Pomiar oscyloskopem analogowym

A. Budowa oscyloskopu

W oscyloskopie analogowym sygnał jest obrazowany na ekranie lampy oscyloskopowej w czasie rzeczywistym, tzn. plamka świetlna porusza się na ekranie w takt zmian przebiegu napięcia i upływu czasu. Głównym elementem oscyloskopu analogowego jest lampa oscyloskopowa (lampa Browna). Na jej ekranie powstaje obraz świetlny obserwowanych sygnałów lub wielkości. Budowa lampy oscyloskopowej pokazana jest na rysunku poniżej.

Budowa lampy oscyloskopowej

K –  katoda

G –  grzejnik katody

W –  cylinder Wehnelta

A1, A2, A3 –  anody

X –  płytki odchylenia poziomego

Y –  płytki odchylenia pionowego

A4 –  elektroda ekranująca

E –  ekran

P –  powłoka grafitowa

O –  osłona szklana

Lampa oscyloskopowa składa się z trzech podstawowych części: wyrzutni elektro- nowej, systemu odchylającego strumień elektronów i ekranu. Całość ma postać zamkniętej bańki szklanej, z której usunięto powietrze. Wyrzutnia elektronowa znajduje się w tylnej, zwężonej części banki. Źródłem elektronów jest pośrednio żarzona cylindryczna katoda K, zwana termokatodą, pokryta pastą emisyjną. Obok niej w wyrzutni znajduje się szereg elektrod tworzących układ elektrycznego skupiania przyspieszania strumienia elektronów. Należą do nich: siatka sterująca W zwana cylindrem Wehnelta oraz trzy cylindryczne anody A1, A2, A3. Dodatnie względem katody napięcie rzędu kilku kilowoltów przyłożone do anod powoduje powstanie pola elektrycznego zwiększającego prędkość elektronów i jednocześnie ogniskowanie elektronów w wiązkę. Do siatki W podaje się napięcie ujemne względem katody. Regulacja napięcia siatki wpływa na intensywność świecenia plamki. Skupiony przez wyrzutnię strumień elektronów przebiega pomiędzy dwiema parami elektrod odchylających w postaci płaskich płytek X i Y. Do płytek tych przykładane jest napięcie wytwarzające pole elektryczne, które odchyla strumień elektronów w zależności od wartości chwilowej przyłożonego napięcia.

Płytki X (płytki odchylania poziomego) ustawione są pionowo i odchylają strumień elektronów w kierunku poziomym, zaś płytki Y (płytki odchylania pionowego) ustawione są poziomo i odchylają strumień elektronów w kierunku pionowym. Pomiędzy płytkami X i Y umieszczona jest elektroda ekranująca A4 służąca do eliminacji zniekształceń obrazu. Wiązka elektronów uderza w płaski ekran pokryty specjalną substancją zwaną luminoforem, która przetwarza energię kinetyczną elektronów w energię świetlną w zakresie widzianym przez człowieka. Wybite z luminoforu elektrony emisji wtórnej trafiają na grafitową powłokę P połączoną elektrycznie z anodami. Na ekranie umieszczona jest skala z podziałką umożliwiającą dokonywanie pomiarów.

W przypadku przyłożenia napięcia przemiennego do płytek Y plamka świetlna porusza się w takt zmian napięcia na ekranie w kierunku pionowym. Już przy stosunkowo niewielkiej częstotliwości napięcia obserwator widzi na ekranie linię o długości proporcjonalnej do amplitudy przyłożonego napięcia. Przyłożone napięcie tylko do płytek X powoduje, że na ekranie widać linię poziomą. Jednoczesne przyłożenie dwóch napięć zmiennych do par płytek powoduje, że na ekranie powstaje obraz linii krzywej o kształcie zależnym od kształtu przyłożonych sygnałów, częstotliwości i przesunięcia fazowego.

Przy podaniu na płytki X napięcia liniowo narastającego w funkcji czasu na ekranie otrzyma się obraz sygnału przyłożonego do płytek Y . Ponieważ ekran ma skończone wymiary, po dojściu do prawego skraju ekranu lub po jego przekroczeniu, plamka musi powrócić z powrotem, czyli napięcie odchylające poziomo powinno spaść do zera.

W celu ciągłej obserwacji mierzonego sygnału, do płytek X przykłada się tzw. napięcie piłokształtne otrzymywane z generatora podstawy czasu. Ruch powrotny plamki jest niewidoczny wskutek doprowadzenia do siatki lampy ujemnego impulsu wygaszającego.

C. Pomiar przebiegów zamkniętych

Na ekranie oscyloskopu powstaje obraz nieruchomy tylko wtedy, gdy częstotliwości przyłożonych do płytek są jednakowe lub są wielokrotnościami. Generator podstawy czasu ma regulowaną częstotliwość w stosunkowo szerokim zakresie od mikrosekund do sekund. Ścisłą wielokrotność częstotliwości uzyskuje się przez stosowanie synchronizacji polegającą na sterowaniu częstotliwością generatora podstawy czasu przez mierzony sygnał. Rozpoczęcie narostu napięcia piłokształtnego zawsze w tym samym punkcie sygnału mierzonego pozwala na otrzymanie obrazu nieruchomego.

Przy braku pełnej synchronizacji obraz przesuwa się w lewo lub w prawo. Do synchronizacji służy układ synchronizacji, który wraz z układem regulacji poziomu wyzwalania umożliwia wybór punktu sygnału mierzonego pozwalającego na otrzymanie obrazu nieruchomego.

Krzywe Lissajoue( czyt. Lissażu)

Przykładowy obraz otrzymany na oscyloskopie

Krzywe Lissajoue wykorzystuje się do pomiaru częstotliwości oraz do pomiaru kąta przesunięcia fazowego  j . Mierzy się to poprzez porównanie dwóch wartości częstotliwości fx i fw.

B. Pomiar przebiegów otwartych

a)  sinusoida ( przebieg sinusoidalny )

b) piła (przebieg trójkątny )

c) prostokąt (przebieg prostokątny )

              K= 2

potrzebne wzory

USS = ly * cy             

                           
T= lX * cX

D. instrukcja oscyloskopu na przykładzie OS 302

Schemat płyty czołowej

Płyta czołowa

1. pokrętło przesuwu w osi Y kanału A ( przesuw obrazu w pionie )

2.przełącznik współczynnika odchylenia  Cy w kanale A ( regulacja wzmocnienia pionowego w kanale A )

3. kalibracja wzmocnienie kanału A

4. gniazdo wejściowe BNC kanału A ( wejście Y )

5. przełącznik rodzaju sprzężenia wejścia kanału A

- AC – sprzężenie zmienno prądowe ( przechodzi tylko sygnał zmienny )

- DC – sprzężenie stałoprądowe ( przechodzi sygnał stały i sygnał zmienny )

- ^ - wejście wzmacniacza odłączone od gniazda wejściowego i dołączone do masy      

              (  GND )

6. pokrętło płynnej regulacji współczynników odchylenia kanału A ( płynna regulacja wzmocnienia Y )

7. gniazdo masy

8. przełącznik współczynnika odchylenia Cy w kanale B ( analog do 2 )

  9. przełącznik rodzaju sprzężenia wejście kanału  ( analog do 5 )

- AC – sprzężenie zmienno prądowe ( przechodzi tylko sygnał zmienny )

- DC – sprzężenie stałoprądowe ( przechodzi sygnał stały i sygnał zmienny )

- ^ - wejście wzmacniacza odłączone od gniazda wejściowego i dołączone do masy      

              (  GND )

10. pokrętło płynnej regulacji współczynnika odchylenia kanału B ( płynna regulacja wzmocnienia Y )

11. gniazdo wejściowe BNC kanału  B ( wejście Y )

12. kalibracja wzmocnienia kanału B

13. przełącznik zmiany polaryzacji przebiegu w kanale B dla rodzajów pracy B, A+B, A i B oraz w kanale A dla rodzajów Ax 5

dla rodzajów pracy A+B pozwala na realizacje sumy lub różnicy sygnałów z kanałów A i B

14. pokrętło przesuwu w osi Y kanału B ( przesuw w pionie ) . Dla rodzaju pracy X-Y realizuje przesuw w osi X ( przesuw w poziomie )

15.przełącznik rodzaju pracy oscyloskopu

A- włączony tylko kanał A

B- tylko kanał B

A i B- praca dwukanałowa ( jednoczesne oglądanie przebiegów w kanale A i B )                               

Kanały A i B przełączane elektronicznie :

a) dla szybkości podstawy czasu od 0,5 s/dz do 1ms/dz z częstotliwością  około  

100KHz

b) dla szybkości powyżej 1 ms/dz z częstotliwością podstawy czasu

Ax5 – tylko kanał A z ekspansją ( zwiększaniem wzmocnienia ) 5x

X – Y kanał A steruje tor odchylania pionowego, natomiast kanał B tor odchylania

Poziomego x

A + B – ( jednoczesne wciśnięcie klawiszy A i B ) – algebraiczna suma sygnałów

. z kanałów A i B

16.pokrętło regulacji jaskrawości obrazu

17. pokrętło regulacji ostrości obrazu

18. HOLDOFF – pokrętło regulacji czasu podtrzymania ( synchronizacji )

              reguluje czas pomiędzy kolejnymi przebiegami rozciągu podstawy czasu.

              Służy do eliminacji rozdwojeń obrazu dla rodzaju pracy podstawy czasu

              HF (w. cz wysokiej częstotliwości )

19. wskaźnik sygnalizujący włączenie przyrządu

20. gniazdo wejściowe zewnętrznego sygnału wyzwalającego podstawę czasu

21. wyłącznik zasilania

22. przełącznik wyboru źródła sygnału wyzwalającego

a) INT- wyzwalanie wewnętrzne – dla rodzajów pracy w torze

Y: A ,  A i B ,  A + B , A x B wyzwalaniem sygnałem z kanału A.

Dla rodzajów pracy B – wyzwalanie sygnałem z kanału B

b) EXT – wyzwalanie sygnałem zewnętrznym podanym na 20

c) LINE – ( wciśnięte oba klawisze ) – wyzwalanie sygnałem o

częstotliwości sieci zasilającej

  23. zacisk wyjściowy kalibratora ( na tym wyjściu jest sygnał 1V/ 1 KHZ )

  24. przełącznik rodzaju wyzwalania podstawy czasu

AUTO – podstawa czasu pracuje zarówno przy braku jaki i w obecności sygnału

wyzwalającego

NORM – podstawa czasu pracuje tylko w obecności sygnału wyzwalającego

( obecność sygnału na wejściu Y )

TV – wyzwalanie sygnałem telewizyjnym ( wydzielonymi impulsami ramki lub linii )

HF – ( wciśnięte klawisze AUTO i NORM ) – synchronizacja sygnałem o dużej

częstotliwości  i małej amplitudzie

  25. przełącznik wyboru zbocza na sygnale wyzwalającym od którego następuje wyzwalana 

jest podstawa czasu

wyzwalanie od strony zbocza narastającego

wyzwalanie od strony zbocza opadającego

  26. pokrętło wyboru poziomu przebiegu  od którego następuje wyzwolenie podstawy czasu

  27. wskaźnik sygnalizujący wyzwolenie podstawy czasu

  28. przełącznik współczynnika czasu Cx ( regulacja częstotliwości podstawy czasu

odchylenia poziomego  )

  29. pokrętło przesuwu obrazu w poziomie

...