreś lonym położ eniu, najczęś ciej prawym skrajnym. Tylko wtedy bowiem prawdziwe są potrzebne przy pomiarach, wartoś ci współczynnika odchylania (w mV/cm lub V/cm) naniesione wokół przełą cznika stopnia tłumienia tłumika. W oscyloskopie OS-351 oba organy regulacyjne: współczynnika tłumienia i płynnej regulacji wzmocnienia skupione są w jednym miejscu i opisane jako „VAR CAL” przy czym ś rodkowe pokrętło służ y do płynnej regulacji wzmocnienia, zaś stosowna strzałka wymownie informuje o wymaga- nym położ eniu tego pokrętła podczas pomiarów. Jeż eli sygnał wejś ciowy jest zbyt duż y, to pomiędzy ź ródłem sygnału a wejś ciem wzmacniacza włą cza się omówiony wcześ niej tłumik, odpowiednio zmniejszają cy amplitudę tego sygnału. Ze wzmacniaczem odchylania pionowego zwią zany jest jeszcze jeden organ regulacyjny, oznaczony w oscyloskopie OS-351 „POSITION”. Przy jego pomocy uż ytkownik moż e przesuwać nieruchomy obraz w kierunku pionowym, co jest konieczne w przypadku, gdy na ekranie wyś wietlane są obrazy dwóch sygnałów i korzystnie jest umieś cić je jeden nad drugim, np. na górze sygnał wejś ciowy badanego układu, na dole zaś jego sygnał wyjś ciowy. Po wzmocnieniu sygnał wędruje dalej do przełącznika elektronicznego (rys.4). Częś ć sygnału odprowadza się do układu synchronizacyjnego generatora podstawy czasu. Obydwa te układy będą omówione w dalszej częś ci wykładu. Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Parametry charakteryzuj ą ce tor Y oscyloskopu Mówiąc o torze odchylania pionowego, wypada okreś lić najważ niejsze parametry oscyloskopu, związanymi z tym torem. Są nimi: • pasmo oscyloskopu • czas narastania • współczynnik odchylania Pasmo oscyloskopu jest to zakres czę stotliwoś ci sygnałów badanych zawartych mię dzy dwiema wartoś ciami: dolną f1 oraz górną f2, przy których wzmocnienie maleje o 3 dB w stosunku do wzmocnienia dla małych czę stotliwoś ci, to znaczy maleje do wartoś ci równej 0,707 wzmocnienia tych czę stotliwoś ci. Od strony małych czę stotliwoś ci pasmo ograniczone jest stałymi czasowymi układów sprzę gających (AC), a przy sprzę ż eniu stałoprądowym (DC) zaczyna się od 0 Hz. Od strony wysokich czę stotliwoś ci pasmo ograniczają pojemnoś ci i indukcyjnoś ci montaż owe wzmacniacza oraz parametrów tranzystorów. W oscyloskopach o duż ych czułoś ciach pasmo się ga kilkuset kHz, natomiast w oscyloskopach szerokopasmowych, mniej czułych, się ga 500 MHz i wię cej. Jeś li zaś chodzi o sygnał znacznie odbiegający kształtem od sinusoidy, istotna jest wiernoś ć , z jaka oscyloskop oddaje jego kształt. Miarą wiernoś ci jest odpowiedź wzmacniacza na impuls prostokątny o krótkim czasie narastania. Wzmacniacz rzeczywisty odbiega od idealnego, a miarą jego jakoś ci jest m. in. czas narastania. Czas narastania (opadania) impulsu (tn) jest to czas, w którym zbocze przednie (tylne) impulsu prostokątnego zmienia się od 10% do 90% (od 90% do 10%) amplitudy impulsu. W przypadku wzmacniaczy czas narastania (opadania) okreś la nastę pująca zależ noś ć : t n [ns] = gdzie f2 oznacza górną czę stotliwoś ć 350 f 2 [ MHz ] pasma. U Um 0,9U m 0,1U m t 0 tn Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Rys.7. Ilustracja zasady wyznaczania czasu narastania impulsu prostokątnego Zdecydowana wię kszoś ć produkowanych obecnie oscyloskopów ma wzmacniacze prądu stałego o sprzę ż eniu bezpoś rednim (DC) od wejś cia aż do płytek odchylających, co umoż liwia pomiar sygnałów o bardzo małych czę stotliwoś ciach oraz składowe stałe. Współczynnik odchylania (pionowego) oscyloskopu jest okreś lony przez wartoś ć mię dzyszczytowego napię cia Upp jakie należ y doprowadzić do jego wejś cia, aby uzyskać na ekranie obraz o wysokoś ci 1 cm lub 1 działki, jeż eli podziałka skali nie jest wyraż ona w centymetrach. Przeł ą cznik elektroniczny Przełącznik elektroniczny umoż liwia wykorzystanie pojedynczego strumienia elektronów do kreś lenia obrazów dwóch sygnałów pochodzących z róż nych kanałów oscyloskopu. Na rys.8. przedstawiony jest fragment układu elektrycznego oscyloskopu, który ilustruje zasadę działania przełącznika elektronicznego PE. Przełącznik ten udostę pnia wejś cie wzmacniacza koń cowego toru odchylania pionowego sygnałom z dwóch róż nych kanałów oscyloskopu, co umoż liwia jednoczesne oglądanie dwóch przebiegów elektrycznych (np. sinusoidalnego i prostokątnego). Przełączanie kanałów odbywa się jednym z dwóch sposobów wybranych przez uż ytkownika, mianowicie w trybie przełączania przemiennego oznaczonego jako ALT albo w trybie przełączania siekanego oznaczonego jako CHOP. y1(t) y2(t) KANAŁ A PE WZMACNIACZ KOŃCOWY KANAŁ B ALT CHOP UKŁAD STERUJĄ CY Rys.8. Fragment układu elektrycznego oscyloskopu z przełącznikiem elektronicznym PE Podczas pracy w trybie ALT strumień elektronów podczas swego biegu od lewej do prawej strony ekranu kreś li obraz tylko jednego sygnału, zaś podczas Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny powtórnego biegu - obraz drugiego. Jeżeli to naprzemienne rysowanie powtarza się z dostatecznie dużą czę stotliwoś cią , obserwator widzi obrazy obydwu sygnałów, m. in. dzię ki właś ciwoś ci ludzkiego wzroku, zachowują cego wrażenie przez jakiś czas po zniknię ciu bodź ca ś wietlnego. Gdy przełą cznik elektroniczny pracuje w trybie CHOP, podczas biegu strumienia elektronów od strony lewej ku prawej, rysuje on jednocześ nie obrazy obydwu przebiegów, ale obrazy te składają się teraz z wielu odcinków (rys.9). Przerwy w obrazie jednego przebiegu wykorzystywane są do kreś lenia odcinków drugiego z nich. W rezultacie obydwa przebiegi sprawiają wrażenie posiekanych na drobne czę ś ci. Ponieważ jednak obrazy kreś lone są wielokrotnie, obserwator najczę ś ciej nie widzi efektu siekania, gdyż za każdym razem przerwy wystę pują w innym, przypadkowym miejscu. Tryb ALT stosowany jest w przypadku, gdy czę stotliwoś ci badanych przebiegów są odpowiednio duże, wtedy bowiem czas kreś lenia jednego przebiegu jest krótki (czę stotliwoś ć napię cia generatora podstawy czasu jest wię ksza), a co za tym idzie, także przerwy w kreś leniu są krótsze, co wywołuje wrażenie cią głoś ci ś wiecenia obrazu. Tryb CHOP stosuje się przy niewielkiej czę stotliwoś ci badanych sygnałów, kiedy to ruch plamki ś wietlnej od strony lewej do prawej odbywa się stosunkowo wolno (czę stotliwoś ć napię cie generatora podstawy czasu jest niewielka) i przemienne kreś lenie każdego przebiegu z osobna wywoływałoby nieprzyjemne migotanie obrazu. Tryb ten jest stosowany także w przypadku rejestracji fotograficznej przebiegów jednokrotnych. Rys.9. Tryb siekany pracy przełą cznika elektronicznego Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny W oscyloskopie OS-351 przełącznik elektroniczny PE jest przełączany przez układ sterujący z czę stotliwoś cią 20 Hz przy pracy w trybie ALT oraz z czę stotliwoś cią 150 kHz gdy uż ytkownik wybierze tryb CHOP. Generator podstawy czasu Generator podstawy czasu generuje tzw. napię cie piłokształtne (rys.10). które doprowadzone do płytek odchylania poziomego (rys.11), steruje ruchem plamki ś wietlnej na ekranie, odwzorowującym upływ czasu (droga przebyta przez plamkę jest proporcjonalna do czasu rzeczywistego). Z generatorem tym związany jest kolejny waż ny parametr oscyloskopu, mianowicie współczynnik czasu. Współczynnik czasu jest to czas potrzebny do przesunię cia plamki ś wietlnej w kierunku poziomym na odległoś ć 1 cm lub 1 działki. Wyraż any jest w s/cm, ms/cm, µs/cm lub ps/cm (pikosekundy na centymetr) Generator podstawy czasu pełni rolę wewnę trznego zegara oscyloskopu, odmierzającego wzorcowe odcinki czasu potrzebne do pomiaru okresu, a tym samym czę stotliwoś ci sygnałów okresowych. Jego działanie uzewnę trznia się poprzez jednostajny ruch plamki ś wietlnej wzdłuż poziomej linii ekranu, za który to ruch generator jest odpowiedzialny. Ruch ten powodowany jest przez napię cie wyjś ciowe generatora, zmieniające się liniowo od wartoś ci -Uo do Uo (rys.10). Gdy napię cie to ma wartoś ć -Uo plamka ś wietlna znajduje się na lewym skraju ekranu (w punkcie startowym), kiedy osiąga ono wartoś ć równą zeru plamka dociera na ś rodek ekranu, przy napię ciu równym Uo znajdzie się natomiast na jego prawym skraju. Omówiona zmiana napię cia odbywa się w czasie Ts (rys.10). Szybkoś ć ruchu moż e być regulowana skokowo i płynnie poprzez zmianę czę stotliwoś ci napię cia generatora. Uo t -Uo Ts Tr Th To T Ts - czas roboczy, Tr - czas powrotu, Th - czas podtrzymania, To - czas oczekiwania na impuls wyzwalający, T - minimalny czas powtarzania Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Rys.10. Napięcie wyjś ciowe generatora podstawy czasu Pouczają ce jest nastawienie na począ tku małej częstotliwoś ci, zapewniają cej powolny ruch plamki ś wietlnej od strony lewej ekranu do prawej. Obserwator widzi wtedy plamkę w jednostajnym ruchu, powtarzają cym się w regularnych cyklach. Plamka docierają c do prawego skraju ekranu, znika nagle, by pojawić się po chwili po jego prawej stronie i rozpoczą ć ponownie swój ruch ze stałą prędkoś cią . Powrót plamki na lewą stronę ekranu odbywa się za sprawą maleją cego liniowo napięcia wyjś ciowego generatora (rys.10) i trwa o wiele krócej niż poprzedni ruch. Ta faza ruchu jest niewidoczna dla obserwatora, ponieważ działają cy automatycznie układ elektroniczny, dostarcza na ten czas do siatki sterują cej lampy oscyloskopowej (cylindra Wehnelta) impuls ujemny, powodują c tym całkowite wyhamowanie emitowanych przez katodę elektronów. Gdyby zabrakło tego mechanizmu, strumień elektronów kreś liłby linię swego ruchu powrotnego nie zwią zaną z obserwowanym przebiegiem i fałszują cą jego obraz, co komplikowałoby obserwację. Kiedy stopniowo zwiększać będziemy częstotliwoś ć napięcia generatora, ruch plamki stanie się coraz szybszy i zacznie ona zostawiać za sobą charakterystyczne smuż enie ś wietlne, by po osią gnięciu pewnej prędkoś ci znaczyć swój ruch jednolitą , jeś li chodzi o natęż enie linią ś wietlną . Linię tę nazywa się często podstawą czasu. Opisane obserwacje polecić należ y wszystkim począ tkują cym uż ytkownikom oscyloskopu, ponieważ dają one dobre wyobraż enie zasady działania generatora podstawy czasu. Zanim opisany przed chwilą cykl powtórzy się, muszą zanikną ć stany nieustalone wewną trz generatora. Zwią zany jest z tym tak zwany czas martwy albo czas podtrzymania Th (rys.10). Czas martwy jest to odstęp czasu, w którym przychodzą cy z układy synchronizacyjnego (rys.12) impuls wyzwalają cy (gdyby się pojawił) nie moż e wyzwolić podstawy czasu, to znaczy zainicjować cyklu generacyjnego napięcia piłokształtnego. Czas martwy jest dłuż szy od czasu powrotu i wynosi tyle ile jest konieczne w danym układzie do całkowitego zakoń czenia się stanów nieustalonych zwią zanych z powrotem układów oscyloskopu do stanu wyjś ciowego. Następny impuls wyzwalają cy jest zdolny wyzwolić podstawę czasu dopiero po ustaniu wszystkich procesów przejś ciowych, co zapewnia dokładną powtarzalnoś ć kolejnych odcinków podstawy czasu. Płynna regulacja czasu martwego moż e być dokonywana przez uż ytkownika przy pomocy pokrętła oznaczonego „HOLDOFF” (rys.12). Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Ilustracja działania funkcji HOLDOFF oscyloskopu Funkcja pozwala regulować czas spoczynku (czas oczekiwania) w cyklicznej pracy generatora podstawy czasu, co warunkuje otrzymanie stabilnego obrazu obserwowanego sygnału. Jest to szczególnie cenne przy obserwacji złoż onych przebiegów okresowych (patrz rysunek 11.). Na rysunku 1. obraz zaczyna być rysowany (linia pogrubiona) od najniż szego poziomu sygnału badanego (poziom ten wybiera uż ytkownik przy pomocy pokrę tła LEVEL). Niewłaś ciwie dobrany czas oczekiwania (To1) generatora podstawy czasu sprawia, ż e podczas kolejnych okresów napię cia piłokształtnego na ekranie rysowany jest inny fragment złoż onego sygnału okresowego przy (rys. 11A), co sprawia, ż e obserwator widzi na ekranie kilka nałoż onych na siebie i niestabilnych obrazów, czyli tzw. obraz uwikłany. Po wydłuż eniu czasu oczekiwania pomocy pokrę tła oznaczanego zwykle jako HOLDOFF, (czas To2 na rys. 11B), przy każ dym okresie napię cia piłokształtnego kreś lony jest ten sam (zaznaczony linią pogrubion ą ) fragment badanego sygnału. Obserwator widzi teraz na ekranie stabilny obraz tego sygnału. 1 Okres sygnału 2 Okres sygnału A To1 B To2 TR TP Rys. 11. Ilustracja zasady działania funkcji HOLDOFF oscyloskopu Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Na rysunku 12. przedstawiono blokowy schemat tej części układu elektrycznego oscyloskopu, który zwią zany jest z generatorem podstawy czasu. Pominiemy budowę wewnętrzną generatora, skupiają c się na układach sterują cych jego pracą . Występują ce na rys.12 oznaczenia zwią zane są z przykładowym oscyloskopem typu OS-351. Generator podstawy czasu pracuje pod nadzorem układu synchronizacyjnego, który decyduje każ dorazowo o chwili zapoczą tkowania kolejnego cyklu jego pracy. Chodzi o to by przy wielokrotnym rysowaniu badanego przebiegu, kolejny jego obraz był rysowany dokładnie na obrazie poprzednim, co jest warunkiem wyświetlania na ekranie nieruchomego i stabilnego obrazu mierzonego sygnału. Innymi słowy sygnał ten musi być rysowany zawsze od tego samego punktu. Wybór tego punktu zależ y od uż ytkownika, który ma do dyspozycji kilka róż nych organów regulacyjnych. KANAŁ A KANAŁ B PE WZMAC. KOŃCOWY WZMACNIACZ X POSITION MAGNIEFIER INPUT X X GENERATOR PODSTAWY CZASU X s/cm ms/cm µs/cm UKŁAD SYNCHRONIZACJI TV L CH A CH B PŁ TV F HOLD OFF TRIG INPUT TRIG LEVEL SLOPE AUTO NORM Rys.12. Generator podstawy czasu i jego otoczenie Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Podstawowym organem jest tu „TRIG LEVEL” czyli poziom wyzwalania. Pokrętłem poziomu wyzwalania moż na wybrać wartoś ć napięcia, od której zacznie się kreś lenie krzywej sygnału (rys.13). Rys.13. Efekt regulacji poziomu wyzwalania Kolejnym organem będą cym do dyspozycji uż ytkownika jest przełą cznik oznaczony „SLOPE”. Służ y on do wyboru zbocza (narastają cego lub maleją cego) od którego zacznie być rysowany przebieg (rys. 14). Rys.14. Działanie przełą cznika „SLOPE” Przełą cznik „AUTO”, gdy jest włą czony, powoduje samoczynną pracę generatora podstawy czasu z okreś loną przez konstruktora częstotliwoś cią . Oznacza to, ż e generator pracuje pod nieobecnoś ć jakiegokolwiek sygnału badanego. Na ekranie rysowana jest linia podstawy czasu sygnalizują c uż ytkownikowi sprawnoś ć tego generatora i pozwalają c ustawić tę linię na odpowiedniej linii siatki naniesionej na ekranie. Brak jakiegokolwiek obrazu na ekranie, co powoduje pewną konsternację u począ tkują cego uż ytkownika, wywołana jest często uprzednim wciś nięciem przełą cznika „NORM”, który wprowadza odmienny tryb pracy generatora podstawy czasu. Tryb ten wymaga obecnoś ci na wejś ciu układu synchronizacji sygnału badanego dostarczonego z kanału A lub B. Sygnał ten jest wówczas porównywany przez układ synchro- Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny nizacji z napięcie stałym nastawionym przy pomocy regulatora „TRIG LEVEL” i wyzwala generator podstawy czasu w odpowiednim punkcie badanego przebiegu. Wynika stą d, ż e nastawianie poziomu wyzwalania (regulator „TRIG LEVEL”), a takż e wybór zbocza (przełą cznik „SLOPE”) jest moż liwe tylko przy włą czonym przełą czniku „NORM” Wybór kanału, z którego dostarczany jest sygnał do układu synchronizacji dokonuje się przy pomocy przełą cznika PŁ, który ma jeszcze trzecią pozycję oznaczoną „TRIG INPUT”, umoż liwiają cą synchronizowanie pracy generatora podstawy czasu sygnałem zewnętrznym. Tak więc, gdy mierzymy tylko jeden sygnał i korzystamy z jednego kanału, musimy ustawić przełą cznik PŁ w stosownej pozycji: „CH A” albo „CH B”. Jest to warunkiem uzyskania stabilnego obrazu badanego sygnału zarówno przy włą czonym „AUTO” jaki „NORM”. Kiedy oglą damy jednocześ nie dwa obrazy (pracuje przełą cznik elektroniczny PE), musimy zdecydować się na wybór jednego z dwóch badanych sygnałów, ustawiają c przełą cznik PŁ w jednej z dwóch pozycji: „CH A” albo „CH B”. Wybiera się zwykle tę pozycję przełą cznika, która zapewnia lepszą synchronizację (bardziej stabilny obraz). Z procesem synchronizacji zwią zane są dwa charakterystyczne przełą czniki: „TV L” oraz „TV F” uż ywane do prac serwisowych przy naprawie odbiorników telewizyjnych. Przy włą czonym „TV L” generator podstawy czasu jest sterowany impulsami synchronizacyjnymi linii, znaczą cymi koniec każ dej linii obrazu telewizyjnego. Przy włą czonym „TV F” korzysta się z impulsów synchronizacyjnych znaczą cych koniec ramki obrazu. Oscyloskop musi w takich przypadkach zawierać układy separują ce z zespolonego sygnału telewizyjnego wymienione impulsy synchronizacyjne. Na rysunku 12. widnieje takż e organ regulacyjny oznaczony „HOLD OFF”. Jego rola opisana została wyż ej (patrz rysunek 11). Przełą cznik „MAGNIEFIER” (co tłumaczy się jako „lupa”) zmienia współczynnik wzmocnienia wzmacniacza X sygnału dostarczonego do toru odchylania poziomego przez gniazdo wejś ciowe „INPUT X”. Zwiększają c ten współczynnik moż na rozcią gną ć obraz sygnału w osi X (osi czasu) i dokładniej obejrzeć te jego fragmenty, które są „zagęszczone” w czasie. Rozcią gnięcie obrazu sprawia, ż e jego częś ć przestaje być widoczna na ekranie ale moż na ją obejrzeć przesuwają c obraz w osi X przy pomocy regulatora „POSITION”. Pozycja przełą cznika „MAGNIEFIER” zmienia oczywiś cie takż e skokowo współczynnik czasu (patrz rys.12). Na przykład w oscyloskopie OS351 wspominany przełą cznik ma dwie pozycje oznaczone: „× ×1” i „× ×5”. Pozycjom tym odpowiada współczynnik wzmocnienia w torze X odpowiednio: 0,5 V/cm i 0,1 V/cm (pięciokrotny wzrost czułoś ci). Pięciokrotnie zmieniają się takż e współczynniki czasu. Dla pozycji przełą cznika „x1” wynoszą one od 0,1 µs/cm do 0,5 s/cm, zaś dla pozycji „× ×5” od 0,02 µs do 0,1 s/cm. Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Powróćmy do gniazda wejś ciowego „INPUT X”. Wykorzystuje się je wówczas, gdy pomiar wymaga sterowania płytkami odchylania poziomego przez sygnał zewnę trzny, np. sygnał proporcjonalny do napię cia przy zdejmowaniu charakterystyki prą dowo - napię ciowej diody. Wyłą czony musi być wtedy oczywiś cie generator podstawy czasy. W oscyloskopie OS-531 służ y do tego wyłą cznik „X” (rys.12). Jednorazowa podstawa czasu Zgodnie z nazwą , sygnał odchylania poziomego jest doprowadzony do płytek odchylania poziomego jednorazowo, dają c jednorazowy ruch plamki w prawo i z powrotem. Sygnał odchylania pionowego powinien z chwilą pojawienia się wyzwolić jednorazowo generator podstawy czasu. Jednorazowa podstawa czasu jest stosowana przy pomiarach zjawisk nieperiodycznych, takich jak przebicia i wyładowania, zjawiska przy wybuchu, zjawiska przy przełą czeniach napię ć oraz prą dów, itp. Oscyloskop OS-351 nie ma mechanizmu wyzwalania jednorazowego, nie jest bowiem przystosowany do rejestracji tak krótkotrwałych zjawisk fizycznych. W niniejszym ćwiczeniu uż ywany jest klasyczny oscyloskop analogowy, pozwalają cy zapoznać studentów z podstawami techniki oscyloskopowej. Jej opanowanie jest podstawą do studiowania zasad działania oscyloskopów cyfrowych. Ć wiczenie zawiera zadania pomiarowe, zwią zane z podstawowymi zastosowaniami oscyloskopu analogowego. 2. Zadania pomiarowe Zadanie 1 Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu amplitudę Um i okres T zadanego sygnału sinusoidalnego. Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na rysunku 1. Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Oscyloskop Przewód ekranowany PW-11 Input A Input B lub Generator Rys.1. Schemat układu pomiarowego U(t) Um t T Obraz oscylograficzny sygnału sinusoidalnego Kolejność czynności Przed włączeniem napięcia zasilającego oscyloskopu, należy dokonać wstępnych nastaw jego organów regulacyjnych. W torze odchylania Y • przełącznik rodzaju sprzężenia (DC,GND,AC) ustawić w pozycji AC • regulator współczynnika wzmocnienia wzmacniacza VAR. CAL (pokrętło oznaczone kolorem czerwonym) ustawić w prawym skrajnym położeniu Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny • przełącznik NORM / INV w pozycji NORM W torze odchylania X • • • • przełącznik X MAGNIFIER w pozycji X1 w zespole przełączników AUTO / NORM / TV-F / TV-L wcisnąć AUTO przełącznik SLOPE w pozycji + przełącznik TRIG SOURCE w pozycji CH A lub CH B, zależ nie od tego do którego wejś cia oscyloskopu doprowadzony jest sygnał mierzony • regulatory LEVEL / HOLDOFF (ś rodkowy i zewnę trzny) ustawić w pozycjach ś rodkowych Następnie należy 1. Włączyć napię cie zasilające oscyloskopu i odczekać ok. pię ciu minut 2. Włączyć napię cie zasilające generator 3. Nastawić czę stotliwoś ć generatora 500 Hz i napię cie wyjś ciowe o wartoś ci ok. 6V 4. Doprowadzić sygnał z generatora przewodem ekranowanym do wejś cia INPUT A albo INPUT B 5. W zespole przełączników VERT MODE wcisnąć wyłącznik CHA A lub CHA B zależ nie od wybranego wejś cia A lub B 6. W zespole przełączników X MAGNIFIER wcisnąć odpowiednio CHA A lub CHA B oraz AUTO 7. Przełącznikiem zmiany współczynnika odchylania pionowego (mV/cm, V/cm) uzyskać moż liwie duż y obraz sygnału sinusoidalnego; wyregulować precyzyjnie jego położ enie w osi Y potencjometrem POSITION ↑↓ 8. Przełącznikiem zmiany współczynnika czasu (s/cm, ms/cm, µs/cm) uzyskać obraz co najmniej jednego okresu sinusoidy; wyregulować precyzyjnie jego położ enie w osi X potencjometrem POSITION ↔ W rezultacie opisanych wyż ej zabiegów na ekranie oscyloskopu powinien pojawić się nieruchomy obraz sygnału sinusoidalnego. Należ y teraz zmierzyć amplitudę tego sygnału oraz jego okres. Wyniki odczytów i obliczeń zanotować w Tablicy 1. Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Tablica 1 Współczynnik odchylania w torze Y ay =...........................mV/cm, V/cm niepotrzebne skreślić Amplituda sygnału w centymetrach hy = ...........................................cm Amplituda w jednostkach napięcia Um = ay∗hy..........................mV, V niepotrzebne skreślić ax = ................ µs/cm, ms/cm, s/cm Współczynnik odchylania w torze X niepotrzebne skreślić Okres sygnału w centymetrach hx = ...........................................cm Okres sygnału w jednostkach czasu T = ax∗hx..........................µs, ms, s niepotrzebne skreślić Zadanie 2 Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu amplitudę Um i okres T zadanego sygnału prostoką tnego. Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na rysunku 1. Przebieg pomiarów będzie tu analogiczny do opisanego w Zadaniu 1 Wyniki pomiarów należ y zapisać w Tablicy 2. Um t T Obraz oscyloskopowy napięcia okresowego, prostoką tnego W sprawozdaniu należ y wyjaś nić sposób wyznaczenia wartoś ci skutecznej mierzonego sygnału na podstawie oscyloskopowego pomiaru jego amplitudy. Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Tablica 2 Współczynnik odchylania w torze Y ay =...........................mV/cm, V/cm niepotrzebne skreślić Amplituda sygnału w centymetrach hy = ...........................................cm Amplituda w jednostkach napięcia Um = ay∗hy..........................mV, V niepotrzebne skreślić ax = ................ µs/cm, ms/cm, s/cm Współczynnik odchylania w torze X niepotrzebne skreślić Okres sygnału w centymetrach hx = ...........................................cm Okres sygnału w jednostkach czasu T = ax∗hx..........................µs, ms, s niepotrzebne skreślić Zadanie 3 Obejrzeć na ekranie efekt róż niczkowania napięcia prostoką tnego i zinterpretować otrzymane na ekranie obrazy. Schemat układu połą czeń przedstawiony jest na rysunku 2. 3 C G PW-11 Uwy= 4V f= 2kHz 2 5 R INPUT B Rys.2. Schemat układu róż niczkują cego INPUT A Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Um t t T Obraz oscyloskopowy zróżniczkowanego sygnału prostoką tnego W sprawozdaniu należy: 1. Naszkicować oglą dane przebiegi 2. Wyjaś nić dlaczego w sygnale wyjś ciowym pojawiają się impulsy szpilkowe dodatnie i ujemne 3. Zaproponować sposób usuwania z sygnału wyjś ciowego układu różniczkują cego impulsów ujemnych Należy połą czyć układ pomiarowy według schematu przedstawionego na rysunku 2. Rezystor i kondensator umieszczone są na wspólnej płytce, a zaciski utworzonego przez te elementy układu oznaczone są cyframi 2,3,5. Aby możliwe było oglą danie jednocześ nie obrazów dwóch sygnałów: prostoką tnego napię cia wejś ciowego układu różniczkują cego (zaciski 3,5) i napię cia wyjś ciowego tego układu (zaciski 2,5), należy włą czyć przełą cznik elektroniczny, wybierają c jeden z dwóch możliwych trybów jego pracy: tryb przemienny (ALT) lub siekany (CHOP). Zalecane nastawy: W torach Y: kanał: A: ay = 5V/cm, kanał: B: ay = 5V/cm; W torze X: ax = 0,1 ms/cm Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Zadanie 4 Obejrzeć na ekranie efekt całkowania napię cia prostoką tnego i zinterpretować otrzymane na ekranie obrazy. Schemat układu połą czeń przedstawiony jest na rysunku 3. W sprawozdaniu należ y: 1. Naszkicować oglą dane przebiegi 2. Wyjaś nić dlaczego w rezultacie całkowania sygnału prostoką tnego otrzymuje się sygnał bę dą cy liniową funkcją czasu. Podać interpretację matematyczną . 2 G PW-11 R 5 Uwy= 4V f= 200Hz 6 C INPUT B INPUT A Rys.3. Schemat układu całkują cego Zalecane nastawy: W torach Y: kanał A: ay = 5V/cm, kanał B: ay = 50 mV/cm; W torze X: ax= 0,5 ms/cm Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny Um t t T Obraz oscyloskopowy scałkowanego napięcia prostoką tnego Zadanie 5 Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu napięcie Uz diody Zenera. Schemat układu połą czeń przedstawiony jest na rysunku 3. G Uwy= 25V∼ f= 50Hz PO-21 DZ R1 UZ R2 R3 90kΩ 10kΩ X or TRIG INPUT INPUT A Rys.3. Schemat układu do pomiaru napięcia Zenera DZ – badana dioda Zenera R1 – rezystor przetwarzają cy prą d diody Zenera na proporcjonalne do niego napięcie R2, R3 – dzielnik napięcia obniż ają cy napięcie Zenera w stosunku 1/10 przed podaniem go do wejś cia oscyloskopu Zalecane nastawy: Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny W torze Y: ay = 5V/cm W torze X: ax = 0,5V/cm (MAGNIFIER X1) Wcisnąć NORM/INV. i UZ (LZ) u Obraz oscyloskopowy charakterystyki prądowo – napię ciowej diody Zenera Przebieg pomiaru Zwię kszać stopniowo napię cie wyjś ciowe generatora aż do chwili pojawienia się na ekranie pełnej charakterystyki prądowo - napię ciowej diody Zenera. Obliczyć wartoś ć napię cia Zenera badanej diody według nastę pującej formuły: UZ[V] = LZ[cm]×0,5 [V/cm] ×10 Zanotować w Tablicy 3 wynik pomiaru napię cia UZ badanej diody. Tablica 3 UZ = ..................V W sprawozdaniu wyjaś nić dlaczego dla otrzymania prawidłowego obrazu charakterystyki prądowo - napię ciowej diody Zenera należało zmienić polaryzację napię cia w torze Y oscyloskopu przez wciś nię cie przełącznika NORM/INV. Wskazówka: Przeanalizować polaryzację napię ć mię dzy punktami 3 - 4 oraz 4 - 5. Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny 3. Pytania kontrolne 1. Jaka elektroda lampy oscyloskopowej emituje strumień elektronów? 2. Jaką rolę w lampie pełni cylinder Wehnelta? 3. Jakie elektrody odpowiedzialne są za skupianie i przyś pieszanie strumienia elektronów? 4. Jaką rolę pełni powłoka grafitowa wewną trz lampy? 5. Czemu służ y metalizowanie ekranu? 6. Co to jest emisja wtórna i jakie jest jej znaczenie w pracy lampy? 9. Dlaczego moż liwe jest oglą danie jednocześ nie dwóch przebiegów na ekranie oscyloskopu jednostrumieniowego? 10. Wyjaś nij rolę przełą cznika elektronicznego 11. Objaś nij zasadę działania przełą cznika elektronicznego oraz tryby jego pracy: siekany i przemienny. 12. Jaki rodzaj odchylania stosowany jest w oscyloskopach: magnetyczny czy elektryczny? 13. Wyjaś nij rolę generatora podstawy czasu 14. Narysuj przebieg czasowy napię cia generatora podstawy czasu. 15. Jaka jest zasada pracy tzw. „samobież nej podstawy czasu”? 16. Jaka jest zasada pracy tzw. „wyzwalanej podstawy czasu” 4. Literatura 1. Rydzewski J. 2. Rydzewski J. 3. Chwaleba A. 4. Łapiński M. Oscyloskop elektroniczny WKŁ, Warszawa 1976 Pomiary oscyloskopowe WNT, Warszawa 1994 i inni Metrologia elektryczna WNT, Warszawa 1994 Miernictwo elektryczne WNT, Warszawa 1967 Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny DODATEK Skrócony opis funkcji organów regulacyjnych oscyloskopu typu OS-351 Zespół przełączników dotyczących odchylania pionowego Oscyloskop ma dwa tory odchylania pionowego oznaczone jako „CH A” oraz „CH B”. W każdym z tych torów wystę pują tak samo oznaczone przełą czniki i organy regulacyjne. Przykładowy opis dla kanału A INPUT A - gniazdo wejś ciowe kanału A NORM/INV - przełą cznik polaryzacji sygnału mierzonego (odwraca fazę obserwowanego przebiegu o 1800) DC, GND, AC - przełą cznik o trzech położeniach umożliwiają cy wybór rodzaju sprzę żenia: DC - sprzę żenie bezpoś rednie (stałoprą dowe) umożliwiają ce pomiar napię cia stałego oraz napię cia zmiennego zawierają cego składową stałą ; zakres mierzonych czę stotliwoś ci: 0 Hz - 15 MHz AC - sprzę żenie zmiennoprą dowe, wejś cie zawiera kondensator odcinają cy składową stałą napię cia mierzonego; zakres mierzonych czę stotliwoś ci: 10 Hz - 15 MHz GND - wejś cie wzmacniacza dołą czone do masy, sygnał mierzony podawany jest na obcią żenie 1MΩ, 47 nF. Ta pozycja przełą cznika pozwala na ustawienie linii odniesienia na zerowej linii siatki ekranu bez koniecznoś ci odłą czania oscyloskopu od ź ródła sygnału mierzonego. VAR. CAL - ś rodkowe pokrę tło (koloru czerwonego) służy do regulacji współczynnika wzmocnienia wzmacniacza odchylania pionowego. Podczas pomiarów powinno znajdować się w prawym skrajnym położ eniu. Przełą cznik zewnę trzny służy do skokowej regulacji współczynnika tłumienia tłumika wejś ciowego a tym samym do wyboru współczynnika odchylania pionowego i jest opisany w jednostkach: V/cm , mV/cm VERT MODE - zespół przełą czników o nastę pują cych funkcjach: CH A - kieruje do wzmacniacza sygnał doprowadzony do wejś cia INPUT A CH B - kieruje do wzmacniacza sygnał doprowadzony do wejś cia INPUT B ALT - włą cza tryb przemienny pracy przełą cznika elektronicznego (przełą czanie z czę stotliwoś cią ok. 20 Hz) Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny CHOP - włącza tryb siekany pracy przełącznika elektronicznego (przełączanie z czę stotliwoś cią 150 kHz) ADD - umoż liwia oglądanie sumy (algebraicznej) sygnałów z kanałów A i B POSITION ↑↓ - pokrę tło przesuwu obrazu w osi Y Zespół przełączników dotyczących odchylania poziomego MAGNIFIER - przełącznik zmiany współczynnika czasu lub zmiany współczynnika odchylania poziomego. pozycja X1 - współczynnik czasu od 0,1 µs/cm do 0,5 s/cm pozycja X5 - współczynnik czasu od 0,02 µs/cm do 0,1 s/cm Gdy napię cie odchylające jest doprowadzane z zewnątrz (do wejś cia X or TRIG INPUT): pozycja X1 - współczynnik odchylania poziomego 0,5 V/cm pozycja X5 - współczynnik odchylania poziomego 0,1 V/cm VAR. CAL - przełącznik współczynnika czasu i pokrę tło (ś rodkowe koloru czerwonego) płynnej regulacji współczynnika czasu TRIG MODE - przełączniki sposobu wyzwalania podstawy czasu: AUTO - generator podstawy czasu jest wyzwalany automatycznie z czę stotliwoś cią ok. 20 Hz, bez wzglę du na istnienie czy brak sygnału mierzonego. Zaleca się korzystanie z tego rodzaju wyzwalania, ponieważ umoż liwia on oglądanie linii odniesienia jeszcze przed przyłączeniem sygnału mierzonego. NORM - generator podstawy czasu jest wyzwalany sygnałem mierzonym, przy braku tego sygnału na ekranie nie pojawia się linia odniesienia, co sugerować moż e uszkodzenie oscyloskopu ! TV-F - generator podstawy czasu jest wyzwalany impulsem synchronizującym ramkę obrazu telewizyjnego TV-L - generator podstawy czasu jest wyzwalany impulsem synchronizującym linię obrazu telewizyjnego SLOPE - przełącznik wyboru zbocza (narastającego „+” lub opadającego „-”), które wyzwalać bę dzie generator podstawy czasu LEVEL HOLDOFF - regulacja poziomu napię cia od którego wyzwalany bę dzie generator podstawy czasu ( tryb pracy aktywny tylko przy włączonym przełączniku NORM) LEVEL HOLDOFF - (ś rodkowe pokrę tło) - regulacja czasu powstrzymania wyzwolenia generatora podstawy czasu. Wykorzystywane przy oglądaniu złoż onych sygnałów z układów elektronicznych. Ć wicz. Nr 22 Oscyloskop elektroniczny TRIG SOURCE - zespół przełączników służ ących do wyboru ź ródła sygnału wyzwalania generatora podstawy czasu: CH A - wyzwalanie generatora podstawy czasu sygnałem mierzonym doprowadzonym do gniazda INPUT A CH B - wyzwalanie generatora podstawy czasu sygnałem mierzonym doprowadzonym do gniazda INPUT B X - wyzwalanie generatora podstawy czasu sygnałem mierzonym doprowadzonym do gniazda X or TRIG INPUT POSITION FINE ↔ - pokrę tło przesuwu zgrubnego i dokładnego (ś rodkowy potencjometr) obrazu w osi X. Podczas pomiaru czasu (np. okresu sygnału), pokrętło to powinno być ustawione w prawym skrajnym położ eniu. X or TRIG INPUT - gniazdo wejś ciowe sygnału sterującego płytkami odchylania poziomego, służ ące takż e do wyzwalania generatora podstawy czasu sygnałem zewnę trznym. Gniazdo uż ywane do zdejmowania charakterystyk, np. prądowo - napię ciowych. ASTG - regulacja astygmatyzmu elektrycznego układu optycznego oscyloskopu INTENSITY - regulacja jasnoś ci obrazu FOCUS - regulacja ostroś ci obrazu SCALE ILUM - regulacja oś wietlenia siatki naniesionej na ekran POWER ON/OFF - wyłącznik napię cia sieciowego
