1. Wprowadzenie

1.1.        Budowa i zasada działania.

Oscyloskop elektroniczny jest przyrządem służącym do obserwacji sygnałów elektrycznych i pomiaru ich parametrów. Podstawowym podzespołem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa, wewnątrz której znajduje się układ elektrod z żarzoną katodą, emitujący i skupiający elektrony w wiązkę. Elektrony, uderzając w ekran lampy pokryty materiałem luminescencyjnym, powodują powstanie punktu świetlnego. Między zespołem elektrod i ekranem lampy znajdują się dwie pary wzajemnie prostopadłych płytek odchylających X,Y, które uczestniczą w powstaniu obrazu przebiegu badanego sygnału. 

Badany sygnał u(t) wprowadza się na płytki odchylania pionowego Y lampy oscyloskopowej poprzez przełącznik P wyboru rodzaju wejścia stało- lub zmiennoprądowego DC-AC, dzielnik napięcia DN oraz szerokopasmowy wzmacniacz Wy. Załączenie przełącznika P w pozycje AC wprowadza sprzężenie poprzez kondensator, co sprawia, że z sygnału wejściowego u(t) wyeliminowana zostaje składowa stała. Nastawny dzielnik napięcia DN umożliwia zmianę współczynnika odchylenia w szerokich granicach od [mV/cm] do kilkudziesięciu [V/cm]. Współczynnik odchylania wyrażony w [V/cm] określa wartość napięcia stałego lub chwilowego, jakie należy doprowadzić do wejścia oscyloskopu aby spowodować odchylenie plamki o odcinek równy 1 cm. Dzielnik napięcia jest układem decydującym o impedancji wejściowej oscyloskopu, która jest rzędu 1 [MW]. Do płytek odchylania poziomego X doprowadza się poprzez wzmacniacz Wx napięcie o dowolnym przebiegu z wejścia WeX lub z generatora podstawy czasu GPC, który sterowany jest układem synchronizującym US. Synchronizacja może być wewnętrzna ( za pomocą badanego sygnału) lub zewnętrzna.

1.2.        Powstawanie obrazu.

Pod wpływem napięcia stałego doprowadzonego tylko do płytek odchylania Y lub X plamka świetlna przemieszcza się odpowiednio pionowo lub poziomo o odległość zależną od wartości napięcia, Doprowadzenie napięcia stałego do obu par płytek spowoduje, że plamka przemieści się w położenie będące wynikiem sumy dwóch wymuszeń w kierunku X i Y. W przypadku sterowania jednej pary elektrod napięciem przemiennym o dostatecznie szybkich zmianach na ekranie widoczny jest odcinek o długości proporcjonalnej do wartości podwójnej amplitudy napięcia. W wyniku doprowadzenia do płytek odchylania XY napięć sinusoidalnie przemiennych o identycznej częstotliwości i amplitudzie otrzymuje się na ekranie charakterystyczne obrazy zwane figurami Lissajous, pozwalające na wyznaczenie kąta przesunięcia fazowego między napięciami.

W większości zastosowań oscyloskop służy do obserwacji kształtu przebiegu badanego napięcia doprowadzonego do płytek odchylania pionowego Y. Obraz tego przebiegu uzyskuje się przez doprowadzenie do płytek odchylania poziomego X napięcia piłokształtnego z generatora podstawy czasu. Napięcie to narasta proporcjonalnie do czasu roboczego tr dzięki czemu plamka przesuwa się ruchem jednostajnym od lewej do prawej strony ekranu. Prędkość ruchu plamki zależy od prędkości narastania napięcia liniowego. W czasie powrotu tp plamka zostaje wygaszona i po lewej stronie ekranu oczekuje przez czas to 

( czas oczekiwania) na następny cykl pracy. Zasadę powstawania obrazu przebiegu badanego przedstawia rysunek, na którym do płytek Y doprowadzono badane napięcie, a do płytek X napięcie piłokształtne.

Zamianę wartości współczynnika czasu [s/cm], określającego czas potrzebny na przesunięcie plamki o 1 cm, uzyskuje się przez zamianę prędkości narastania napięcia piłokształtnego. Do tego celu stosuje się dwa rodzaje regulacji:

ü      zamianę współczynnika czasu, tj. zamianę czasu roboczego tr przy niezmiennej amplitudzie,

ü      zamianę nastawy przełącznika ekspansji wzmacniacza Wx ( *1, *5 ), tj. zmianę amplitudy przy niezmiennym czasie roboczym tr.

Drugi rodzaj regulacji pozwala na powiększenie obrazu. Początek i koniec przebiegu znajduje się poza ekranem.

1.3.        Stabilizacja obrazu.

Nieruchomy obraz przebiegu na ekranie uzyskamy tylko wtedy, gdy badany przebieg jest powtarzalny. Aby za każdym ruchem plamki kolejne przebiegi nakładały się na siebie, generator podstawy czasu powinien pracować synchronicznie z badanym przebiegiem. Oznacza to, że częstotliwość generatora podstawi czasu musi być równa częstotliwości sygnału lub jego podwielokrotności. Stabilizację obrazu uzyskuje się za pomocą układu synchronizacji, sterującego generatorem podstawy czasu.

W podstawowych rozwiązaniach układ synchronizacji, składający się ze wzmacniacza i impulsatora (przerzutnik Schmitta), działa jak komparator napięcia. Po wykryciu określonej wartości napięcia wejściowego, zadanej regulatorem ,,poziom’’, oraz ustaleniu zbocza, zadanego przełącznikiem wyboru zbocza ,,+,-‘’,podaje on impuls na wejście generatora. Odstępy czasowe między impulsami równe są okresowi T.

Stosowane są dwa zasadnicze sposoby stabilizacji obrazu:

ü      stabilizacja oparta na synchronizowaniu generatora podstawy czasu, zwana synchronizowaniem; położenie pokrętła wyboru rodzaju pracy w pozycji ,,praca ciągła’’;

ü      stabilizacja oparta na wyzwalaniu generatora podstawy czasu, zwana wyzwalaniem; położenie pokrętła wyboru rodzaju pracy w pozycji ,, praca wyzwalana’’.

Stabilizacja obrazu oparta na synchronizowaniu generatora podstawy czasu cechuje się tym, że generator podstawy czasu pracuje w sposób ciągły. Generuje napięcie piłokształtne również wtedy, gdy do jego wejścia nie dochodzą impulsy z impulsatora. Na rysunku przedstawiono ilustrację działania synchronizowanej podstawy czasu. W przypadku braku sygnału UY plamka rysuje linię na osi X z prędkością zadaną przez nastawę współczynnika czasu [s/cm]. Po dołączeniu sygnału UY pojawiają się na wejściu generatora impulsy z układu synchronizacji, które przestrajają częstotliwość generatora do wartości, dla której zachodzi synchronizacja, przez wymuszenie krótszego czasu oczekiwania to między cyklami roboczymi generatora podstawy czasu. Nieprawidłowe nastawienie poziomu wyzwalania powoduje brak efektu synchronizacji. Stabilizacja obrazu oparta na synchronizowaniu generatora podstawy czasu jest mało skuteczna, nie daje bowiem dobrych efektów dla każdej nastawy współczynnika czasu, co wymaga dodatkowej, płynnej jego regulacji. Stabilizację tego rodzaju stosuje się przede wszystkim podczas przygotowania oscyloskopu do pomiarów w celu usytuowania obrazu na ekranie i ustalenia jego wymiarów.

Ważną właściwością generatora podstawy czasu jest to, że jest on nieczuły na impulsy sterujące podczas trwania cyklu roboczego oraz, że impulsy sterujące nie mają wpływu na parametry napięcia piłokształtnego. Te właściwości generatora obowiązują również przy pracy wyzwalanej.

Stabilizacja obrazu oparta na wyzwalaniu generatora podstawy czasu cechuje się tym, że generator generuje jeden cykl roboczy każdorazowo po otrzymaniu impulsu na wejściu. W przypadku braku impulsu generator przestaje pracować i plamka świetlna znajduje się z lewej strony ekranu w stanie oczekiwania (wygaszenia). Istnieją następujące metody stabilizacji obrazu opartej na wyzwalaniu generatora podstawy czasu : wyzwalanie normalne - ,,norm’’, wyzwalanie automatyczne -,,auto’’, wyzwalanie sygnałem wysokiej częstotliwości -,,HF’’, wyzwalanie jednorazowe.

Wyzwalanie normalne jest podstawową odmianą stabilizacji obrazu opartej na wyzwalaniu. Układ synchronizacji pracuje jako komparator napięcia, podobnie jak w pracy synchronicznej, Przy braku sygnału UY na wyjściu układu synchronizacji nie ma impulsów, generator nie generuje napięcia piłokształtnego. Na ekranie brak wtedy poziomej linii odniesienia. Plamka jest wygaszona i oczekuje z lewej strony ekranu na impuls wyzwalający, który pojawi się dopiero po doprowadzeniu napięcia UY. Wyzwalanie normalne jest najbardziej skuteczne ze wszystkich metod stabilizacji obrazu. W przypadku przebiegów o bardziej złożonych kształtach jest to praktycznie jedyna metoda stabilizacji obrazu, umożliwiająca uzyskanie stabilnego obrazu dla każdej nastawy współczynnika czasu. Wadą wyzwalania normalnego jest brak obrazu przy braku sygnału UY, ale również przy nieodpowiednim, zbyt wysokim poziomie wyzwalania. Przed dołączeniem sygnału należy ustalić poziomą linię odniesienia, stosując ciągłą pracę generatora podstawy czasu lub na przykład wyzwalanie automatyczne.

W nowoczesnych oscyloskopach rezygnuje się zwykle z pracy synchronizowanej i stosuje wyłącznie stabilizację obrazu opartą na wyzwalaniu ze wszystkimi jej odmianami. W związku z tym na płycie czołowej nie umieszcza się pokrętła wyboru rodzaju pracy generatora podstawy czasu.

Wyzwalanie automatyczne cechuje się tym, że impulsator generuje impulsy o częstotliwości 40 [Hz] sterujące generatorem podstawy czasu. Z chwilą pojawienia się sygnału UY zanika generacja i następuje wyzwalanie normalne. W większości rozwiązań wyzwalania automatycznego nie ma regulacji poziomu, który ustawiany jest samoczynnie na średnią  wartość badanego przebiegu.

Wyzwalanie sygnałem wysokiej częstotliwości stosuje się zwykle dla sygnałów wyzwalających o częstotliwości większej niż 1 [MHz] .

Wyzwalanie jednorazowe cechuje się tym, że generator podstawy czasu wykonuje jeden cykl roboczy każdorazowo po naciśnięciu odpowiedniego przycisku.  

2. Pomiar przesunięcia fazowego sygnałów sinusoidalnych oscyloskopem jednokanałowym.

2.1. Obiekt badania i zakres ćwiczenia.

Obiektem badanym był przesuwnik  fazowy napięcia sinusoidalnego. Należało  zmierzyć przesunięcie fazowe dla zadanych nastaw przesuwnika fazowego.

2.2. Układ połączeń i technika pomiarów.

Układ pomiarowy pokazano na rysunku.

                                                                     -15       +15      

                                                                 R

                                               R

    GENE-                                               -                               Yosc

    RATOR              We           C            + 

         ~                                                                Wy        ~U1

                                                                                         ~U2; Xosc  

                                                                  Rj  

Po doprowadzeniu napięcia U1 do obu torów - X i Y – należało sprawdzić, czy wartości pasożytniczego przesunięcia fazowego wprowadzonego przez oscyloskop jest pomijalnie mały. Następnie należało wybrać do dalszych pomiarów rodzaj wejścia toru Y(AC lub DC) o lepszych właściwościach fazowych. Doprowadzaliśmy napięcia U1 i U1 do odpowiednich wejść oscyloskopu i zmieniając napięcie wyjściowe generatora ustawialiśmy obraz o możliwie dużych wymiarach. Zmierzyliśmy wartość przesunięcia fazowego j dla zadanych nastaw przesuwnika fazowego.

Przesunięcie fazowe  określone jest wzorem:

gdzie a, b są to wymiary figur.

Błąd pomiaru oblicza się ze wzoru:

2.3. Tabela wyników.

2.4. Krzywe Lissajous.

           a)j=0                                                          b)j=31...