Oscyloskop − najważniejszy przyrząd pomiarowy 1.pdf

Miernictwo

Oscyloskop − najważniejszy

przyrząd pomiarowy

w pracowni elektronika

Oscyloskop bez wątpienia jest najbardziej uni−

wesalnym przyrządem pomiarowym w laborato−

rium elektronicznym. Umożliwia pomiary napięć

stałych i zmiennych, czasu, częstotliwości, fazy

przebiegów elektrycznych, a przy użyciu przysta−

wek także wielu innych wielkości elektrycznych

i nieelektrycznych.

Początkującego elektronika niekiedy przeraża

ilość pokręteł i przełączników umieszczonych na

płycie czołowej profesjonalnego oscyloskopu.

W rzeczywistości wykorzystanie rozbudowane−

go, profesjonalnego oscyloskopu wcale nie jest

trudne, wystarczy poznać podstawowe zasady jego

obsługi i budowy.

Z drugiej strony posiadanie kosztownego, cyfro−

wego oscyloskopu o szerokich możliwościach

wcale nie gwarantuje sukcesu, ponieważ nieumie−

jętne dołączenie do obwodu może bardzo zafał−

szować wyniki pomiaru, lub co gorsza, nawet spo−

wodować nieprawidłowe działanie badanego ukła−

du. Doświadczony elektronik potrafi wykonać na−

prawdę skomplikowane pomiary przy użyciu

względnie prostego oscyloskopu, co najwyżej do−

łączy do badanego układu jakieś obwody pomoc−

nicze.

Dlatego każdy, kto ma lub będzie miał do czy−

nienia z praktyczną elektroniką powinien dokład−

nie rozumieć zasadę działania i kluczowe paramet−

ry oscyloskopu.

Nie ma natomiast obecnie większego sensu bu−

dowa oscyloskopu we własnym zakresie (chyba, że

w postaci przystawki do komputera, ale to inny te−

mat). Tak naprawdę, to bez dobrych przyrządów

pomiarowych i dużego doświadczenia, nie można

zbudować użytecznego oscyloskopu. Zamiast tra−

cić czas na długotrwałe próby, lepiej na ten czas

znaleźć jakąkolwiek pracę i zarobić na fabryczny,

choćby najtańszy oscyloskop.

Do tej pory interesujące dla amatorów były os−

cyloskopy produkowane w byłym Związku Ra−

dzieckim, zwłaszcza ze względu na bardzo korzys−

tny przelicznik cen walut. Niestety obecnie prze−

licznik ten jest znacznie mniej korzystny,

a w związku z wprowadzaniem zasad rynkowych

w krajach byłego ZSRR, wiele z fabryk produkują−

cych sprzęt elektroniczny upadło, a inne bardzo

podwyższyły ceny. Czytelnicy śledzący ofertę han−

dlową AVT zauważyli zapewne, że znikły z niej ta−

nie oscyloskopy litewskie Rimedy. Firma ta nie wy−

trzymała okresu transformacji i zbankrutowała.

Obecnie (według aktualnego stany wiedzy re−

dakcji) nie ma już stałego źródła zakupu tak tanich

oscyloskopów przeznaczonych dla amatorów.

Pozostaje skorzystać z oferty firm daleko−

wschodnich i zakupić porządny, profesjonalny os−

cyloskop dwukanałowy. Cena takiego oscyloskopu

przekracza wprawdzie tysiąc złotych, ale warto

zdobyć się na jednorazowy wysiłek i nabyć sprzęt

niezawodny, o dobrych parametrach, który zaspo−

koi z naddatkiem potrzeby elektronika−hobbysty.

Przed podjęciem decyzji o zakupie oscyloskopu

należy dokładnie poznać jego działanie i możli−

wości. Pomoże w tym niniejszy, kilkuczęściowy

cykl artykułów.

W pierwszej części przedstawiono niezbędne

dla każdego wiadomości o oscyloskopach, ich bu−

dowie i funkcjach. Te informacje wstępne przezna−

czone są dla Czytelników, którzy nie mieli żadnego

kontaktu z oscyloskopem. W dalszej części omó−

wione będą praktyczne zagadnienia i problemy

związane z zakupem i wykorzystaniem oscylosko−

pu.

CZĘŚĆ 1

Rys. 1. Przekrój lampy oscyloskopowej.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97

Miernictwo

Rys. 2. Podstawowy układ płytek odchylających.

nia skali i pokrętło umożliwiające rotację obrazu,

czyli ustawienie linii na ekranie równolegle do linii

skali. Starsze przyrządy miały też pokrętło umożli−

wiające korekcję astygmatyzmu, czyli uzyskanie

ostrego obrazu na całym ekranie.

Wzmacniacz odchylania

poziomego

Przejdźmy teraz do rysunku 2 . Pokazano na nim

w uproszczeniu, jak napięcie między płytkami po−

zwala przesuwać plamkę na ekranie. W tym miejs−

cu powiedzmy, że płytki pozwalające odchylać

plamkę w pionie (w górę i w dół) nazywa się płyt−

kami Y, a płytki pozwalające odchylać plamkę

w poziomie − płytkami X. Cały tor związany z płyt−

kami odchylania pionowego nazywa się torem Y.

W literaturze angielskojęzycznej kanał odchylania

pionowego nazywany jest vertical channel, od ver−

tical − pionowy (analogicznie: horizontal − pozio−

my).

Jeśli doprowadzimy napięcie stałe między płytki

Y, plamka odchyli się od położenia spoczynkowe−

go (na środku ekranu) pionowo o pewną odległość.

Kierunek i wielkość odchylenia daje informację

o biegunowości i wartości doprowadzonego do

płytek napięcia. Wystarczy nanieść na ekran odpo−

wiednią podziałkę, a otrzymamy woltomierz, któ−

rego “wskazówką” jest plamka świetlna.

Dla rozszerzenia zakresu takiego woltomierza

należy dodać wzmacniacz lub tłumik o skokowo

regulowanym wzmocnieniu. Taki wzmacniacz

można znaleźć w każdym oscyloskopie. Wejściem

tego wzmacniacza jest typowe gniazdo typu BNC,

a wzmocnienie reguluje się skokowo pokrętłem.

Wszystkie oscyloskopy (z wyjątkiem przeznaczo−

nych do pracy przy częstotliwościach rzędu setek

i tysięcy MHz) mają oporność wejściową równą

1M W , co oznacza iż tylko w niewielkim stopniu

obciążają badany układ. W praktyce na wejściu

Y oscyloskopu stosuje się sondy, zwiększające tę

rezystancję do 10M W .

Wspomniany przełącznik obrotowy oznaczony

jest w oscyloskopach z angielskimi napisami na

płycie czołowej VOLTS/DIV (woltów na działkę),

natomiast w oscyloskopach radzieckich − usilenie

wolt/dielenie. Poszczególne pozycje tego pokrętła

skalowane są w woltach na centymetr lub częściej

w woltach na działkę (działka to jednostka długoś−

ci na ekranie; zwykle ekran podzielony jest na 10

działek w poziomie i 8 działek w pionie, często

1 działka = 1cm). Aby określić wartość mierzonego

napięcia, wystarczy pomnożyć odchylenie plamki

(wyrażone w centymetrach lub w działkach) przez

współczynnik odchylania nastawiony pokrętłem.

W typowych oscyloskopach spotyka się współ−

czynniki odchylania w zakresie od 5mV/działkę

(5mV=0,005V) do 5V/działkę, przełączanie odby−

wa się w sekwencji 5−10−20−50 (mV/działkę) −0,1−

0,2−0,5−1−2−5 (V/działkę).

Pokrętło skokowej regulacji wzmocnienia jest

więc najważniejszym organem regulacyjnym w to−

rze Y. Ale przy niektórych pomiarach, na przykład

przy pomiarach pasma przenoszenia wzmacniaczy

najlepiej jest ustawić taką wielkość obrazu, aby

wypełniał on cały ekran. Wtedy przydatna jest

płynna regulacja wzmocnienia. Wszystkie lepsze

Lampa oscyloskopowa

Główną częścią składową typowego oscylosko−

pu jest próżniowa lampa elektronowa, której prze−

krój pokazano w uproszczeniu na rysunku 1 . Ob−

wód żarzenia podgrzewa do wysokiej temperatury

katodę, która emituje elektrony. Między katodą

i anodą powstaje pole elektryczne, w którym ujem−

nie naładowane elektrony emitowane z katody są

przyciągane do anody. Czym większe jest napięcie

anody, tym silniej przyciągane są elektrony. Na

drodze między katodą, a anodą elektrony nabierają

prędkości, są skupiane w cienką wiązkę, po czym

uderzają w ekran pokryty specjalną substancją

zwaną luminoforem. Elektrony uderzając w lumi−

nofor tracą swą energię, a energia ta zamienia się

na światło, zwykle koloru zielonego. Między kato−

dą, a główną anodą umieszczone są dodatkowe

elektrody, między innymi siatka, która umożliwiają

regulację ilości elektronów biegnących do anody.

Ewentualne dodatkowe anody tworzą tak zwane

soczewki elektronowe, umożliwiające takie ukie−

runkowanie strumienia elektronów, inaczej mó−

wiąc ich zogniskowanie, że trafiają one w jedno

miejsce ekranu, tworząć świecący punkt (plamkę)

o średnicy poniżej 1 milimetra.

Na drodze elektronów między katodą a ekra−

nem, umieszczone są kolejne elektrody o kluczo−

wym znaczeniu. Są to dwie pary metalowych pły−

tek. Jeśli między dwie płytki zostanie dołączone

napięcie (stałe), to między płytkami powstanie pole

elektryczne. Pole to oddziałuje na elektrony prze−

chodzące między płytkami i w konsekwencji stru−

mień elektronów jest odchylany w stronę płytki do−

datniej. W lampie oscyloskopowej dwie pary ta−

kich płytek, zwanych płytkami odchylającymi, są

umieszczone wzajemnie prostopadle.

Podsumujmy: w lampie oscyloskopowej może−

my za pomocą napięć doprowadzonego do siatek

i anod regulować ilość elektronów docierających

do ekranu, czyli jasność plamki na ekranie oraz

uzyskać dobre zogniskowanie, czyli małą, ostrą,

nierozmytą plamkę. Normalnie plamka pojawia się

na środku ekranu. Jeśli jednak doprowadzimy do

płytek odchylających napięcie o odpowiednim kie−

runku i wartości, to plamkę można przesunąć

w dowolny punkt ekranu.

Każdy oscyloskop posiada pokrętła do regulacji

jasności i ostrości, przesuwu obrazu w pionie i po−

ziomie, a niektóre dodatkowo pokrętło podświetle−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97

Miernictwo

Rys. 3. Przebieg piłokształtny.

cia najmniejszego i największego takiego przebie−

gu piłokształtnego, plamka na ekranie będzie się

poruszać z określoną, stałą prędkością z lewej stro−

ny ekranu na prawą, a po dojściu do prawej krawę−

dzi bardzo szybko powróci na lewą stronę i cykl

będzie się powtarzał. Jeśli w czasie ruchu robocze−

go plamki (z lewej na prawą stronę ekranu), do pły−

tek Y zostanie doprowadzone jakieś napięcie zmie−

niające się w czasie, wtedy na ekranie zobaczymy

przebieg zmian tego napięcia w funkcji czasu.

Jeśli szybkość poruszania się plamki na ekranie,

czyli częstotliwość przebiegu piłokształtnego, zo−

stanie tak dobrana aby plamka przebiegała ściśle

określoną odległość, na przykład 1 centymetr (lub

jedną działkę), w ciągu jednej sekundy, to uzyska−

my możliwość pomiaru czasu.

Właśnie doszliśmy do podstawowej funkcji os−

cyloskopu: oscyloskopem możemy mierzyć napię−

cia i czasy przebiegów zmiennych. Przykład moż−

na zobaczyć na rysunku 4 .

Aby był możliwy pomiar czasu, każdy oscylo−

skop wyposażony jest tak zwany generator podsta−

wy czasu (po angielsku TIME BASE, po rosyjsku

razwiortka). Generator ten wytwarza przebieg pi−

łokształtny o częstotliwości regulowanej w szero−

kim zakresie. Dla ułatwienia, częstotliwości gene−

ratora są tak dobrane, aby jednej działce na ekranie

odpowiadała jednostka czasu. Dlatego też pokrętło

skokowej zmiany szybkości plamki w ruchu pozio−

mym opisane jest nie w hercach, tylko w jednost−

kach czasu na centymetr lub działkę ekranu. Dla

zwiększenia dokładności zastosowano współczyn−

niki nie tylko 1s/działkę, 0,1s/działkę, 10ms/dział−

kę, 1ms/działkę, itd, ale podobnie jak przy pomia−

rze napięcia, zastosowano sekwencję 1−2−5.

W przyzwoitych oscyloskopach szybkość podsta−

wy czasu można wybierać pokrętłem w zakresie

przynajmniej od 0,2 mikrosekundy/działkę do oko−

ło 1 sekundy/działkę, w sekwencji 0,2−0,5−1−2−5−

10−20−50(µs/dz) 0,1−0,2−0,5−1−2−5−10−20−50(ms/dz)

i dalej 0,1−0,2−0,5−s/działkę. W drogich, profesjo−

nalnych przyrządach zakres ten jest znacznie szer−

szy. Ale nawet w popularnym oscyloskopie umoż−

liwia to pomiary czasu w bardzo szerokim zakre−

sie, od milionowych części sekundy do pojedyn−

czych sekund. Znając czas, a ściślej okres przebie−

gów powtarzalnych, można obliczyć ich częstotli−

wość ze wzoru:

f = 1/T

gdzie f − częstotliwość, a T − okres.

Dla ułatwienia pomiarów, tor odchylania pozio−

mego wyposażony jest też w pokrętło płynnej regu−

lacji szybkości narastania piły, co bywa przydatne

w niektórych pomiarach porównawczych. (Podane

wcześniej dokładne współczynniki czasu/działkę

uzyskuje się w skrajnej, wyraźnie oznaczonej po−

zycji tego pokrętła.) Każdy oscyloskop posiada też

pokrętło służące do przesuwania obrazu w pozio−

mie, oznaczone poziomymi strzałkami bądź napi−

sem POS. X.

Większość oscyloskopów posiada też przełącz−

nik (często uruchomiany wyciągnięciem któregoś

pokrętła), zwiększający pięcio− lub rzadziej dzie−

sięciokrotnie, współczynniki podstawy czasu. Wy−

korzystuje się to przy obserwacji przebiegów o naj−

wyższych częstotliwościach.

oscyloskopy mają pokrętło płynnej regulacji

wzmocnienia, a nominalne współczynniki odchy−

lania toru Y uzyskuje się w wyraźnie oznaczonej,

skrajnej pozycji tego pokrętła.

Niektóre oscyloskopy mają także przełącznik

(zwykle uruchomiany wyciągnięciem pokrętła

płynnej regulacji czułości), który zwiększa czułość

pięciokrotnie i jest wykorzystywany przy pomia−

rach najmniejszych napięć.

Ponieważ oscyloskop często służy do pomiaru

napięć zmiennych, na wejściu toru Y zawsze zna−

jduje się przełącznik, sprzęgający gniazdo wejścio−

we ze wzmacniaczem przez kondensator (w pozy−

cji oznaczonej AC lub ~), co eliminuje napięcie

stałe z badanego przebiegu; jest to wręcz koniecz−

ne przy pomiarze małych napięć zmiennych nało−

żonych na duże napięcia stałe. W pozycji prze−

łącznika DC lub @ pełny sygnał wejściowy poda−

wany jest na wzmacniacz. W lepszych oscylosko−

pach przełącznik ten jest trzypozycyjny, w środko−

wej pozycji, oznaczonej GND lub ^ , wejście jest

zwarte do masy. Wbrew pozorom, w praktyce jest

to bardzo przydatne, ponieważ przy pomiarach na−

pięć często trzeba korygować położenie obrazu na

ekranie, ściślej biorąc jego wysokość. Do przesuwu

obrazu w pionie służy pokrętło oznaczone strzał−

kami lub napisem POS.Y.

Tor odchylania poziomego

W praktyce bardzo rzadko wykorzystuje się os−

cyloskop w podany przed chwilą prosty sposób,

ponieważ pozostawienie na dłuższy czas plamki

w jednym miejscu, zwykle na środku ekranu, grozi

wypaleniem luminoforu. Owszem, oscyloskop

często używany jest do pomiaru napięć stałych, ale

aby uniknąć wypalenia luminoforu, do płytek X też

powinien zostać doprowadzony jakiś przebieg,

który poruszałby plamkę w poziomie. Jaki to powi−

nien być przebieg?

Ktoś powie, że może to być jakikolwiek szybki

przebieg zmienny, który poruszając szybko plamkę

wytworzy na ekranie obraz poziomej linii. W zasa−

dzie jest to wniosek słuszny, ale jeśli już mamy od−

chylać plamkę w poziomie, to możemy osiągnąć

znacznie więcej niż tylko poziomą linię na ekranie,

która będzie się odchylać w górę lub w dół pod

wpływem mierzonego napięcia stałego.

Co uzyskamy na ekranie, jeśli napięcie na płyt−

kach X będzie jednostajnie wzrastać? Plamka bę−

dzie poruszać się ruchem jednostajnym w kierunku

brzegu ekranu. A jeśli do płytek X doprowadzimy

tak zwany przebieg piłokształtny, pokazany na ry−

sunku 3 , w którym napięcie pomału i jednostajnie

wzrasta, a potem gwałtownie i bardzo szybko ma−

leje do wartości początkowej? Przy odpowiednim

połączeniu płytek X i właściwym dobraniu napię−

(red)

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/97

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: