Oscyloskop − najważniejszy przyrząd pomiarowy 3.pdf

Miernictwo

Oscyloskop − najważniejszy

przyrząd pomiarowy

w pracowni elektronika

Do pełnego zrozumienia wiadomości podanych

w tym artykule, potrzebna jest znajomość materia−

łu zamieszczonego w poprzednich dwóch odcin−

kach.

Podane tam zostały podstawowe informacje

o budowie i działaniu prostego oscyloskopu.

W tym odcinku przedstawione zostaną bardziej

rozbudowane, profesjonalne oscyloskopy. Czytel−

nicy EdW to w dużej części ludzie młodzi i hob−

byści. Nie wszyscy mają dostęp do drogiego, pro−

fesjonalnego sprzętu. Jednak za kilka lat dzisiejsi

uczniowie i studenci staną się profesjonalistami

i już teraz powinni poznać i zrozumieć rozwiąza−

nia stosowane w nowoczesnych przyrządach.

Podany materiał zainteresuje też bardziej za−

awansowanych amatorów, którzy rozważą możli−

wość zakupu droższego sprzętu.

Dlaczego?

Ocyloskopy najtańsze, przeznaczone dla ama−

torów, mają szereg wad i ograniczeń. Oczywiście,

początkujący hobbysta, zajmujący się elektroniką

dorywczo, powinien rozejrzeć się za jakimś możli−

wie tanim oscyloskopem. Ponieważ obecnie trud−

niej jest kupić tanio na bazarze oscyloskop produk−

cji b. ZSRR, warto przejrzeć ogłoszenia, dowie−

dzieć się, czy można kupić starszy sprzęt w likwi−

dowanych lub modernizowanych zakładach prze−

mysłowych, ewentualnie dać ogłoszenie do rubryki

Rynek i Giełda i kupić od kogoś sprzęt używany.

Natomiast elektronik poważnie traktujący swoje

hobby czy zawód, na pewno nie powinien kupo−

wać sprzętu najniższej klasy. Dopiero porządny os−

cyloskop dwukanałowy daje szereg nowych funk−

cji, niedostępnych w sprzęcie najprostszym. Dlate−

go należy starannie rozważyć zagadnienia finanso−

we i postarać się o sprzęt mający odpowiednie

możliwości i parametry. Warto raz zdobyć się na

znaczny wydatek i nabyć przyrząd, który na długo

zapewni satysfakcję.

Wniosek ten dotyczy tym bardziej oscylosko−

pów kupowanych do szkolnych laboratoriów, pra−

cowni rzemieślniczych czy zakładów przemysło−

wych.

Niniejszy odcinek zawiera przegląd profesjonal−

nych oscyloskopów, z których te tańsze na pewno

leżą w zasięgu wielu Czytelników EdW.

Oscyloskop dwustrumieniowy

i dwukanałowy

W elektronicznej praktyce nierzadko zachodzi

potrzeba lub wręcz konieczność, by jednocześnie

zbadać i obejrzeć na ekranie dwa przebiegi elekt−

ryczne. Często chodzi o uchwycenie zależności

między napięciami w różnych punktach układu

i wtedy oba przebiegi w tym samym czasie muszą

pojawić się na ekranie.

Wydawałoby się, że jedyną metodą jest umiesz−

czenie w jednej lampie oscyloskopowej dwóch

niezależnych systemów z dwoma wyrzutniami

elektronów, dwoma parami płytek odchylających,

wytwarzających dwa strumienie elektronów, z któ−

rych każdy rysowałby niezależny obraz.

Takie lampy oscyloskopowe istnieją, nie cieszą

się jednak zbytnią popularnością. Lampy i zawiera−

jące je oscyloskopy nazywa się dwustrumieniowy−

mi. Oscyloskopy dwustrumieniowe były produko−

wane w znacznych ilościach w ZSRR. Zaletą takich

oscyloskopów jest niezależna praca poszczegól−

nych systemów, co znacznie rozszerza możliwości

pomiarowe. W skrajnym przypadku uzyskuje się

połączenie dwóch zupełnie niezależnych oscylo−

skopów w jednej obudowie, przy czym ekran jest

wspólny. Podstawową wadą oscyloskopów dwu−

strumieniowych jest skomplikowana budowa i wy−

soka cena.

Na szczęście istnieje prosty sposób pozwalający

zobrazować na zwykłej jednostrumieniowej lam−

pie dwa lub więcej przebiegów. Sposób ten wyko−

rzystuje się w praktycznie wszystkich produkowa−

nych obecnie oscyloskopach. Oscyloskopy takie

nazywa się dwukanałowymi (spotyka się też oscy−

loskopy czterokanałowe).

W oscyloskopie dwukanałowym występują dwa

niezależne kanały wzmocnienia i szybki przełącz−

nik elektroniczny. Fragment schematu blokowego

takiego oscyloskopu pokazano na rysunku 11 .

W każdym dwukanałowym oscyloskopie przełącz−

CZĘŚĆ 3

Rys. 11. Uproszczony schemat blokowy oscyloskopu dwukanałowego.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

Miernictwo

a) nieprawidłowy

b) prawidłowy

Rys. 13. Obraz na ekranie przy różnych

sposobach synchronizacji.

Rys. 12. Zasada pracy przemiennej.

na ekranie “do góry nogami”, umieszczony w jed−

nym z kanałów.

Do jednoczesnego uzyskania na ekranie obrazu

dwóch przebiegów stosuje się albo tryb pracy prze−

miennej, albo tryb pracy siekanej. Na płycie czoło−

wej niektórych oscyloskopów znajduje się prze−

łącznik umożliwiający wybór rodzaju pracy, opisa−

ny ALT(ernate) − kolejny, przemienny i CHOP −

ang. siekać, rąbać. W rosyjskich oscyloskopach

odpowiadają temu określenia ðåæèì ïîî÷åðåäíûé

i ðåæèì ïåðåðóâíûé .

Rysunek 12 ilustruje zasadę pracy przemiennej.

W czasie jednego cyklu pracy podstawy czasu ry−

sowany jest przebieg z kanału A, w czasie następ−

nego cyklu − z kanału B, i tak dalej. Pracą przełącz−

nika elektronicznego steruje przerzutnik, który

z kolei otrzymuje informację z generatora podsta−

wy czasu. Zasada pracy jest, jak widać, bardzo

prosta.

Ale nasuwa się tu ważne pytanie: jak synchroni−

zowany jest obraz na ekranie?

W zależności od sposobu synchronizacji obraz

na ekranie będzie inny i może wprowadzić w błąd

niedoświadczonego obserwatora. Ilustruje to rysu−

nek 13 . Na rysunku 13a pokazano, jak będzie wy−

glądał obraz, gdy podstawa czasu wyzwalana bę−

dzie za każdym razem przebiegiem z innego kana−

łu. Natomiast zupełnie inny obraz, prawidłowo ob−

razujący zależności czasowe (czy też inaczej mó−

wiąc fazowe) powstanie wtedy, jeśli za każdym ra−

zem podstawa czasu będzie wyzwalana przebie−

giem z tego samego kanału (jak na rysunku 12

i 13b).

Ponieważ jest to naprawdę ważna sprawa prak−

tyczna, każdy Czytelnik, który ma do czynienia

z oscyloskopem dwukanałowym powinien zasta−

nowić się, czy dokładnie rozumie problem i jak

wygląda to w jego oscyloskopie.

Najprawdopodobniej trzeba będzie zajrzeć do

instrukcji lub przeprowadzić próby, bowiem nie

wszystkie oscyloskopy mają przełączniki umożli−

wiające wybór jako źródła synchronizacji jednego

lub przemiennie dwóch kanałów. Zazwyczaj źród−

łem synchronizacji jest kanał oznaczony liczbą

1 lub literą A. W takiej sytuacji nasuwa się jednak

kolejne pytanie: czy w trybie pracy wyzwalanej na

ekranie pojawi się obraz, jeśli w tym kanale nie bę−

dzie sygnału? Na to pytanie Czytelnik odpowie sa−

modzielnie.

Innym trybem stosowanym do jednoczesnego

zobrazowania na ekranie dwóch przebiegów jest

nik rodzaju pracy pozwala przedstawić na ekranie:

− przebieg z kanału A

− przebieg z kanału B

− sumę (lub różnicę) sygnałów z obu kanałów

− jednocześnie przebiegi z obu kanałów

Pokazany przełącznik elektroniczny w rzeczy−

wistości jest układem sumującym prądy, dlatego

umożliwia sumowanie przebiegów z obu kanałów.

Zamiast sumy częściej jednak wykorzystuje się róż−

nicę dwóch przebiegów (na przykład, aby pozbyć

się sygnału wspólnego) − właśnie do pracy różnico−

wej potrzebny jest przełącznik odwracający obraz

Rys. 14. Zasada pracy siekanej.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

Miernictwo

praca siekana. Jak widać z rysunku 14 , przebiegi

z obydwu kanałów są próbkowane, jakby siekane,

i na ekranie podczas jednego przebiegu podstawy

czasu rysowane są na przemian kawałeczki jedne−

go i drugiego przebiegu. Jak łatwo się domyślić,

w tym trybie nie ma problemu z synchronizacją −

źródłem sygnału synchronizacji musi być przez

cały czas tylko jeden z kanałów.

Dlaczego jednak przy pracy siekanej nie widzi−

my na ekranie fragmentów obu przebiegów, two−

rzących swego rodzaju grzebień, tylko dwa pełne,

czyste przebiegi? Odpowiedź jest prosta − przecież

obraz na ekranie rysowany jest wielokrotnie,

a przebieg siekający nie jest zsynchronizowany

z przebiegiem badanym. Częstotliwość sygnału

siekającego jest rzędu kilkuset kiloherców, można

więc przeprowadzić eksperyment i podać z gene−

ratora na wejścia obu kanałów Y (lub tylko jedne−

go) sygnały, na przykład sinusoidalny i prostokątny,

o regulowanej częstotliwości (około 100kHz).

W pewnym zakresie częstotliwości tego generatora

będzie można zobaczyć, że rzeczywiście oba wy−

stępujące na ekranie przebiegi rysowane są po ka−

wałku.

A teraz pytanie kontrolne: czy w oscyloskopie

dwukanałowym nie wystarczyłby tylko jeden spo−

sób pracy, przemienny albo siekany?

Okazuje się, że nie. Przy częstotliwościach po−

niżej 50Hz podczas pracy przemiennej występuje

silne migotanie obrazu, bo przecież każdy przebieg

rysowany jest podczas kolejnego cyklu podstawy

czasu. Dlatego przy małych częstotliwościach ko−

nieczne jest wykorzystanie trybu siekanego. Nato−

miast przy badaniu przebiegów o czasach rzędu

pojedynczych mikrosekund i krótszych, pracy sie−

kanej stosować nie można, bo okres przebiegu sie−

kającego jest dłuższy niż okres badanych przebie−

gów.

Niektóre oscyloskopy dwukanałowe wyposażo−

ne są w przełącznik pozwalający wybrać pracę

przemienną lub siekaną, w innych przełączanie

trybu pracy odbywa się automatyczne, w zależnoś−

ci od wybranego zakresu podstawy czasu.

Linia opóźniająca

Niektóre droższe oscyloskopy wyposażone są

w tak zwaną linię opóźniającą. Niektórym Czytel−

nikom skojarzy się to być może z linią opóźniającą

stosowaną w torze chrominancji odbiorników tele−

wizyjnych, wprowadzającą opóźnienie sygnału

o 64 mikrosekundy. W oscyloskopie wystarczy li−

nia opóźniającą sygnał badany o ułamek mikrose−

kundy. Linia taka stosowana jest, aby na ekranie

można było oglądać przednie zbocze sygnału.

W praktyce często bada się szybkie przebiegi im−

pulsowe. Początek impulsu, czyli jego przednie

zbocze, przechodzi przez układ synchronizacji

i wyzwala generator podstawy czasu. Na przejście

przez układ synchronizacji i start generatora po−

trzebny jest pewien krótki czas, właśnie rzędu

ułamka mikrosekundy. Gdy plamka rysująca obraz

na ekranie pojawi się z takim niewielkim opóźnie−

niem, krótkie przednie zbocze już się zdąży zakoń−

czyć i nie może być zobrazowane. Obecność linii

opóźniającej sygnał w torze Y gwarantuje, że na

ekranie pojawi się także przednie zbocze badane−

go sygnału. Rysunek 15a pokazuje obraz krótkiego

a) bez linii opóźniającej

b) z linią opóźniającą

Rys. 15. Obraz krótniego impulsu.

impulsu w oscyloskopie bez linii opóźniającej,

a rysunek 15b − gdy zastosowano taką linię.

W praktyce obecność linii opóźniającej przyda−

je się tylko przy badaniu najszybszych przebiegów.

Brak takiej linii nie jest znaczącą wadą oscylosko−

pu.

Niektórych Czytelników może zaciekawi wia−

domość, że w niektórych starszych oscyloskopach

linię opóźniającą stanowił po prostu kilku, czy kil−

kunastometrowy odcinek przewodu koncentrycz−

nego, który w postaci kilku zwojów umieszczony

był niekiedy z tyłu, na zewnątrz obudowy.

Wyjście kalibratora

Większość oscyloskopów wyposażona jest

w tak zwane wyjście kalibratora. Na wyjściu tym

występuje przebieg prostokątny o częstotliwości

około 1kHz i amplitudzie rzędu 1V.

Sygnał ten dostępny jest nie na standardowym

gnieździe BNC, tylko na nietypowym punkcie

umieszczonym zwykle na płycie przedniej.

Wbrew pozorom, wyjście to nie służy do kalib−

racji współczynników odchylania w torze Y lub

współczynników czasu w generatorze podstawy

czasu (choć w starych oscyloskopach można je by−

ło do tego wykorzystywać).

Sygnał z tego wyjścia służy do kalibracji charak−

terystyki częstotliwościowej używanych sond po−

miarowych.

Więcej informacji na temat sond będzie podane

w jednym z następnych odcinków, teraz wystarczy

wiedzieć, że prawie zawsze przy pomiarach oscy−

loskopowych zamiast zwykłych przewodów po−

miarowych, stosuje się sondy tłumiące sygnał dzie−

sięciokrotnie. Każdą sondę można dołączać do do−

wolnego oscyloskopu, ale ponieważ oscyloskopy

mają różną pojemność wejściową (od 15 do 40pF),

zachodzi konieczność kalibracji sondy, aby uzys−

kać równomierne pasmo przenoszenia.

W praktyce jest to bardzo proste i zajmuje kilka

sekund. Ostrze kalibrowanej sondy (tłumiącej

w stosunku 1:10), należy dotknąć do wspomniane−

go wyjścia kalibracji, a następnie wkrętakiem tak

ustawić trymer w obudowie sondy, żeby uzyskać

Rys. 16. Kalibracja sondy.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

Miernictwo

Rys. 17. Sposób wykorzystania wobulatora.

skopu pracującego trybie X−Y przy pomiarach

z użyciem generatora przestrajanego napięciem −

wobulatora. Wtedy na wejście X podaje się napię−

cie (zwykle piłokształtne), sterujące także częstotli−

wością przestrajanego napięciem generatora, a na

wejście Y sygnał wyjścia z badanego urządzenia.

Uproszczony schemat blokowy takiego systemu

pokazano na rysunku 17 . W jednym z poprzednich

numerów EdW w Forum Czytelników przedstawio−

no opis przeróbki prostego oscyloskopu do pracy

w trybie X−Y.

Oscyloskop w trybie X−Y jest też świetnym

wskaźnikiem dla wszelkiego rodzaju charakterog−

rafów, czyli systemów określających charakterysty−

ki napięciowi−prądowe różnych elementów.

Piszący te słowa widział nawet oscyloskop

w trybie X−Y pracujący jako bardzo kiepskiej jakoś−

ci ekran telewizyjny. Co prawda na taki dziwaczny

eksperyment szkoda czasu, bowiem świecąca ziel−

ono, typowa lampa oscyloskopowa nie pozwala

uzyskać poprawnego obrazu TV,

Niemniej jednak elektronik, który poważnie

traktuje swą pasję, powinien mieć oscyloskop, mo−

gący pracować w trybie X−Y.

Ktoś może jeszcze zapyta, dlaczego na ekranie

nie widać momentów przejścia plamki między

dwoma przebiegami przy pracy siekanej, a także li−

nii podczas szybkiego powrotu plamki z prawej

strony ekranu na lewą?

Linie te byłyby widoczne na ekranie, gdyby os−

cyloskop nie posiadał obwodów wygaszania plam−

ki na ten czas. Jak podano w poprzednim odcinku,

regulacja jasności, w tym także całkowite wygasza−

nie plamki, odbywa się przez zmianę napięcia na

jednej z elektrod (siatek) lampy oscyloskopowej.

W dobrych oscyloskopach oprócz obwodów

wygaszania powrótów oraz obwodu płynnej regu−

lacji jasności obrazu, wprowadzono także dodat−

kowe wejście, oznaczane literą Z, które umożliwia

regulacji jasności plamki za pomocą podanego

z zewnątrz napięcia. Takie wejście jest bardzo

przydatne w przy podanych powyżej, bardziej za−

awansowanych sposobach wykorzystania oscylo−

skopu. Właśnie wtedy wykorzystuje się tory X,

Y i Z.

OS−9020

Na fotografi 4 przedstawiono płytę czołową

najpopularniejszego dwukanałowego oscyloskopu

z oferty AVT, modelu OS−9020A koreańskiej firmy

Goldstar. Właśnie tej klasy przyrząd można polecić

nawet średnio zaawansowanym elektronikom.

Oscyloskop OS−9020A jest najtańszy z całej ro−

dziny OS−9000. Jest oczywiście najuboższy, ale na−

leży mieć na względzie, że większość funkcji do−

stępnych w droższych modelach nie daje jakiś no−

wych, cennych możliwości, tylko ułatwia pomiary.

Pokazany oscyloskop realizuje prawie wszystkie

funkcje, jakie są potrzebne w praktyce (nie można

nim jednak badać przebiegów jednorazowych).

Wyposażony jest w lampę z dużym, prostokątnym

ekranem o wymiarach 10x8cm, posiadajacą we−

wnętrzną skalę.

Przyrząd może mierzyć sygnały od prądu stałe−

go (0Hz) do przynajmniej 20MHz. Ten zakres częs−

totliwości całkowicie wystarczy nawet zaawanso−

wanemu elektronikowi.

przebieg najbardziej zbliżony do prostokątnego.

Na rysunku 16 pokazano przebiegi ne ekranie

w trakcie kalibracji. Po takim prostym zabiegu son−

da jest gotowa do pracy.

Beam find

Niektóre oscyloskopy wyposażone są w przy−

cisk oznaczony BEAM FIND lub ïîèñê ëó÷à . Jak

wskazuje nazwa, przycisk jest pomocny wtedy, jeś−

li nie wiadomo dlaczego obraz “uciekł” z ekranu.

Naciśnięcie tego przycisku rozjaśnia i pomniejsza

obraz. Można wtedy określić, czy przyczyną jest

złe ustawienie pokrętła jasności, przesuwu pozio−

mego lub pionowego, czy też rzeczywiście obraz

uciekł w dół lub w górę pod wpływem dużej skła−

dowej stałej. Jeśli po naciśnięciu przycisku nie

uzyska się żadnego obrazu, lub tylko świecącą

kropkę, to nie pracuje generator podstawy czasu,

czyli najprawdopodobnie w trybie wyzwalanym

źle ustawione są regulatory synchronizacji.

Tryb X−Y−Z

Wszystkie lepsze oscyloskopy dwukanałowe (a

także niektóre jednokanałowe) mają możliwość

pracy w tak zwanym trybie X−Y. Dotychczas omó−

wiono typowe wykorzystanie oscyloskopu, gdy

w torze X pracował generator podstawy czasu. Ale

oscyloskop można wykorzystywać do wielu zadań,

między innymi jako wskaźnik, gdy plamka także

w osi poziomej jest odchylana przez przebiegi po−

dawane z zewnątrz. Na płycie czołowej przyrządu

należy więc szukać pozycji któregoś z przełączni−

ków oznaczonej X−Y. W tej pozycji generator pod−

stawy czasu jest odłączony i zewnętrzny sygnał po−

dawany jest na wzmacniacz i płytki X. Niektóre os−

cyloskopy mają specjalne gniazdo wejściowe

oznaczone INP X lub âõîä X. Ale w oscyloskopach

dwukanałowych przy pracy w trybie X−Y zwykle je−

den z kanałów pełni rolę wzmacniacza Y, drugi −

wzmacniacza X.

Większość Czytelników domyśliła się już, iż to

właśnie w trybie X−Y uzyskuje się tak zwane krzy−

we Lissajous opisywane w podręcznikach. Tak, ale

nie tylko. Na ekranie oscyloskopu można na przy−

kład wyświetlić tekst lub rysunki. Oczywiście do

wytworzenia odpowiednich przebiegów trzeba za−

stosować komputer, mikroprocesor lub przynaj−

mniej pamięć typu EPROM lub RAM. Bardzo inte−

resującą możliwością jest wykorzystanie oscylo−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

Miernictwo

Zakres współczynników wzmocnienia torów

wynosi 1mV/dz...5V/dz. Maksymalne dopuszczal−

ne napięcie szczytowe podawane na wejścia nie

może przekroczyć 250V. Zakres kalibrowanych

współczynników podstawy czasu wynosi 0,2µs/

dz...0,2s/dz, przy czym istnieje możliwość posze−

rzenia go do 0,02µs/dz. Przyrząd może pracować

w temperaturze 0...+40°C, waży 7,8kg i pobiera

z sieci około 40W mocy.

Kolejnym ćwiczeniem dla Czytelników jest

określenie roli wszystkich regulatorów i gniazd

znajdujących się na płycie przedniej.

Wszyscy nabywcy takiego oscyloskopu otrzy−

mują oprócz karty gwarancyjnej oryginalną instruk−

cję w języku angielskim i jej tłumaczenie na język

polski. Uzyskają z nich dokładne dane dotyczace

parametrów przyrządu, a także sporo cennych

wskazówek odnośnie eksploatacji i przeprowadza−

nia pomiarów. Zarówno treść oryginalnej instruk−

cji, jak i staranny polski przekład zasługują na

uznanie.

Właśnie prezentowany oscyloskop posiadający

niemal wszystkie, potrzebne w praktyce możliwoś−

ci, jest przykładem sprzętu, jaki można polecić bar−

dziej zaawansowanym Czytelnikom EdW.

(red)

E RRARE H UMANUM E ST

W EdW 1/97 oprócz kilku literówek wytropiliście następujące drobne błędy:

· W opisie aparatury do zdalnego sterowania modeli (str. 9, pierwsza szpalta) zamiast U1, T1, wspomniano o U4, T3, nato−

miast w tabeli 1 na tej samej stronie w czwartej linii zamiast UM3758−180A/B powinno być UM3758−108A/B.

· Na str. 15 rys. 12 (Szkoła konstruktorów) zabrakło oznaczenia punktu C − należy go zaznaczyć na górnej końcówce przycis−

ku STOP.

· W wykazie elementów psychomaszyny (str. 22) rezystor R26 powinien mieć wartość 15 W , jak podano na schemacie ideo−

wym. Natomiast ostatnie zdanie na stronie 22, dotyczące numeru płytki psychomaszyny, powino brzmieć: ...pod symbo−

lem EdW−012.

· Na str. 38 w artykule o oscyloskopach zabrakło ry−

sunku 4. Oto on:

· Na wkładce (str 40) zamieniono podpisy nadajnik −

odbiornik; zabrakło też rysunku ścieżek od strony

elementów nadajnika zdalnego sterowania. Rysu−

nek ten jest na wkładce w dzisiejszym numerze.

· W opisie prostego generatora w.cz. (str. 41, 42)

wartość kondesatora C4 powinna wynosić 6,8pF,

czyli tak jak podano w spisie elementów. Niemniej

układ będzie też pracował poprawnie z kondensa−

torem C4 o pojemności 68pF.

· W ”Listach od Piotra” na str. 58 w podpisie rys.

6 zamiast “instalacji alarmowej” powinno być “in−

stalacji zapłonowej”. Na str. 59 na rys. 11 zamiast

I=const powinno być U=const.

· Przy okazji chcielibyśmy uściślić, że osoba pokaza−

ny na fotografii na stronie 62 nie jest MacGyverem.

Drobne nagrody−niespodzianki otrzymują Piotr Kożuch i Ireneusz Węglowski.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

(red)

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: