Porady
Istnieje wiele różnych metod pomiaru napięć elektrycznych. Dla doświadczonego mechanika samochodowego często wystarczy zwykła lampa kontrolna, aby stwierdzić, czy dany kabel jest pod napięciem, czy nie. W ten sposób można szybko znaleźć przyczyny ciemnych reflektorów lub niedziałającego regulatora okien. Mechanicy, którzy chcą działać dokładniej, lubią korzystać z multimetrów cyfrowych. Dzięki tym przyrządom pomiarowym wartości napięcia są dokładnie wyświetlane. Jednak gdy przychodzi do wyświetlania szybko zmieniających się zmian napięcia lub stale powtarzających się sygnałów, nawet dobrze działające multimetry szybko okazują się niewystarczające. W tym przypadku pomocne mogą być oscyloskopy. Ponieważ te przyrządy pomiarowe mają ekran, na którym precyzyjnie wyświetlane są krzywe napięcia lub kształty sygnałów. Nawet jeśli te przyrządy pomiarowe wydają się początkowo dość skomplikowane ze względu na wiele elementów nastawczych, przełączników i regulatorów, to pomiar oscyloskopem jest w zasadzie dość prosty. Chętnie wyjaśnimy więcej na temat tych praktycznych, a teraz także niedrogich urządzeń pomiarowych.
Jak już wspomniano, oscyloskopy służą do bliższego badania krzywych napięciowych lub sygnałów. Kiedy mówimy o sygnałach w elektronice czy technice, nie mówimy o sygnałach świetlnych z sygnalizacji świetlnej. Mówimy raczej o zmianach napięcia, które zawierają informacje analogowe lub cyfrowe. W przypadku np. telewizora, eksperci mówią o sygnałach wideo, które służą do przekazywania informacji o obrazie. Z kolei sygnały dźwiękowe przekazują informację dźwiękową. Jeżeli mimo zwiększenia głośności nie słychać dźwięku w telewizorze, to dość łatwo można sprawdzić oscyloskopem, gdzie przerwana jest ścieżka sygnału. Można jednak mierzyć również zachowanie oscylacyjne oscylatorów, impulsy czujników lub nawet przesunięcia fazowe między dwoma sygnałami. Wymienione tu przykłady stanowią jednak tylko bardzo mały wycinek niemal nieograniczonych możliwości zastosowań oscyloskopów. Nawiasem mówiąc, ponieważ wyświetlanie wyniku pomiaru na ekranie często przypomina urządzenie rysujące krzywe na papierze, pierwsze oscyloskopy nazywano również oscylografami.
Mimo że obecnie istnieją nowoczesne oscyloskopy cyfrowe z kolorowymi wyświetlaczami o wysokiej rozdzielczości, sensowne jest pokazanie podstawowego działania oscyloskopu przy użyciu analogowego urządzenia. Pierwsze oscyloskopy były w budowie oparte na lampie Brauna, podobnie jak pierwsze telewizory.
Lampa Brauna jest prawie próżniową lampą elektronową, która ma z przodu obszar w kształcie stożka. Obszar ten jest od wewnątrz pokryty materiałem, który jasno świeci, gdy uderzają w niego przyspieszone elektrony. Dzięki temu możliwe jest wyświetlanie punktów, a nawet linii i krzywych. Potrzebne do tego elektrony emitowane są przez rozgrzaną katodę. Katoda znajduje się w cylindrze Wehnelta, który dzięki swojemu ujemnemu ładunkowi wiąże elektrony w centrum i uwalnia je przez otwór w kierunku wiązki. Elektrody w kształcie pierścienia (anoda) zapewniają niezbędne przyspieszenie dla uciekających elektronów. Anody również mają otwór w środku. Dlatego przyspieszone elektrony mogą lecieć dalej do warstwy luminescencyjnej. Aby elektrony spotkały się tam w jednym punkcie, elektrody ogniskowe zapewniają skupienie wiązki elektronów. Ponieważ jednak nie tylko jeden punkt ma być reprezentowany, wiązka elektronów musi być odchylona w prawo i w lewo, a także w górę i w dół. Odchylenie to jest realizowane przez płytki, do których przyłożone jest napięcie. Dwie pionowe płyty odchylają wiązkę elektronów poziomo od lewej do prawej (oś X), a dwie poziome płyty odchylają wiązkę w pionie (oś Y).
Schematyczne przedstawienie z podgrzewaną katodą (1); cylinder Wehnelta (2); elektrody anodowe (3); elektrody ogniskujące (4); płytki odchylania pionowego (5); płytki odchylania poziomego (6); strumienie elektronów (7); warstwa luminescencyjna (8).
Zastosowanie rurki Brauna w oscyloskopie
Ze względu na długość konstrukcyjną tuby, oscyloskopy analogowe mają stosunkowo duże obudowy i są przeznaczone przede wszystkim do pracy stacjonarnej.
Nad ekranem umieszczona jest siatka z cienkimi liniami. Dzięki temu wiązka elektronów może być starannie wyrównana. Ponadto można sformułować konkretne stwierdzenia dotyczące poziomu napięcia i częstotliwości mierzonego sygnału.
Jeżeli odstępy między liniami wynoszą jeden centymetr, to skale odpowiednich pokręteł regulacyjnych są oznaczone jedną wartością na centymetr, np. 5 mV/cm lub 0,1 s/cm. Jeśli odległość linii ma wartości odbiegające od normy, w oznakowaniu stosuje się np. 5 mV/DIV. (DIV. dla division - działka/dzielnik).
Odchylenie poziome
Aby zmierzyć częstotliwość i amplitudę oscylatora, na przykład, wiązka elektronów musi być najpierw odchylona od lewej do prawej. Dla tego odchylenia poziomego oscyloskop posiada wewnętrzny generator, który podaje sygnał wyjściowy w postaci piłokształtnej. To napięcie piłokształtne jest wzmacniane wewnętrznie i przełączane na płytki pionowe. Dzięki rosnącej zmianie napięcia (od t0 do t1) plamka świetlna przesuwa się od lewej krawędzi ekranu do prawej ze stałą prędkością. W czasie t1 napięcie odchylania przeskakuje od maksymalnej wartości dodatniej do maksymalnej wartości ujemnej. Powoduje to odchylenie wiązki elektronów z prawej strony z powrotem do lewej i przy kolejnym zwiększeniu napięcia może ponownie przesunąć się w prawo. Aby uniknąć zakłóceń obrazu, wiązka elektronów jest skanowana w ciemności podczas powrotu na lewą stronę.
Częstotliwość napięcia piłokształtnego można zmieniać za pomocą przełącznika obrotowego o kilku pozycjach przełączania. Jeśli na tym przełączniku, zwanym bazą czasową, ustawiona jest duża wartość, np. 2 sekundy na dzielnik (2s/DIV.), dla prędkości odchylania, podświetlona kropka przesuwa się bardzo powoli z lewej do prawej. Im krótszy jest ustawiony czas na dzielnik, tym szybciej przesuwa się piksel. Od wartości 2 ms/DIV. lub krótszej, kropka jest tak szybka, że ludzkie oko postrzega już linię poziomą. Efekt ten jest również wspierany przez czas trwania poświaty warstwy luminescencyjnej.
Odchylenie pionowe
Pionowe odchylenie wiązki elektronów następuje poprzez wejście pomiarowe lub poprzez mierzony sygnał. Ponieważ do płytek musi być przyłożone stosunkowo wysokie napięcie, aby w ogóle odchylić wiązkę, wejście pomiarowe jest również podłączone do wewnętrznego wzmacniacza. Oznacza to, że nawet stosunkowo niskie napięcia w zakresie 1/1000 V mogą być mierzone bez żadnych problemów.
Jeżeli oprócz opisanego już odchylenia poziomego występuje również odchylenie pionowe spowodowane sygnałem wejściowym, to zamiast linii poziomej wyświetlana jest krzywa napięcia mierzonego sygnału.
W celu wyświetlania prawidłowego sygnału, wejście pomiarowe posiada przełącznik wyboru odchylenia pionowego, za pomocą którego można ustawić stopniowe wzmocnienie sygnału pomiarowego. Pozwala to na ustawienie optymalnego widoku sygnału pomiarowego.
Oscyloskopem mierzy się tylko napięcia. Oznacza to, że nie jest konieczne odłączanie jakichkolwiek obwodów. Konieczne jest jedynie podłączenie zacisku krokodylkowego sondy do potencjału minusowego (masy) mierzonego obwodu. Następnie można sprawdzić dowolny punkt pomiarowy w obwodzie za pomocą końcówki pomiarowej sondy.
Zanim jednak rozpocznie się pomiar, należy najpierw sprawdzić zestrojenie wiązki elektronów. W oscyloskopach analogowych zazwyczaj bezpośrednio przy gnieździe wejściowym znajduje się przełącznik, za pomocą którego można przełączyć wejście na masę lub uziemienie. Dzięki temu wiązka elektronów nie jest odchylana w pionie. Teraz wiązka elektronów może być zgrabnie ustawiona do linii zerowej siatki za pomocą obrotowej regulacji pozycji Y. W zależności od rodzaju mierzonego napięcia, przełącznik wyboru wejścia musi być następnie ustawiony z masy na napięcie zmienne (AC) lub napięcie stałe (DC). Oscyloskopy cyfrowe również posiadają takie opcje ustawień. Ustawienie nie odbywa się jednak za pomocą przełącznika, lecz poprzez menu urządzenia pomiarowego, które różni się nieznacznie w zależności od producenta.
Za pomocą przełącznika wyboru odchylenia pionowego, począwszy od najwyższej wartości, można ustawić dobrze rozpoznawalne odwzorowanie sygnału pomiarowego. Jeśli obraz nie jest stabilny, należy zmienić ustawienie wyzwalacza na oscyloskopie. Wyzwalacz to, że tak powiem, automatyczny wyzwalacz, który określa, kiedy belka powinna zacząć poruszać się od lewej krawędzi ekranu do prawej. Dopiero gdy krzywa napięcia sygnału pomiarowego ma tę samą wysokość i ten sam kierunek co poprzednie wyzwolenie, rozpoczyna się ponownie narastanie napięcia w chwili t0 sygnału piłokształtnego dla odchylenia X. Wyświetlane sygnały są więc absolutnie kongruentne i uzyskuje się ostry obraz krzywej pomiarowej.
Jednak przy odrobinie praktyki bardzo szybko można się zorientować, które ustawienia należy zmienić, aby uzyskać wyraźny sygnał na wyświetlaczu.
Ocena wyświetlacza
W przedstawionym przykładzie zmierzono napięcie o przebiegu kwadratowym. Nastawy bazy czasowej i przełącznika wyboru odchylenia pionowego dobrano tak, aby wskazanie na ekranie miało wysokość czterech pól (dzielników), a jeden okres sygnału miał długość dwóch pól. Dzielnik napięcia w sondzie (patrz praktyczna wskazówka) został ustawiony na wartość 1:1, co oznacza, że ustaloną wartość napięcia można bezpośrednio wykorzystać.
Określenie poziomu napięcia
W przedstawionym przykładzie przełącznik wyboru odchylenia pionowego został ustawiony na 0,1 V/DIV. co daje wartość 0,4 Vpp lub 400 mVpp dla sygnału fali kwadratowej o wysokości sygnału czterech pól.
Określenie częstotliwości
Czas trwania impulsu załączającego i następującego po nim impulsu wyłączającego to również dwa pola. Przełącznik wyboru prędkości odchylenia lub bazy czasowej był ustawiony na 0,5 mS/DIV. w celu wykonania pomiaru. Oznacza to, że jeden okres sygnału fali kwadratowej trwa 1 milisekundę (T = 1 mS). Częstotliwość można wtedy obliczyć z odwrotności czasu trwania okresu. W przedstawionym przykładzie napięcie o fali kwadratowej ma częstotliwość 1 kHz.
Przy pomiarze napięcia urządzenie pomiarowe stanowi zewnętrzny opór, który w pewnych okolicznościach może wpływać na obwód pomiarowy. Dlatego rezystancja urządzenia pomiarowego (impedancja wejściowa) powinna być jak największa. Oscyloskop ma zwykle impedancję wejściową 1 MΩ (1 milion omów). Za pomocą sondy można w razie potrzeby zwiększyć impedancję wejściową. Często na sondzie znajduje się przełącznik umożliwiający zmianę cyklu pracy z 1:1 na 1:10 lub nawet 1:100. W pozycji 1:10 całkowita rezystancja (rezystancja wejściowa oscyloskopu i sondy) wynosi wtedy 10 MΩ. Dlatego wynik pomiaru na ekranie należy pomnożyć przez współczynnik 10, aby uzyskać rzeczywisty poziom napięcia na końcówce pomiarowej. Dodatkowo sondy posiadają regulowane kondensatory trymujące, kompensujące wpływy pojemnościowe przewodu pomiarowego i wejścia pomiarowego oscyloskopu na sygnał pomiarowy. W przypadku niedokompensowania, narożniki narastających i opadających krawędzi sygnału kwadratowego są zaokrąglone. W przypadku nadmiernej kompensacji krawędzie przekraczają wartość docelową. Jeśli kondensator trymujący jest ustawiony prawidłowo, krawędzie sygnału fali kwadratowej są wyświetlają się czysto.
Zaniżona kompensacja
Nadmierna kompensacja
Prawidłowa kompensacja
Oscyloskopy występują w wielu różnych wersjach. Wiele oscyloskopów analogowych o szerokości pasma do 100 MHz można jeszcze spotkać w laboratoriach, warsztatach i piwnicach hobbystów. Ówczesne dość drogie, ale również wysokiej jakości urządzenia wyposażone są w jedno lub dwa wejścia, zwane również kanałami. Ponadto nawet starsze oscyloskopy analogowe posiadają jeszcze wiele dodatkowych funkcji i możliwości ustawień.
Jednak coraz więcej oscyloskopów cyfrowych cieszy się większym zainteresowaniem. W oscyloskopie cyfrowym analogowy sygnał pomiarowy jest digitalizowany, zapisywany i wyświetlany za pomocą konwertera. Dzięki temu, przy odpowiednim wyzwalaniu, możliwa jest precyzyjna analiza nawet jednorazowych zdarzeń, które mają miejsce np. podczas ręcznie uruchomionego procesu przełączania.
Ale nawet rurka Brauna jest już przestarzała. Obecnie nowoczesne oscyloskopy wyposażone są w kolorowe wyświetlacze. Te elektroniczne wyświetlacze oferują wiele dodatkowych informacji, które są wyświetlane razem z sygnałem pomiarowym. Ze względu na kompaktową budowę, nowoczesne oscyloskopy wymagają znacznie mniej miejsca na stole pomiarowym i mogą być używane nawet w terenie jako przenośne oscyloskopy ręczne. Alternatywą są oscyloskopy USB lub oscyloskopy PC. Te urządzenia pomiarowe nie posiadają własnego wyświetlacza, lecz złącze USB. Ich obsługa odbywa się po prostu na komputerze z odpowiednim oprogramowaniem, przy czym monitor służy do wyświetlania wyniku pomiaru. Urządzenia te często posiadają kilka kanałów analogowych i cyfrowych i są idealne do celów szkoleniowych.
Wybierając oscyloskop do zastosowań profesjonalnych, musisz mieć na uwadze, że osoby korzystające z niego z pewnością będą dokładnie wiedziały, jaką specyfikację musi spełniać wymagane urządzenie. Trudniej jest z oscyloskopami, które będą używane tylko sporadycznie w warunkach profesjonalnych lub będą używane hobbystycznie. By móc wybrać najlepiej, krótko podsumowaliśmy najważniejsze cechy użytkowe oscyloskopów cyfrowych.
Szerokość pasma
Pasmo MHz opisuje zakres częstotliwości wejściowego sygnału analogowego, którego amplituda zmniejsza się ze wzrostem częstotliwości na skutek działania układu. Górna granica pasma jest określona, gdy sygnał sinusoidalny został stłumiony do 70,7% swojej amplitudy (granica -3 dB). Z doświadczenia wynika, że szerokość pasma powinna być dwukrotnie większa od mierzonej składowej o najwyższej częstotliwości.
Częstotliwość próbkowania
W przypadku oscyloskopów cyfrowych równie ważną wartością jest częstotliwość próbkowania. Częstotliwość próbkowania wskazuje na szybkość, z jaką przychodzące sygnały analogowe mogą być digitalizowane. Zgodnie z twierdzeniem Nyquista-Shannona o próbkowaniu, częstotliwość próbkowania sygnałów sinusoidalnych powinna być co najmniej dwa razy większa od najwyższej składowej częstotliwości analogowej. Jednak dla dokładnego odwzorowania sygnałów w czasie, częstotliwość próbkowania powinna być trzy do czterech razy większa niż analogowa składowa częstotliwości. Dla impulsów lub sygnałów o przebiegu kwadratowym częstotliwość próbkowania powinna być dziesięciokrotnie większa.
Rozdzielczość
Rozdzielczość oznacza liczbę bitów wyprowadzanych przez przetwornik A/D. Oscyloskop cyfrowy o rozdzielczości 8 bitów dzieli zakres wejściowy 10 Vpp na 256 poziomów po 39 mV każdy. Przy rozdzielczości 12-bitowej ten sam zakres wejściowy daje w efekcie 4096 poziomów o wartości 2,44 mV każdy. Rozdzielczość 16-bitowa dawałaby w sumie 65 536 poziomów o wartości 0,15 mV każdy przy 10 Vpp. Wysoka rozdzielczość jest zawsze potrzebna, gdy za pomocą oscyloskopu mają być mierzone sygnały dynamiczne o dużych i małych składowych napięcia.
Liczba kanałów
Im bardziej złożone są zadania pomiarowe, tym wymagana i potrzebna jest większa liczba wejść (kanałów) analogowych. Dzięki dwóm kanałom, poprzez dwa wejścia można jednocześnie wyświetlać i porównywać dwa różne sygnały pomiarowe. Podczas gdy większość oscyloskopów analogowych miała jeden lub dwa kanały, oscyloskopy cyfrowe zwykle zapewniają do czterech kanałów analogowych i dodatkowe wejścia cyfrowe.
Cena zakupu
Na szczęście czasy, gdy oscyloskopy były nieporęczne i drogie, minęły. Obecnie nawet wysokiej jakości urządzenia są dostępne w niezwykle atrakcyjnych cenach. Tak więc teraz wielu entuzjastów elektroniki może łatwo umieścić niedrogi oscyloskop MHz w swoim warsztacie hobbystycznym. A dzięki nowym możliwościom pomiarowym, zarówno rozwiązywanie problemów, jak i realizacja złożonych projektów mogą być prowadzone i realizowane znacznie łatwiej.
Ile co najmniej MHz powinien mieć oscyloskop?
Na pytanie jak wysoka powinna być maksymalna częstotliwość wejściowa w MHz nie da się odpowiedzieć tak prosto. Zawsze zależy to od częstotliwości mierzonego sygnału. Przecież oscyloskop 20 MHz może mierzyć również sygnały o częstotliwości większej niż 20 MHz. Jednak sygnały w zakresie 20 MHz i powyżej są wyświetlane znacznie mniejsze z powodu tłumienia i nie mogą być już czysto zaprezentowane na osi czasu. Jeśli sygnały o częstotliwości 50 MHz mają być mierzone rozsądnie, wejście lub kanał musi się charakteryzować szerokością pasma 100 MHz. Jeśli jednak mają być mierzone głównie sygnały o niskiej częstotliwości w zakresie mniejszym niż 1 MHz, to oscyloskop o częstotliwości 20 MHz jest całkowicie wystarczający. Wraz ze wzrostem przepustowości MHz rośnie cena urządzenia. Oscyloskopy cyfrowe w zakresie GHz (1000 MHz) i z wyjątkowo dużymi pamięciami cyfrowymi to już raczej wybór dla laboratoriów i centrów badań i rozwoju.
Co to jest cyfrowy oscyloskop z pamięcią?
W oscyloskopie magazynowym sygnał wejściowy jest wzmacniany, a następnie digitalizowany za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego. Sygnał jest wtedy dostępny w postaci cyfrowej i jest przechowywany w pamięci. Przy odpowiednio wysokich sygnałach wejściowych rzędu kilkuset MHz i odpowiadających im częstotliwościach próbkowania, generowane są ogromne ilości danych, które następnie wymagają również odpowiednio dużej wewnętrznej pamięci cyfrowej.