instrukcja_cw3.pdf

Ćwiczenie – Zastosowania oscyloskopu w technice pomiarowej

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie zasad wykorzystania oscyloskopu w technice pomiarowej. W instrukcji skró-

towo potraktowano zagadnienia konstrukcyjne zwracając uwagę na podzespoły i parametry oscyloskopów, któ-

re decydują o ich właściwościach metrologicznych. Powszechny dostęp do oscyloskopów cyfrowych wyposa-

żonych w rozbudowane funkcje pomiarowe powoduje, że trudno dzisiaj mówić o klasycznych zastosowaniach

pomiarowych oscyloskopów analogowych. Należy jednak pamiętać, że oscyloskopy analogowe nadal mogą być

wykorzystywane do obserwacji i identyfikacji sygnałów. Brak automatyzacji pomiarów jest kompensowany

w tych oscyloskopach przez zastosowanie kursorów pomiarowych ułatwiających wyznaczanie charakterystycz-

nych parametrów obserwowanych przebiegów. Przy wyborze oscyloskopu do konkretnych zadań pomiarowych

znaczenie może mieć również cena przyrządu - oscyloskopy analogowe są 2-3 krotnie tańsze od oscyloskopów

cyfrowych.

W instrukcji szczegółowo opisano oscyloskop HP54603B z modułem HP54659B z uwagi na jego po-

wszechność stosowania w laboratoriach uczelnianych. Właściwości pomiarowe oscyloskopu powodują, że mo-

że on zastać wykorzystany do realizacji większości zadań dydaktycznych nie tylko w laboratorium metrologii,

ale również techniki mikroprocesorowej, cyfrowego przetwarzania sygnałów lub systemów informacyjno-

pomiarowych.

2. Wprowadzenie teoretyczne

Oscyloskop jest jednym z najbardziej uniwersalnych urządzeń pomiarowych. Za pomocą oscyloskopu moż-

na zaobserwować kształt przebiegu, jak i określić parametry, takie jak np.: amplituda, okres, przesunięcie fazo-

we między dwoma przebiegami, czasy narastania i opadania zboczy itd.

Podstawowym elementem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa, na której jest zobrazowany badany prze-

bieg. W oscyloskopach cyfrowych stosuje się obecnie lampy kineskopowe i ekrany ciekłokrystaliczne.

Oscyloskopy można podzielić na dwie podstawowe grupy:

• analogowe,

• cyfrowe.

Podstawową różnicą pomiędzy tymi oscyloskopami jest sposób utrwalania przebiegu wejściowego.

W oscyloskopie analogowym obraz jest bezpośrednio prezentowany na ekranie lampy i tym samym może być

obserwowany tylko przez czas ekspozycji, natomiast w oscyloskopie cyfrowym próbki przebiegu są zapamię-

tywane w pamięci półprzewodnikowej, zatem mogą być przekazane do układu wyświetlania niezależnie od

czasu akwizycji sygnału. Oczywiście w podstawowym trybie pracy oscyloskopu cyfrowego (tzw. pracy ciągłej)

przebieg jest prezentowany bezpośrednio po zebraniu takiej liczby próbek, żeby zapełnić jeden ekran (dokład-

niej chodzi tu o zebranie liczby próbek odpowiadającej rozmiarowi rekordu zobrazowania, zazwyczaj mniejsze-

go od rozmiaru całej pamięci). Wzgląd na przyzwyczajenia użytkowników powoduje, że panel czołowy oscylo-

skopu cyfrowego często przypomina odpowiedni panel oscyloskopu analogowego. Wiele elementów regulacyj-

nych na panelu czołowym spełnia analogiczne funkcję w obu oscyloskopach pomimo, że są realizowane

w technice analogowej lub cyfrowej. Stąd, z punktu widzenia użytkownika, obsługa oscyloskopu (rozumiana

jako funkcje przycisków i pokręteł na panelu czołowym) jest podobna dla oscyloskopu cyfrowego i analogowe-

go. Wrażenie łatwiejszej obsługi oscyloskopu cyfrowego powstaje dzięki zobrazowaniu znaczenia funkcji na

ekranie i możliwości automatycznego doboru ustawień oscyloskopu do charakteru przebiegu wejściowego

(patrz funkcje Autoscala i AutoLevel). Należy jednak podkreślić, że stosowanie takich funkcji ma sens w przy-

padku standardowych sygnałów. Badanie przebiegów o złożonych kształtach wymaga znajomości działania

zaawansowanych funkcji regulacyjnych i pomiarowych oscyloskopu cyfrowego.

2.1. Oscyloskop analogowy

Podstawowymi parametrami opisującymi oscyloskop analogowy są:

- pasmo pomiarowe oscyloskopu,

- czas narastania,

- czułość odchylania pionowego,

- czułość odchylania poziomego,

- liczba torów wejściowych,

- rodzaj zasilania: sieciowe, bateryjne,

- parametry lampy oscyloskopowej,

- rodzaj konstrukcji: zwarta lub z możliwością wymiany paneli.

str. 1

Ćwiczenie – Zastosowania oscyloskopu w technice pomiarowej

Pasmo pomiarowe i czas narastania zależą od właściwości układów wejściowych oscyloskopu. Kształt cha-

rakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej wzmacniacza wejściowego oraz jego właściwości inercyjne ogra-

niczają możliwości zastosowania oscyloskopu przy badaniach przebiegów szybkozmiennych i impulsowych

o bardzo krótkich czasach narastania zboczy.

Czułość odchylania pionowego (stała odchylania) oscyloskopu jest wyrażana w V/dz (zazwyczaj 1 dz = 1 cm

na ekranie).

Czułość odchylania poziomego określa jak szybkie i krótkie przebiegi można mierzyć (oczywiście ograni-

czone pasmem przenoszenia). Wyrażona jest w s/dz (ms/dz, µs/dz).

Oscyloskopy posiadające dwa tory pomiarowe umożliwiają jednoczesny pomiar dwóch różnych przebiegów.

Uzyskuje się to przez zastosowanie przełącznika elektronicznego, który przełącza sterowanie lampy oscylosko-

powej z jednego toru na drugi. Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy oscyloskopu analogowego, a na

rysunku 2 zilustrowano zasadę powstawania na ekranie obrazu przebiegu doprowadzonego do jednego z wejść

oscyloskopu.

We 1

Sprzężenie

Kanał 1

DC, AC, GND

Wzmocnienie

Kanał 1

Volt/div

Wybór rodzaju

pracy

We 2

Sprzężenie

Kanał 2

DC, AC, GND

Wzmocnienie

Kanał 2

Volt/div

Ext

Wybór źródła

wyzwalania

Generator

podstawy czasu

Lampa obrazowa

z układami

sterującymi

Rys. 1. Schemat blokowy oscyloskopu analogowego

sygnał doprowadzony do płytek

odchylania pionowego

0 1

1 2

3 4

5 6

7 8

sygnał doprowadzony do płytek

odchylania poziomego

ruch powrotny plamki oscyloskopu

Rys. 2. Zasada powstawania obrazy sygnału na ekranie lampy oscyloskopowej

str. 2

Ćwiczenie – Zastosowania oscyloskopu w technice pomiarowej

Warunkiem uzyskania stabilnego obrazu jest proporcjonalność okresu piłokształtnego sygnału z generatora

podstawy czasu i okresu przebiegu badanego. Precyzyjne ustalenie chwili startu generatora podstawy czasu jest

zadaniem układu wyzwalania. Wpływ warunków wyzwalania na obraz badanego sygnału przedstawiono na

rysunku 3.

poziom wyzwalania

zbocze

narastające

zbocze

opadające

Rys. 3. Wpływ warunków wyzwalania na obraz sygnału

Obecnie lampy oscyloskopowe posiadają płaskie ekrany umożliwiające dokładny pomiar-odczyt i wyskalo-

wanie osi w kierunkach X i Y. Dodatkowo na ekranie umieszcza się siatkę z podziałką. Takie rozwiązanie po-

woduje, że obraz mierzony i podziałka pomiarowa są w jednej płaszczyźnie co pozwala uniknąć błędu paralak-

sy.

Przykładowy widok ekranu z siatką pomiarową przedstawiony został na rysunku 4.

Główne linie siatki

Pionowa linia środkowa

Pozioma linia środkowa

Pomocnicze znaczniki

na skali

Rys. 4. Przykładowy widok ekranu lampy z siatką pomiarową.

Niektóre oscyloskopy są wyposażone w wymienne panele zmieniające ich właściwości pomiarowe oraz do-

datkowe sondy np. wysokonapięciowe, separujące, wtórnikowe, prądowe itp.

Odmianą oscyloskopu analogowego jest oscyloskop z lampą pamiętającą . Wyposażony jest on w lampę

oscyloskopową umożliwiającą zapamiętanie, wewnątrz lampy, obrazu przebiegu jednorazowego lub powtarzal-

nego i wyświetlanie go przez pewien czas na ekranie. Takie rozwiązanie umożliwia pomiar przebiegów wolno-

zmiennych, oraz porównanie przebiegów występujących w różnym czasie. Ponadto pozwala zaobserwować

zmiany kształtu przebiegów np.: w czasie regulacji układu badanego.

str. 3

Ćwiczenie – Zastosowania oscyloskopu w technice pomiarowej

Do oscyloskopów analogowych zalicza się również oscyloskop próbkujący . Za jego pomocą możemy

zmierzyć bardzo szybkie przebiegi powtarzalne. Jego działanie polega na ciągłym pobieraniu próbek sygnału,

kolejno z innego fragmentu przebiegu, co każdy następny okres. Następnie próbki, w formie kropek, zostają

złożone na ekranie tworząc obraz przebiegu. Oscyloskopy tego typu potrafią mierzyć sygnały powtarzalne od 0

Hz do kilku GHz przy stałej odchylania kilka mV/cm.

2.2. Oscyloskop cyfrowy

Powstanie mikroprocesorów, szybki rozwój i scalenie układów cyfrowych takich jak: przetworniki analogo-

wo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe oraz zwiększenie ich dokładności pozwoliło na budowę oscyloskopów cy-

frowych.

Sposób działania oscyloskopu cyfrowego pozwala na realizację różnych zadań pomiarowych, jak np.:

− badanie kilku sygnałów,

− zapamiętanie przebiegu i oglądanie jego fragmentów,

− wykonanie operacji matematycznych na badanym sygnale np: uśrednienie sygnału, obliczenie wartości

skutecznej sygnału, dodawanie i odejmowanie dwóch różnych sygnałów, całkowanie i różniczkowanie

przebiegów, a w niektórych przypadkach zastosowanie Szybkiej Transformaty Fouriera (FFT) pozwala

na oglądanie widma badanego przebiegu,

− współpraca w urządzeniami zewnętrznymi takimi jak: komputer osobisty typu PC, drukarka ploter, itp.,

− pomiar i wyświetlenie parametrów sygnału takich jak: wartość chwilowa, wartość międzyszczytowa,

czas trwania okresu, czasy narastania i opadania zboczy, częstotliwość, szerokość impulsu itp

− możliwość zastosowania oscyloskopu w rozbudowanych układach pomiarowych, sterowanie oscylosko-

pu z zewnątrz poprzez interfejsy IEC-625 lub RS-232.

Na rysunku 5 został przedstawiony schemat blokowy oscyloskopu cyfrowego.

wzmacniacz

wejściowy

układ

próbkująco-

-pamiętający

przetwornik a/c

pamięć

pojedynczy tor

przetwarzania

sygnału

układ

wyzwalania

interfejsy

Układ sterujący

(Procesor)

interpolator

panel czołowy

generator

cyfrowej

podstawy czasu

generator

wzorcowy

wzmacniacz

odchylania

pionowego

przetwornik c/a

wzmacniacz

odchylania

poziomego

lampa obrazowa

Rys. 5. Schemat blokowy oscyloskopu cyfrowego.

Do wzmacniacza wejściowego zostaje doprowadzony sygnał pomiarowy. Następnie z wyjścia wzmacnia-

cza wejściowego sygnał zostaje podany na układ próbkująco-pamiętający. Tu zostaje pobrana próbka sygnału

i zapamiętana analogowa wartość chwilowa sygnału (w chwili pobierania próbki). Następnie wartość ta zostaje

zamieniona na odpowiednią wartość cyfrową, zwaną słowem. Ta operacja zostaje wykonana w układzie prze-

twornika analogowo - cyfrowego. Rozdzielczość przetwornika analogowo-cyfrowego decyduje o rozdzielczości

cyfrowej oscyloskopu. Oznacza to, że przy zastosowaniu 8-bitowego przetwornika, rozdzielczość w osi Y wy-

nosić będzie 1:256. To znaczy, że ciągły przebieg analogowy zostaje podzielony na 256 dyskretnych przedzia-

łów. Po tej zamianie wartość cyfrowa próbki, czyli słowo, zostaje zapamiętane w pamięci oscyloskopu. Aby

przetworzyć cały sygnał należy pobrać wiele próbek, których liczba i czas odstępu pomiędzy nimi zależą od

str. 4

Ćwiczenie – Zastosowania oscyloskopu w technice pomiarowej

częstotliwości próbkowania. Tę liczbę próbek, na którą został podzielony badany przebieg nazywamy rekor-

dem. Obecnie stosuje się rekordy o długości od 512 do wielu tysięcy słów. Zapamiętanie wartości cyfrowych

przebiegu w pamięci, umożliwia dokonanie wielu pomiarów i ciągłe wyświetlanie przebiegu na ekranie (funk-

cja zamrożenia obrazu). Występuje również możliwość zachowania (zapamiętania) przebiegu w pamięci oscy-

loskopu przez dowolnie długi okres czasu i ponowne odtworzenie tego przebiegu na ekranie w dowolnej chwili

i dokonanie ponownych pomiarów lub porównanie go z innym przebiegiem.

Aby obejrzeć przebieg na ekranie oscyloskopu należy go odtworzyć z danych znajdujących się w jego pa-

mięci. W tym celu dane te zostają przesłane do układu przetwornika cyfrowo-analogowego. Układ ten zamienia

wartość cyfrową (liczby) sygnału w odpowiadające im wartości analogowe napięcia. Z kolei ten odtworzony

przebieg analogowy steruje wzmacniaczem odchylania pionowego Y lampy obrazowej.

Zasadniczym podzespołem podstawy czasu jest bardzo dokładny generator z oscylatorem kwarcowym, dzię-

ki czemu błąd podstawy czasu jest mniejszy od 0,01%. Impulsy z generatora są wzmacniane przez wzmacniacz

podstawy czasu (wzmacniacz odchylania poziomego), który z kolei steruje układem odchylania poziomego

lampy obrazowej. Obraz, jaki otrzymujemy na ekranie składa się z kropek, o położeniu których decyduje

wzmacniacz Y w pionie i wzmacniacz X w poziomie. Zapisem do pamięci, przesyłem danych, pracą układów

synchronizacji, pracą przetworników analogowo-cyfrowych i cyfrowo-analogowych steruje kontroler, którym

obecnie jest najczęściej mikroprocesor.

W odróżnieniu od oscyloskopów analogowych, w oscyloskopach cyfrowych jako lampy obrazowe stosuje

się lampy kineskopowe (monochromatyczne i kolorowe). Obecnie najczęściej są stosowane rozwiązania,

w których ekran jest zbudowany przy wykorzystaniu wyświetlacza ciekłokrystalicznego LCD. Zaletą wyświe-

tlaczy jest to, że nie wymagają dużych napięć i nie potrzebują dużych mocy, tak jak to jest w przypadku lamp

oscyloskopowej i kineskopowej. Pozwala to na ograniczenie gabarytów oscyloskopu i zastosowanie zasilania

bateryjnego. A to z kolei pozwala zastosować oscyloskop jako urządzenie przenośne.

2.3. Sondy pomiarowe

2.3.1. Zastosowania

Duży wpływ na pomiar sygnału elektrycznego, może mieć sposób połączenia oscyloskopu z badanym ukła-

dem. Podyktowane jest to tym, że na admitancję wejściową oscyloskopu wpływają równolegle połączone po-

jemności i rezystancje, odpowiednio o wartościach w granicach od 10 do 50pF i 1MΩ dla prądu stałego i małej

częstotliwości. Ponadto, jeżeli badany układ jest oddalony od oscyloskopu dodatkowo pojawia się pojemność

doprowadzeń. Pomiary słabych sygnałów wymagają zastosowanie kabla ekranowego, aby zabezpieczyć sygnał

przed wpływem zakłóceń zewnętrznych, które mogą zniekształcić sygnał i wpłynąć na jego wartość.

Z powyższych powodów w wielu pomiarach, aby zapewnić wierne odtworzenie mierzonego sygnału, badany

układ należy połączyć z oscyloskopem za pomocą specjalnej sondy pomiarowej. Jest to przyrząd, który zapew-

nia odpowiednio dużą impedancje wejściową.

Sondom stawiane są bardzo wysokie wymagania co do ich parametrów.

Sondy możemy podzielić na trzy główne grupy:

- sondy bierne,

- sondy czynne,

- sondy detekcyjne.

Sondy bierne składają się z elementów biernych R, L, C, a sondy czynne zawierają ponadto elementy czynne

(wzmacniacze).

Sondy detekcyjne zawierają układy umożliwiające pomiary obwiedni sygnałów zmodulowanych.

2.3.2. Rezystorowe sondy pomiarowe bierne

Charakteryzują się one bardzo szerokim pasmem przenoszenia i małą pojemnością wejściową.

Typowe parametry rezystorowych sond biernych:

- tłumienie sygnału - 1:10 lub 1:100

- rezystancja wejściowa - 500 Ω lub 5 kΩ

- pojemność wejściowa - 1 pF

- pasmo przenoszenia - 0-3500 MHz lub 0- 1400 MHz

- maksymalne napięcie wejściowe plus szczytowa wartość napięcia zmiennego - 16 V lub 50 V

- czas narastania - 100ps lub 250 ps

str. 5

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: