Kacper Kruszec
GR 19 AiR 2008/2009
Maciej Kural
Krzysztof Kozubski
Dominik Leśniak
Michał Rybałtowski
Wydział Inżynierii Mechanicznej I Robotyki
Metrologia
Sprawozdanie
Temat:
„Zastosowanie oscyloskopu katodowego”
Oscyloskop został wynaleziony przez Thomasa Edisona. Stosuje się go najczęściej do badania przebiegów szybkozmiennych sygnałów elektrycznych oraz pomiaru ich parametrów, niemoŜliwych do bezpośredniej obserwacji przez człowieka. Pierwotnie oscyloskopy budowane były w oparciu o lampę oscyloskopową (oscyloskop analogowy). Obecnie dzięki rozwojowi elektroniki cyfrowej buduje się oscyloskopy cyfrowe. W oscyloskopie analogowym przebieg po wzmocnieniu steruje w płaszczyźnie pionowej plamką świetlną na ekranie oscyloskopu a w poziomie plamka jest sterowana albo z regulowanego generatora podstawy czasu (dzięki temu uzyskujemy obraz zmian napięcia sygnału w czasie), albo z sygnału odniesienia. Oscyloskop analogowy zazwyczaj nie posiadał moŜliwości zapamiętania przebiegu, więc w celu stałego wyświetlania go na ekranie oscyloskopu musiał być podawany cyklicznie, dlatego teŜ w celu takich właśnie przebiegów najczęściej był
uŜywany (przebiegi prądu zmiennego). Zmieniło się to wraz z wprowadzeniem oscyloskopów cyfrowych, które potrafią "zapamiętać" przebieg sygnału i odtworzyć go na ekranie nawet po jego zaniku. Dzięki zastosowaniu układów pamięciowych i przetworników analogowo-cyfrowych w oscyloskopach cyfrowych, lampa oscyloskopowa stała się zbędna i została wyeliminowana przez mniejsze i bardziej uniwersalne wyświetlacze ciekłokrystaliczne.
RozróŜnia się trzy rodzaje oscyloskopów:
• z odchylaniem ciągłym lub okresowym,
• uniwersalne z odchylaniem ciągłym i wyzwalanym,
• szybkie (bardzo duŜej częstotliwości).
W zaleŜności od technologii analizy sygnału wyróŜnić moŜna oscyloskopy:
• analogowe z lampą oscyloskopową na której obraz generowany jest w wyniku oddziaływania obserwowanych przebiegów na układ
odchylania wiązki elektronowej
• cyfrowe z monitorem wyświetlającym obraz wygenerowany przez układ mikroprocesorowy na podstawie analizy zdigitalizowanych sygnałów wejściowych.
Oscyloskopy mogą występować jako system wbudowany albo
oprogramowanie.
Z uwagi na sposób pomiaru dzieli się oscyloskopy analogowe na:
• oscyloskop jednostrumieniowy - moŜe pracować takŜe w systemie dwukanałowym, sygnały badane z zakresu 0 Hz do ok. 3 GHz
• oscyloskop dwustrumieniowy - lampa oscyloskopowa o dwóch
strumieniach elektronów, co pozwala na jednoczesne badanie dwóch sygnałów, posiadają jeden generator podstawy czasu
• oscyloskop stroboskopowy (próbkujący) - z badanego przebiegu pobiera próbki przesunięte w czasie, a obwiednia jest zapisem sygnału, stosowany do badania przebiegów powtarzalnych
• oscyloskop z pamięcią - pozwalają na pomiary róŜnych sygnałów, takŜe aperiodycznych.
Ponad to kaŜdy oscyloskop bez względu na rodzaj posiada:
• potencjometr płynnej regulacji okresu podstawy czasu (rozciąganie przebiegu w poziomie)
• potencjometr płynnej regulacji czułości (rozciąganie przebiegu w pionie)
• potencjometr regulacji poziomu wyzwalania, pozwalający na
ustawienie punktu wyzwalania na zboczu obserwowanego
przebiegu.
Analiza przebiegów:
1.
Ustawienia oscyloskopu:
Okres podstawy czasu: 0,2 ms/dz
Czułość: 0.5V/dz
Aby wyznaczyć okres sygnału
naleŜy policzyć ilość działek
przypadających na jeden okres
sygnału(5,5 dz) i pomnoŜyć ją przez
okres podstawy czasu (0,2 ms/dz),
czyli:
5
,
5 ⋅ ,
0 2 = 1.1ms
W celu wyznaczenia amplitudy
sygnału naleŜy policzyć ilość działek
pomiędzy największym
wychyleniem a zerem(1,9dz) i pomnoŜyć ją przez czułość(0,5 V/dz) czyli: 9
,
1 ⋅ 5
,
0
= 9
,
0 5 V
W celu wyznaczenia częstotliwości sygnału naleŜy wiedzieć iŜ jest ona odwrotnością okresy sygnału czyli:
1 ≈ 900 Hz
.
1 1
2.
Ustawienia oscyloskopu:
Okres podstawy czasu: 0,2 ms/dz
Czułość: 1V/dz
Okres, amplitudę i częstotliwość
sygnału wyznaczamy w analogiczny
do pierwszego przykładu sposób,
czyli:
Okres: 5 ⋅ ,
0 2 = 1ms
Amplituda: 3 ⋅1 = 3 V
Częstotliwość: 1kHz
3.
Ustawienia oscyloskopu:
Okres podstawy czasu: 0,2 ms/dz
Czułość: 0,5V/dz
W celu wyznaczenia parametrów
sygnału postępujemy w ten sam
sposób co w przykładzie drugim i
trzecim i otrzymujemy:
Okres: ,
4 4 ⋅ ,
0 2 = 8
,
0 8 ms
Amplituda: 3 ⋅ 5
,
0
= 5
,
1 V
1
Częstotliwość:
≈ 1
,
1 36 kHz
8
,
0 8
Ocyloskop moŜna równieŜ wykorzystać do porównania częstotliwości i przesunięcia fazowego dwóch przebiegów napięć sinusoidalnie zmiennych. W
tym przypadku odłącza się generator liniowej podstawy czasu od płytek odchylania poziomego, podając w to miejsce napięcie sinusoidalne zmienne o znanej częstotliwości fx. JeŜeli do płytek odchylania pionowego doprowadzić równieŜ napięcie sinusoidalne, którego częstotliwość fy tworzy z częstotliwością sinusoidalnej podstawy czasu stosunek fx/fy = m/n, to na ekranie oscyloskopu otrzymuje się krzywe Lissajous, z których kształtu moŜna wyznaczyć wartość m/n, a następnie nieznaną częstotliwość fy. W
uzyskanych na ekranie krzywych Lissajous m i n są liczbami punktów styczności obrazu kolejno do linii poziomej o linii pionowej. Na przykładowym rysunku m = 8, n = 2, czyli m/n = 4.
Badanie kąta przesunięcia fazowego.
Aby z sinusoidalnych przebiegów dwóch sygnału moŜna wyznaczyć kąt przesunięcia fazowego naleŜy policzyć ilość działek odpowiadających okresowi sygnału (8dz) a następnie ilość działek odpowiadających przesunięciu fazowemu (3,2 dz). Wiedząc, iŜ okres funkcji sinus wynosi 3600
z proporcji obliczamy kąt przesunięcia fazowego.
360o → 8
x → 3,2
x = 144o
Kąt przesunięcia fazowego moŜemy równieŜ wyznaczyć z pomocą krzywych Lissajous. W tym celi zliczamy ilość działek odpowiadających yo(1,6) i ym(2,9) a następnie podstawiamy do wzoru określającego kąt fazowy:
yo
ϕ = −arcsin
ym
a następnie odjąć od 180o:
0
0
0
180 − 33 5
,
= 146 5
,
Jak juŜ wiemy oscyloskopem moŜemy zbadać przebiegi wielkości
elektrycznych w czasie. za pomocą moŜna zmierzyć na przykład napięcie,
częstotliwość, fazę oraz przy uŜyciu odpowiednich przetworników wielkości fizyczne dające się przetworzyć na wielkości
elektryczne. Przy pomocy odpowiednich układów pomiarowych moŜna zbadać między innymi: rezystancję, pojemność, indukcyjność oraz pomiary bardzo małych mocy (w zakresie
częstotliwości pracy oscyloskopu). Dodatkowo oscyloskopy cyfrowe mogą posiadać moduły
oprogramowania realizujące analizę widmową sygnału.
Oscyloskopy cyfrowe
Szybki postęp technologiczny w dziedzinie wytwarzania układów cyfrowych o duŜym
stopniu integracji, a zwłaszcza przetworników analogowo-cyfrowych i mikroprocesorów,
otworzył drogę do produkcji oscyloskopów cyfrowych.
Budowa oscyloskopu cyfrowego
Działanie oscyloskopu cyfrowego
Do wzmacniacza wejściowego zostaje doprowadzony sygnał pomiarowy.
Następnie z wyjścia wzmacniacza wejściowego sygnał zostaje podany na układ próbkująco-pamiętający. Tu zostaje pobrana próbka sygnału i zapamiętana analogowa wartość chwilowa sygnału (w chwili pobierania próbki). Następnie wartość ta zostaje zamieniona na odpowiednią wartość cyfrową, zwaną słowem. Ta operacja zostaje wykonana w układzie przetwornika analogowo - cyfrowego. Rozdzielczość przetwornika analogowo-cyfrowego decyduje o rozdzielczości cyfrowej oscyloskopu. Oznacza to, Ŝe przy zastosowaniu 8-bitowego przetwornika, rozdzielczość w osi Y wynosić będzie 1:256. To znaczy, Ŝe ciągły przebieg analogowy zostaje podzielony na 256 dyskretnych przedziałów. Po tej zamianie wartość cyfrowa próbki, czyli słowo, zostaje zapamiętane w pamięci oscyloskopu. Aby przetworzyć cały
sygnał naleŜy pobrać wiele próbek, których liczba i czas odstępu pomiędzy nimi zaleŜą od częstotliwości próbkowania. Tę liczbę próbek, na którą został
podzielony badany przebieg nazywamy rekordem. Obecnie stosuje się rekordy o długości od 512 do wielu tysięcy słów. Zapamiętanie wartości cyfrowych przebiegu w pamięci, umoŜliwia dokonanie wielu pomiarów i ciągłe wyświetlanie przebiegu na ekranie (funkcja zamroŜenia obrazu). Występuje równieŜ moŜliwość zachowania (zapamiętania) przebiegu w pamięci oscyloskopu przez dowolnie długi okres czasu i ponowne odtworzenie tego przebiegu na ekranie w dowolnej chwili i dokonanie ponownych pomiarów lub porównanie go z innym przebiegiem.
Aby obejrzeć przebieg na ekranie oscyloskopu naleŜy go odtworzyć z danych znajdujących się w jego pamięci. W tym celu dane te zostają przesłane do układu przetwornika cyfrowo-analogowego. Układ ten zamienia wartość cyfrową (liczby) sygnału w odpowiadające im wartości analogowe napięcia. Z
kolei ten odtworzony przebieg analogowy steruje wzmacniaczem odchylania pionowego Y lampy obrazowej. Zasadniczym podzespołem podstawy czasu jest bardzo dokładny generator z oscylatorem kwarcowym, dzięki czemu błąd podstawy czasu jest mniejszy od 0,01%. Impulsy z generatora są wzmacniane przez wzmacniacz podstawy czasu (wzmacniacz odchylania poziomego), który z kolei steruje układem odchylania poziomego lampy obrazowej. Obraz, jaki otrzymujemy na ekranie składa się z kropek, o połoŜeniu których decyduje wzmacniacz Y w pionie i wzmacniacz X w poziomie. Zapisem do pamięci, przesyłem danych, pracą układów synchronizacji, pracą przetworników analogowo-cyfrowych i cyfrowo-analogowych steruje kontroler, którym obecnie jest najczęściej mikroprocesor. W odróŜnieniu od oscyloskopów analogowych, w
oscyloskopach cyfrowych jako lampy obrazowe stosuje się lampy kineskopowe (monochromatyczne i kolorowe). Obecnie najczęściej są stosowane rozwiązania, w których ekran jest zbudowany przy wykorzystaniu wyświetlacza ciekłokrystalicznego LCD. Zaletą wyświetlaczy jest to, Ŝe nie wymagają duŜych napięć i nie potrzebują duŜych mocy, tak jak to jest w przypadku lamp oscyloskopowej i kineskopowej. Pozwala to na ograniczenie gabarytów oscyloskopu i zastosowanie zasilania bateryjnego. A to z kolei pozwala zastosować oscyloskop jako urządzenie przenośne.
Główne parametry oscyloskopów cyfrowych to:
- pasmo częstotliwości dla przebiegów jednorazowych (graniczna częstotliwość
próbkowania)
- pasmo częstotliwości dla przebiegów powtarzalnych
- zdolność rozdzielacza w kierunku osi poziomej i pionowej (rozdzielczość stosowanego
przetwornika analogowo-cyfrowego)