Program przedmiotu „Miernictwo elektroniczne”

Dr hab. in. Krzysztof Górecki, prof. nadzw. AM C-350

Tel. 586901448 E-mail: gorecki@am.gdynia.pl

www.am.gdynia.pl/~gorecki Wykład (6 h) 1. Cyfrowy pomiar czstotliwoci, czasu, okresu i przesunicia fazowego: budowa i

zasada działania cyfrowych przyrzdów pomiarowych, dokładno pomiaru. 2. Cyfrowy pomiar napicia stałego: kompensator cyfrowy, przetworniki analogowo-

cyfrowe (integracyjne, propagacyjne, z przetwarzaniem wagowym, z porównaniem równoległym), schemat blokowy woltomierza cyfrowego, dokładno pomiaru.

3. Oscyloskop elektroniczny: budowa i parametry lamp oscyloskopowych, budowa i zasada działania oscyloskopu analogowego i cyfrowego, pomiary czasu, napicia, czstotliwoci i przesunicia fazowego, błdy pomiarów oscyloskopowych.

Literatura: [1] Chwaleba A., Poniski M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna. WNT, Warszawa,

1998. [2] Rydzewski J.: Pomiary oscyloskopowe. WNT, Warszawa, 1999. [3] Kulka z., Libura A., Nadachowski M.: Przeworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-

analogowe. WKŁ, warszawa, 1987 [4] Dusza J., Gortat G., Leniewski A.: Podstawy miernictwa. Oficyna Wydawnicza

Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1998. [5] Jdrzejowski K. i inni: Laboratorium podstaw miernictwa. Oficyna Wydawnicza

Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1998. [6] Zielonko R. i inni: Laboratorium z podstaw miernictwa. Wydawnictwo Politechniki

Gdaskiej, Gdask, 1998. [7] Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E.: Pomiary przyrzdów półprzewodnikowych.

WKiŁ, Warszawa 1990. [8] Górecki K., Stepowicz W.J.: Laboratorium Podstaw Miernictwa. Wydawnictwo

Akademii Morskiej w Gdynia, Gdynia, 2005.

Cyfrowy pomiar czstotliwoci Ogólnie zasada pomiaru cyfrowego polega na zliczaniu impulsów, których ilo jest proporcjonalna do wartoci mierzonej wielkoci przez pewien ustalony czas trwania pomiaru. Zasad działania cyfrowego miernika czstotliwoci (czstociomierza) ilustruje schemat blokowy tego urzdzenia przedstawiony na rys.22.

fwz

fx

Uwe

Generatorwzorcowy

Dzielnik ipowielacz

czstotliwociGenerator

Układsterowania

bramk

Układkasowania

Układformujcy

Licznik

Układekspozycji

Bramka

ab

c

d

ef

Rys.22. Schemat blokowy cyfrowego miernika czstotliwoci.

Zadaniem układu formujcego jest zamiana sygnału mierzonego, który moe mie dowolny kształt, nnp sinusoidalny, na cig impulsów prostoktnych o dwóch poziomach napi odpowiadajcych dwóm stanom logicznym, najczsiej w standardzie TTL. W skład układu formujcego wchodzi wzmacniacz o regulowanym wzmocnieniu oraz komparator porównujcy wzmocnione napicie wejciowe z regulowanym poziomem odniesienia. Na wyjciu komparatora otrzymuje si sygnał cyfrowy, najczciej w standardzie TTL. Jako generatory wzorcowe stosowane s zwykle generatory kwarcowe z termostatem, których stabilno generowanej czstotliwoci definiowana jako iloraz odchyłki generowanej czstotliwoci od wartoci nominalnej do tej wartoci jest na poziomie 10-9. Jako dzielnik czstotliwoci wykorzystuje si kaskadowe połczenie liczników liczcych modulo 10 (dekad). Na wyjciu kolejnych dekad otrzymuje si czstotliwo o jeden rzd mniejsz od czstotliwoci wystpujcej na jej wejciu. Układ sterowania bramk wyznacza wzorcowy czas trwania pomiaru Tp, w którym bramka jest otwarta i nastepuje zliczanie impulsów podawanych z układu formujcego. Zadaniem układu kasowania jest jest wyzerowanie stanu licznika przed rozpoczciem zliczania, to znaczy przed otwarciem bramki. Bramka jest układem cyfrowym realizujcym funkcj iloczynu logicznego AND. Oznaczajc przez L niski stan logiczny a przez H wysoki stan logiczny, wejcia bramki

jako X1 oraz X2, natomiast wyjcie jako Y, przedstawiono w tabeli 1, tablic prawdy brami AND.

Tabela.1. X1 X2 Y L L L L H L H L L H H H

Zliczona przez licznik ilo impulsów jest przeliczana na nominaln warto czstotliwoci i wywietlana przez ukłd ekspozycji. Proces pomiaru czstotliwoci za pomoc czstociomierza cyfrowego ilustruj przebiegi czasowe napi w wybranych punktach układu pokazanego na rys.22. Przebiegi te zamieszczono na rys.23.

t

a

b

c

d

e

f

Tw

Tx

Gotowo Pomiar Odczyt

Rys.23. Przebiegi czasowe w wybranych punktach czstociomierza.

Analogowy sygnał wejciowy, zostaje w układzie formujcym przekształcony w sygnał cyfrowy. Po wytworzeniu przez układ kasujcy impulsu startu pomiaru, układ sterowania bramki wytwarza, po wystpieniu najbliszego narastajcego zbocza sygnału wzorcowego z generatora, impuls otwierajcy bramk na czas pomiaru, równy okresowi sygnału wzorcowego. Po zakoczeniu pomiaru nastepuje odczyt i przejcie czstociomierza do

stanu gotowoci, który trwa do momentu pojawienia si kolejnego impulsu kasujcego. Jako wynik zliczania otrzymuje si pewn liczb naturaln n, która jest stosunkiem okresu sygnału wzorcowego Tw oraz okresu sygnału mierzonego TX. Zatem warto czstotliwoci sygnału mierzonego wynosi

wx T

nf =

Błd wyznaczenia czstotliwoci fx wynika z dokładnoci ustalenia czstotliwoci wzorcowej oraz błdu wyznaczenia liczby n (błd dyskretyzacji). Błd dyskretyzacji wynika z faktu, e sygnał bramkujcy nie jest zsynchronizowany z sygnałem mierzonym. Maksymalna bezwzgldna warto błedu dyskretyzacji wynosi 1, poniewa na skutek braku synchronizacji midzy wymienionymi sygnałami moliwe jest pominicie jednego impulsu lub zliczenie impulsu, który zaczł si w czasie otwarcia bramki a zakoczył si ju po jej zamkniciu. Std przy pomiarach cyfrowych przyjmuje si warto błdu wzgldnego dyskretyzacji równ 1/n. W takiego opisu błedu dyskretyzacji wynika, e mona go zminimalizowa wykonujc pomiar w tak długim czasie aby n było duo wiksze od 1.

1. Cyfrowy pomiar okresu Schemat blokowy układu do cyfrowego pomiaru okresu przedstawiono na rys. 24, natomiast przebiegi napi w wybranych punktach układu zamieszczono na rys.25.

Tw

Tx

Uwe

Generatorwzorcowy

Dzielnikczstotliwoci

Układsterowania

bramk

Układkasowania

Układformujcy

Licznik

Układekspozycji

Bramka

a b

c

d

e

f

Dzielnikczstotliwoci

k.Tx

g

Rys.24. Schemat blokowy cyfrowego miernika okresu.

t

a

b

c

d

e

f

g

Pomiar Odczyt

10.Tx

Tx

n10

Rys.25. Przebiegi napicia w wybranych punktach cyfrowego miernika okresu.

Jak wida, w cyfrowym mierniku okresu wystpuj identyczne bloki jak w cyfrowym czstociomierzu. Jednak rónica polega na tym, e w przypadku miernika okresu, czas otwarcia bramki jest proporcjonalny do okresu sygnału mierzonego a zliczane s impulsy z generatora wzorcowego. Jeeli współczynnik podziału czstotliwoci mierzonej wynosi k, licznik zliczył nk

impulsów wzorcowych o okresie Tw, to warto okresu sygnału mierzonego wynosi

kTn

T wkx

⋅=

Błd pomiaru okresu na podstawie powyszego wzoru wynika z błdu dyskretyzacji, błdu czstotliwoci wzorcowej oraz błdu dzielnika czstotliwoci sygnału mierzonego.

⋅⋅∆

+⋅⋅∆

+∆

+±=

⋅∆

+∆

+±=∆

x

xp

x

xk

w

w

kx

x

w

w

kx

xTk

t

Tkt

TT

nTTk

TT

nTT 11

W zalenoci od wartoci czstotliwoci mierzonej i wzorcowej otrzymuje si róne relacje midzy błdem dyskretyzacji a błdem bramkowania. Ilustruje to tabela 2. Tabela 2

fx Hz 1 10 102 103 104 105 106 107

1/n Tw = 1s 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 - Tw=0,1s - 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6

∆∆∆∆fx/fx Tw = 1s 1 10-1 10-2 10-3 1,1.10-4 1,5.10-5 6.10-6 -

Tw=0,1s - 1 10-1 10-2 10-3 1,1.10-4 1,5.10-5 6.10-6

1/nk k = 1 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 - k=10 - 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1

∆Τ∆Τ∆Τ∆Τx/k/Tx k = 1 6,2.10-6 1,5.10-5 1,1.10-4 10-3 10-2 10-1 1 -

k = 10 - 6,2.10-6 1,5.10-5 1,1.10-4 10-3 10-2 10-1 1

Jak wida metoda pomiaru czstotliwoci powinna by stosowana w zakresie duych czstotliwoci, natomiast w zakresie niskich czstotliwoci lepsz dokładno zapewnia metoda pomiaru okresu.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000

fx [Hz]

błd

Tw = 0,1 s

Tw =1 s k = 1k = 10

Rys.26. Zaleno błdu pomiaru cstotliwoci w układzie czstociomierza i miernika okresu.

2. Cyfrowy pomiar czasu Czsto spotykanym problemem jest zadanie pomiaru czasu jaki upływa midzy dwoma zdarzeniami. Ogólna zasada działania cyfrowego czasomierza sprowadza si do zliczania, w mierzonym odcinku czasu, impulsów z generatora wzorcowego. Schemat blokowy czasomierza cyfrowego przedstawiono na rys.27, natomiast przebiegi czasowe w wybranych punktach układu przedstawiono na rys.28.

P3

P2

P1

fwz

we1

Generatorwzorcowy

Dzielnik ipowielacz

czstotliwociGenerator

Układformujcy

Układkasowania

Układformujcy

Licznik

Układekspozycji

Bramka

b

e

d

a

g

h

Układsterowania

bramk

we2Układ

formujcy

c

f

Rys.27. Schemat blokowy cyfrowego miernika czasu.

t

a

b

c

d

e

f

g

h

τx

Rys.28. Przebiegi czasowe w wybranych punktach czasomierza cyfrowego.

Działanie układu jest nastpujce. Po wygenerowaniu przez układ kasujcy impulsu zerujcego stan licznika, pierwsze narastajce zbocze sygnału wejciowego podanego na wejcie 1 powoduje otwarcie bramki, na której wyjciu pojawiaj si impulsy z genratora wzorcowego o okresie TW. Pojawienie si narastajcego zbocza na wejciu 2 układu powoduje zamknicie bramki i zakoczenie zlicania, którego wynik wywietlany jest

przez układ ekspozycji. Jeeli ilo zliczonych impulsów wzorcowych wynosi n, to mierzony odcinek czasu opisany jest zalenoci

wxpxkx Tntt ⋅=−=τ Błd wyznaczenia czasu τx wynika z błdu dyskretyzacji, dokładnoci generatora wzorcowego oraz błdów wyznaczenia chwil czasu oznaczajcych pocztek i koniec mierzonego odcinka czasu.

∆+∆

+∆

+±=∆

x

xpxk

w

w

x

x tt

TT

n τττ 1

W zalenoci od połoenia przełczników P1, P2, P3 przedstawiony układ mierzy odległoci czasowe midzy rónymi zboczami sygnałów podanych na wejcia 1 i 2. Ilustruje to rys.29.

t

P1+ P2-

P1- P2+

P1+ P2+

P1- P2-

P3 rozwarty

t

P1+ P2-

P3 zwarty

Rys.29. Definicje mierzonych przedziałów czasu w zalenoci od stanu przełczników P1, P2, P3.

3. Cyfrowy pomiar fazy Przy cyfrowym pomiarze przesunicia fazowego wykorzystuje si informacj o tym, e przesuniciu temu odpowiada pewien skoczony odcinek czasu, wyznaczony przez chwile przejcia przez badane sygnały pewnego znanego poziomu odniesienia. A zatem cyfrowy pomiar fazy sprowadza si do pomiaru przedziału czasu. Zasad działania fazomierza cyfrowego ilustruje schemat blokowy przedstawiony na rys.30 oraz przebiegi napi w wybranych punktach tego układu, przedstawione na rys.31.

U1

Synchronizowanygeneratorwzorcowy

Układformujcy

Układkasowania

Układformujcy

Licznik

Układekspozycji

Bramka

a

d

c

e

g

h

Układsterowania

bramk

U2Układ

formujcy

b

f

Detektorfazy

Regulatorczstotliwoci

filtr dolno-przepustowy

f : 36 f : 10k

Rys.30. Schemat blokowy fazomierza cyfrowego.

t

a

b

c

d

e

f

g

h

τϕx

Ttxp

txk

Rys.31. Przebiegi czasowe napi w wybranych punktach fazomierza cyfrowego.

Sygnał wytwarzany przez generator wzorcowy Tw jest zsynchronizowany z sygnałem mierzonym. Okres sygnału generowanego przez generator wzorcowy jest tak dobierany, aby zachodziła równo

kwT

T1036 ⋅

=

Poniewa zachodzi proporcja

xx

Tϕτϕ

360=

wic warto zmierzonego przesunicia fazowego dana jest wzorem

nnT

Tk

wx ⋅

⋅=⋅

⋅=

1036

360360

ϕτ

Jak wida otrzymana z pomiaru warto przesunicia fazowego nie zaley ani od czstotliwoci sygnału mierzonego ani sygnału wzorcowego. Błd pomiaru fazy wynika z błdu dyskretyzacji, błedu dzielnika czstotliwoci oraz błdu bramkowania i opisany jest wzorem

⋅∆+∆

+∆+±=∆

w

xpxk

x

xTn

tt

MM

n1

ϕϕ

gdzie M jest współczynnikiem podziału czstotliwoci wzorcowej M = 36.10k.

4. Cyfrowy pomiar napicia stałego Woltomierz cyfrowy jest jednym z najpopularniejszych przyrzdów pomiarowych umoliwiajcym wyznaczanie wartoci wielkoci cigłych. Do zalet woltomierzy cyfrowych nale: • dua dokładno pomiaru, • automatyczny wybór zakresu pomiarowego i polaryzacji, • wyeliminowanie błdu odczytu, • moliwo współpracy z komputerem. Spotka mona róne rozwizania woltomierzy cyfrowych, ale wszystkie one zawieraj przetwornik analogowo-cyfrowy. Przetwornik analogowo-cyfrowy jest układem elektronicznym przetwarzajcym wielko analogow (najczciej napicie) na wielko cyfrow (najczciej liczb w kodzie binarnym). Sygnały cyfrowe w porównaniu z sygnałami analogowymi charakteryzuj si wiksz odpornoci na zakłócenia, łatwiejsz obróbk i wiksz dokładnoci pomiaru. Przetworniki analogowo-cyfrowe dzieli si ze wzgldu na zasad działania na: • przetworniki z bezporednim porównaniem równoległym, • przetworniki całkujce, • przetworniki propagacyjne, • przetworniki kompensacyjne.

W dalszej czci rozdziału omówione zostan właciwoci i zasada działania poszczególnych rodzajów przetworników. Przetworniki a/c z bezporednim porównaniem równoległym s najszybszymi przetwornikami analogowo-cyfrowymi. Umoliwiaj one próbkowanie mierzonego sygnału z czstotliwoci od 20 do 100 MHz przy rozdzielczoci od 4 do 8 bitów. Zasada ich działania została przedstawiona na rys.32.

Rys.32. Schemat blokowy przetwornika a/c z bezporednim porównaniem równoległym.

Opiera si ona na jednoczesnym porównaniu napicia mierzonego z 2n-1 poziomami kwantowania, gdzie n oznacza rozdzielczo przetwornika a/c wyraon w bitach. Na wejcia nieodwracajce wszystkich komparatorów podawane jest napicie mierzone Ux, natomiast na wejcia odwracajce tych komparatorów, podawane s napicia z dzielnika rezystancyjnego, zasilanego ze ródła napicia wzorcowego. Rezystancje w dzielniku s tak dobrane, aby napicia na poszczególnych wyjciach dzielnika róniły si midzy sob o rozdzielczo przetwornika, tzn. o 1 LSB (najmniej znaczcy bit). Czas przetwarzania wynika tylko z czasu propagacji komparatorów i dekodera. Wad rozwaanego przetwornika jest rozbudowana struktura i mała dokłdno, natomiast zalet dua szybko przetwarzania.

Metoda czasowa. Przetworniki A/C z przetwarzaniem U/T Przetworniki nalece do tej grupy mona podzieli na dwie podgrupy: • przetworniki o przetwarzaniu impulsowo-czasowym • przetworniki z wielokrotnym całkowaniem

W przetwornikach a/c opartych na porednich metodach przetwarzania wejciowy sygnał analogowy jest zmieniany na proporcjonaln do niego warto pomocnicz. W przypadku metod czasowych t wielkoci jest czas trwania pewnego przebiegu

napiciowego w układzie przetwornika. We wszystkich odmianach metody czasowej do uzyskania liniowego przebiegu napiciowego wykorzystuje si ładowanie lub rozładowanie kondensatora stałym prdem. Stosowane jest kilka rodzajów metody czasowej: prosta oraz z podwójnym, potrójnym i poczwórnym całkowaniem.

Metoda czasowa prosta. Metoda czasowa prosta jest jednym z najmniej skomplikowanych i najdawniej stosowanych sposobów przetwarzania analogowo – cyfrowego. Istota metody polega generowaniu przebiegu napiciowego zmieniajcego si liniowo w funkcji czasu i porównywaniu go z przetwarzanym napiciem wejciowym Ur. W ten sposób uzyskuje si impuls bramki czasowej o czasie trwania T, proporcjonalnym do wartoci Ur. Zasad działania takiego przetwornika przedstawiono na rys. 6.2. Przebieg liniowo narastajcy, tzw. przebieg piłokształtny, jest wytwarzany w układzie integratora, składajcego si ze wzmacniacza operacyjnego A, rezystora R oraz kondensatora C, umieszczonego w ptli sprzenia zwrotnego wzmacniacza.

Rys. Przetwarzanie A/C metod czasow prost

Kondensator C jest ładowany stałym prdem Io = UR/R. Nachylenie przebiegu piłokształtnego wyraa si wzorem:

tg =m

m

TU

= CIo

(6.1)

gdzie: Um, Tm – amplituda i czas trwania przebiegu piłowego. Ładowanie kondensatora C stałym prdem Io rozpoczyna si w chwili otwarcia przełcznika P impulsem generatora bramkujcego. Jest to jednoczenie pocztek impulsu bramki czasowej (przebieg U1), który powoduje rozpoczcie zliczania impulsów zegarowych w liczniku. Impuls bramki czasowej T trwa a do momentu zrównania si przebiegu liniowo narastajcego U2 z napiciem przetwarzanym Ui gdy na wyjciu komparatora K pojawia si niski stan napiciowy. Jak wynika z przebiegu napicia U2 na rys. 6.2b oraz ze wzoru (6.1) czas trwania bramki czasowej:

T = aUitg = Ui Io

C (6.2)

Po zakoczeniu bramki czasowej T ustaje zliczanie impulsów zegarowych w liczniku, a warto licznika N jest równa: N = Tfc (6.2) gdzie: fc – czstotliwo generatora zegarowego.

Po podstawieniu wartoci T ze wzoru (6.2) mona stwierdzi, e zawarto licznika jest proporcjonalna do napicia przetwarzanego w myl wzoru:

N = IoC

fcUi

Prosty przetwornik a/c oparty na opisanej zasadzie charakteryzuje si niezbyt du dokładnoci – rzdu 0,1%. Wiksza dokładno jest trudna do osignicia z powodu błdów przetwarzania powstajcych w układzie. Głównymi ródłami błdu s generator przebiegu liniowo narastajcego, komparator i generator impulsów zegarowych.

Błdy wywołane przez generator przebiegu liniowego wynikaj z nieidealnej liniowoci przebiegu, zmian jego nachylenia i z opónienia pocztku przebiegu. W celu uzyskania dobrej liniowoci stosuje si zamiast prostego integratora bardziej rozbudowane układy ródeł prdu stałego do ładowania kondensatora. Stabilno termiczna i długoczasowa nachylenia przebiegu liniowego jest uwarunkowana w głównej mierze parametrami elementów R, C oraz stabilnoci napicia UR. Opónienie pocztku napicia piłokształtnego jest spowodowane nieidealnymi właciwociami wzmacniacza operacyjnego A, a głównie jego napiciem niezrównowaenia i wnoszonym przez wzmacniacz opónieniem czasowym. Błdy wyniku przetwarzania wywołuje równie napicie niezrównowaenia i opónienie czasowe w komparatorze napicia K. Due błdy moe powodowa niestabilno czstotliwoci generatora zegarowego fc. Te błdy łatwo

mona jednak zredukowa stosujc generator kwarcowy o duej stabilnoci. Z generatorem zegarowym powinien by zsynchronizowany generator bramkujcy, gdy w przeciwnym razie powstaje błd przetwarzania równy ± 1 LSB.

Reasumujc, mona stwierdzi, e najtrudniejszym do usunicia błdem omawianej metody jest błd opónienia pocztku przebiegu liniowo narastajcego. Skutecznym sposobem zmniejszenia tego błdu jest rozpoczcie narastania przebiegu od poziomu niszego nit poziom zerowy. Schemat blokowy takiego udoskonalonego przetwornika a/c opartego na metodzie czasowej prostej podano na rys. 6.3a, a przebiegi napi w układzie - na rys. 6.3b. Dodatnie zbocze impulsu z generatora bramkujcego inicjuje narastanie przebiegu od pewnego poziomu napicia odniesienia –UR2. Pocztek impulsu bramki czasowej (przebieg U5) jest wyznaczony chwil zrównania si w komparatorze KI przebiegu liniowego U2 z poziomem zerowym, a koniec-chwil zrównania przebiegu U2 z napiciem przetwarzanym UI w komparatorze K2. Pocztek i koniec bramki czasowej T jest wic wyznaczony przez identyczne komparatory, zatem powstajce błdy i opónienia powinny si kompensowa. Opónienie rozpoczcia przebiegu liniowego spowodowane niedoskonałociami wzmacniacza operacyjnego A nie ma w tym rozwizaniu istotnego wpływu na wynik przetwarzania.

Rys. Udoskonalony przetwornik A/C oparty na metodzie czasowej.

Istniej jeszcze inne sposoby poprawy dokładnoci przetworników a/c opartych na metodzie czasowej prostej, kosztem rozbudowy układu. Jedn z moliwoci jest okresowa autokalibracja przetwornika przez doprowadzenie do wejcia w okrelonych odstpach czasu wzorcowych poziomów napiciowych, wytwarzanie sygnału błdu i wprowadzanie korekcji przez zmian bd nachylenia przebiegu piłokształtnego bd te czstotliwoci generatora zegarowego.

Ogólnie trzeba stwierdzi, e metoda czasowa prosta naley do metod o redniej dokładnoci (o 8÷10-bitowej rozdzielczoci), do prostych rozwizaniach układowych i ograniczonej szybkoci. Szybko przetwarzania jest ograniczona przez czas sekwencyjnego zliczania impulsów zegarowych, który zaley bezporednio od czstotliwoci generatora zegarowego. Ostatnio, wobec rozwoju szybkiej techniki cyfrowej, to ograniczenie nie ma zasadniczego znaczenia i stosuje si generatory zegarowe o czstotliwociach do kilkuset MHz. Dziedzin zastosowania prostej metody czasowej były głównie pierwsze woltomierze i multimetry cyfrowe, budowane w latach szedziesitych. Obecnie metoda jest wykorzystywana raczej w przetwornikach do specjalnych celów - m.in. w przypadku przesyłania danych ze ródeł sygnałów analogowych rozmieszczonych w wikszych odległociach od centrum pomiarowego oraz w przetwornikach amplitudy impulsów. Jest równie stosowana w niektórych multimetrach cyfrowych.

Metoda podwójnego całkowania, przetwarzanie integracyjne. Dokładno przetwarzania w prostej metodzie czasowej zaley od stabilnoci i liniowoci generatora przebiegu liniowo narastajcego, stabilnoci czstotliwoci generatora zegarowego oraz od parametrów komparatora napicia. Metoda podwójnego całkowania, zaproponowana przez R. W. Gilberta w 1963 roku [6.16], umoliwia w znacznym stopniu uniezalenienie wyniku przetwarzania od tych czynników i jest jednym z najdokładniejszych sposobów przetwarzania analogowo-cyfrowego. Metoda ta odznacza si ponadto bardzo istotn cech, umoliwia bowiem tłumienie periodycznych zakłóce nakładajcych si na sygnał przetwarzany przez urednianie tych zakłóce w okresie przetwarzania. Jest to charakterystyczna właciwo grupy metod integracyjnych. Zasad przetwarzania z podwójnym całkowaniem zilustrowano na rys. 6,6 na przykładzie schematu blokowego przetwornika oraz przebiegów czasowych napi. W chwili to pojawienia si impulsu startu, przyjmowanej jako chwila zerowa (to = 0) przełcznik analogowy PI dołcza napicie przetwarzane UI do wejcia integratora. Jednoczenie przez przerzutnik bramki czasowej jest otwierana bramka B i licznik zaczyna zlicza impulsy generatora zegarowego. Na wyjciu integratora pojawia si liniowo narastajce napicie U2, które po czasie T1 osiga poziom

Rys. Przetwarzanie A/C metod z podwójnym całkowaniem.

( ) 1

1

012

11TU

RCdtU

RCTu iav

T

toI ⋅⋅=⋅=

= (6.4)

przy czym Uiav – rednia warto napicia przetwarzanego UI w czasie T1. Okres T1 jest wyznaczony przez licznik, który po upływie tego czasu sygnalizuje przepełnienie czyli przejcie ze stanu 11...1 do stanu 00...0. Koczy si pierwsze całkowanie i nastpuje równoczenie: odłczenie przez przełcznik analogowy P1 napicia UI, dołczenie przez P2 napicie odniesienia - UR do wejcia integratora oraz – po przejciu zawartoci licznika przez stan zero – zaliczanie dalszych impulsów generatora zegarowego. Pod wpływem napicia –UR nastpuje w tym czasie liniowe opadanie napicia na wyjciu integratora, osigajcego po czasie T2 warto zerow. Moment osignicia wartoci zerowej sygnalizuje komparator K, który zamyka przez przerzutnik bramk B i odłcza napicie –UR od wejcia integratora. Przebieg napicia na wyjciu w drugiej fazie całkowania jest opisany równaniem

( ) ( ) ⋅−=t

TR dtU

RCTutu

1

1122

Podstawiajc do powyszego wzoru warto u2(T1) ze wzoru (6.4) otrzymuje si

( ) ( )11211

TtURC

TURC

tu Riav −⋅⋅−⋅=

Po czasie t=(T1+T2) napicie na wyjciu integratora jest równe zeru, czyli

( ) ( ) 01

21212 =⋅−⋅=+ TUTURC

TTu Riav

a wic T2=T1Uiav/UR Okres T1 pierwszego całkowania jest wyznaczony przez pojemno licznika Nmax i czstotliwo fc generatora zegarowego, natomiast w okresie drugiego całkowania licznik zlicza N impulsów o tej samej czstotliwoci. Tak wic podstawiajc T2=N/fc i T1=Nmax/fc do wzoru (6.5) otrzymamy zaleno

R

iav

cc UU

fN

fN ⋅= max

czyli N=NmaxUiav/UR W rezultacie, liczba zlicze N uzyskana w liczniku po całej operacji przetwarzania jest proporcjonalna do wartoci Uiav- jest zatem cyfrow reprezentacj redniej wartoci napicia przetwarzanego w okresie T1. W celu lepszego zilustrowania metody podwójnego całkowania przedstawiono na rys. 6.7 przebiegi napicia na wyjciu integratora przy rónych wartociach napicia przetwarzanego UI – dla wartoci odpowiadajcej pełnemu zakresowi przetwarzania oraz połowie i wiartce zakresu.

Rys. Napicie wyjciowe układu całkujcego w metodzie z podwójnym całkowaniem

Przeprowadzana analiza jest słuszna zarówno dla napi przetwarzanych dodatnich, jak i ujemnych, przy czym polaryzacja napicia odniesienia powinna by zawsze odwrotna ni polaryzacja napicia przetwarzanego, a jego warto równa co najmniej pełzemu zakresowi przetwarzania.

Ze wzoru (6.6) wynikaj dwa róne fakty. Po pierwsze, teoretycznie na wynik przetwarzania nie maj wpływu wartoci R, C, fc, a tylko wartoci napicia odniesienia UR i stała wielko Nmax. Wynika std dua dokładno metody, gdy cieplna i długoczasowa niestabilno czstotliwoci zegarowej fc oraz wartoci R i C nie powoduj błdów przetwarzania. Po drugie, wynik przetwarzania jest proporcjonalny do wartoci redniej napicia UI w okresie T1, zatem metoda naley do grupy metod integracyjnych. Metoda czasowa z podwójnym całkowaniem jest obecnie drug – obok metody kompensacyjnej wagowej – najpowszechniej stosowan metod przetwarzania a/c, zarówno w układach dyskretnych i hybrydowych, jak i monolitycznych. Metoda charakteryzuje si mał szybkoci przetwarzania, gdy podobnie jak w metodzie czasowej prostej wymagane jest tu szeregowe zliczanie impulsów zegarowych w liczniku wyjciowym. Szybko przetwarzania moe dochodzi do kilku tysicy przetworze na sekund. Najczciej jednak, w celu wykorzystania integracyjnych własnoci przetwornika, okres uredniania, czyli okres T1 dostosowuje si do okresu zakłóce sieci energetycznej o czstotliwoci 50 Hz. Tak wic dobiera si okres T1 równy 20ms poniewa jednak okres T2 moe by w skrajnym przypadku równy T1, zatem całkowity czas przetwarzania powinien wynosi 49 ms, co odpowiada 25 powtórzeniom na sekund. Ulepszeniem metody majcym na celu zwikszenie szybkoci przetwarzania jest układ z potrójnym całkowaniem, który bdzie dalej opisany.

Dokładno przetwornika z podwójnym całkowaniem jest w praktycznych rozwizaniach uwarunkowana trzema rodzajami błdów: błdami przesunicia zera, liniowoci oraz wzmocnienia. Błd przesunicia zera wynika z napicia i prdu niezrównowaenia wzmacniacza całkujcego oraz z opónie w komparatorze i układach logicznych. Natomiast błd niezrównowaenia komparatora nie ma wpływu na błd przesunicia. Błd nieliniowoci jest spowodowany nieidealnymi parametrami integratora jego ograniczonym wzmocnieniem oraz ograniczonym pasmem, uniemoliwiajcym generowanie przebiegu o ostrych załamaniach. Błd wzmocnienia jest wywołany zmianami napicia odniesienia, zmianami stosunków rezystorów i rónic rezystancji przełczników analogowych w stanie włczenia. W praktyce w przetwornikach a/c z podwójnym całkowaniem osiga si dokładnoci odpowiadajce rozdzielczoci 12÷14-bitowej. Lepsz dokładno mona otrzyma stosujc ulepszon metod poczwórnego całkowania, która bdzie omówiona w dalszej czci tego rozdziału.

Najistotniejsz cech metody podwójnego całkowania jest jej integracyjny charakter i wynikajca z niego zdolno znacznego ograniczenia wpływu zakłóce periodycznych (np. sieciowych), predystynujca tego rodzaju przetworniki do pracy w warunkach przemysłowych

Przetwarzanie integracyjne. Metoda podwójwnego całkowania jest pierwsz z omawianych kolejno w tym rozdziale metod przetwarzania a/c, która ma charakter integracyjny. Jest tu zatem stosowne miejsce do zamieszczenia kilku ogólniejszych uwag o przetwarzaniu integracyjnym. Warunki pomiaru mog w znacznym stopniu wpływa na wynik przetwarzania analogowo-cyfrowego. Sygnały zakłócajce nakładajc si na sygnał mierzony zniekształcaj w wielu przypadkach wynik przetwarzania. Charakter sygnałów zakłócajcych bywa róny, lecz najczciej jest to sinusoidalny sygnał sieci energetycznej o czstotliwoci 50 Hz.

Rys. Ilustracja przetwarzania A/C metod czasow w obecnoci zakłóce

Rys. Urednienie nałoonego zakłócenia w metodzie z całkowaniem

Przetworniki a/c przetwarzajce chwilow warto sygnału analogowego odznaczaj si

krótkim okresem przetwarzania w porównaniu z okresem typowych sygnałów zakłócajcych (20 ms). Dlatego te wynik przetwarzania w obecnoci sygnału nałoonego moe by przypadkowy, w zalenoci od tego, w której chwili nastpi pobranie próbki sygnału. Sytuacj tak pokazano na rys. 6.8 dla przypadku przetwarzania metod czasow prost. Aby temu zapobiec, próbowano stosowa filtry dolnoprzepustowe na wejciach przetworników. Okazało si jednak, e wnosz one dodatkowe błdy, gdy na miejsce zjawisko zapamitywania czci napicia z poprzedniej próbki, co zniekształca wynik nastpnego przetwarzania, a zarazem pogarsza parametry dynamiczne przetwornika.

Błdy te odgrywaj dua rol zwłaszcza przy przetwarzaniu małych napi, co praktycznie uniemoliwia wykorzystanie pełnej zdolnoci rozdzielczej przetwornika. Stosowanie integracyjnych metod przetwarzania w znacznym stopniu zmniejsza wpływ zakłóce periodycznych na wynik przetwarzania. Istota przetwarzania integracyjnego polega na tym, e w okresie przetwarzania Ti podaje si całkowaniu sygnał wejciowy UI, bdcy sum sygnału Ux oraz zakłócajcego sygnału nałoonego Unmax sin(ωnt)

Ti

0

Uidt = ti

0

(Ux+Un)dt=Uxav+ nUn

ωmax

ntωcosTi

0

Jeli okres całkowania (czyli integracji) Ti jest dobrany tak, aby był równy okresowi Tn sygnału nałoonego

ifn TTn

== 1

to

ππω 22 =⋅⋅⋅=⋅ inin TfT

czyli

Ti

0

UIdt =Uxav

A wic w przypadku gdy Ti=Tn, wynik przetwarzania jest proporcjonalny tylko do

wartoci redniej sygnału Ux i nie zaley od sygnału nałoonego. Obrazuje to rys. 6.9. tłumienie zakłóce sygnału nałoonego zaley od stosunku okresów Ti/Tn. Jak wykazano w pracach [6.11,6.39], tłumienie to ma posta

xx

yπ

πsin

=

gdzie x = Ti/Tn W celu ilociowego scharakteryzowania tłumienia zakłóce wprowadza si współczynnik tłumienia sygnału nałoonego, oznaczany jako SMRR (ang. Series mode rejection ratio) lub NMRR (ang. normal mode rejection ratio ) równy SMRR [dB]=20 log y (6.9) Wykres współczynnika tłumienia w funkcji stosunku Ti/Tn podano na rys. 6.10. Z wykresu wynika, e maksima funkcji tłumienia wystpuj dla całkowitej wielokrotnoci stosunku x=Ti/Tn oraz e współczynnik tłumienia wzrasta ze wzrostem tego stosunku. Nasuwa to wany wniosek o potrzebie stosowania moliwie duych okresów całkowania Ti. Z analizy wykresu, którego fragment w bardziej przejrzystej postaci – tzw. „krzywej kominowej” – przedstawiono na rys. 6.11, wynika równie drugi istotny wniosek: aby tłumienie było rzeczywicie due, musi istnie cisła synchronizacja okresów Ti oraz Tn.

Rys. Wykres współczynnika tłumienia sygnału nałoonego w funkcji stosunku Ti/Tn.

Rys. przetwarzanie A/C metod z potrójnym całkowaniem

Rys. przetwarzanie A/C metod z poczwórnym całkowaniem

Przetwarzanie u/f

Chronologicznie pierwszymi przetwornikami integracyjnymi były przyrzdy z przetwarzaniem czstotliwociowym, w których dokonuje si całkowanie sygnału przetwarzanego na czstotliwo. Najbardziej skutecznymi przetwornikami integracyjnymi s jednak przetworniki, których działanie jest oparte na metodach podwójnego i poczwórnego całkowania. Metody integracyjne s obecnie szeroko stosowane głównie w przetwornikach a/c do automatyki przemysłowej i w miernictwie cyfrowym.

Rys. Proste układy przetworników A/C z przetwarzaniem u/f.

Rys. Przetwarzanie A/C metod czstotliwociow z równowaeniem ładunku

++

==

Rx

x

Rx tt

t

tt

t

dtidti 201

0

czyli

++

⋅=⋅Rx

x

Rx tt

t

Rtt

I dtR

Udt

RU

2

1

0 1

skd ( ) R

RRx

I tR

Utt

RU

⋅=+⋅2

1

1

a poniewa czstotliwo wyjciowa fx opisana jest wzorem

IRR

x UtUR

Rf ⋅

⋅⋅=

11

2

jeeli Ti oznacza czas zliczania, to zliczona liczba impulsów jest równa ix TfN ⋅=

std

IRR

i UtUR

TRN ⋅

⋅⋅⋅

=11

2

Kompensacyjne przetworniki A/C z kompensacj równomiern działaj na zasadzie kolejnych porówna napicia mierzonego z czci napicia wzorcowego. Budow przetwornika a/c z kompensacj równomiern ilustruje rys.33.

wyjciacyfrowe

Ux

+

-

B

Generatorsterujcy

Układsterowania

Licznik

Przetwornikcyfrowo-

analogowy

ródłonapicia

odniesienia

K

Rys.33. Schemat blokowy przetwornika a/c z kompensacj równomiern.

Napicie wzorcowe podawane na wejcie odwracajce komparatora ma przebieg schodkowy, przy czym zmiany wartoci tego napicia nastpuj ze stałym krokiem odpowiadajcym wartoci najmniej znaczcego bitu (LSB). Napicie wzorcowe wytwarzane jest przez przetwornik cyfrowo-analogowy w wyniku przekształcenia słowa

cyfrowego wystpujcego na wyjciu licznika. Po wyzerowaniu stanu licznika impulsem zerujcym wytworzonym przez układ sterowania, rozpoczyna si zliczanie przez licznik impulsów wytwarzanych przez generator sterujcy. Zliczanie trwa do chwili, gdy napicie wzorcowe na wyjciu przetwornika cyfrowo-analogowego przekroczy warto napicia mierzonego. Wówczas na wyjciu komparatora pojawi si niski stan logiczny, a stan licznika odpowiada cyfrowej wartoci mierzonego napicia. Wad omówionego przetwornika a/c jest długi czas przetwarzania, zaleny od wartoci mierzonego napicia oraz złoony układ generacji przebiegu schodkowego.

Rys. Przetwornik A/C z kompensacj równomiern

Kompensacyjne przetworniki A/C z kompensacj wagow działaj take na zasadzie kolejnych porówna napicia mierzonego z czci napicia wzorcowego. Budow przetwornika a/c z kompensacj wagow ilustruje rys.34. W takt pojawiania si impulsów z generatora sterujcego, układ sterujcy wpisuje do rejestru liczby binarne odpowiadajce kolejnym przyblieniom wartoci mierzonego napicia. W pierwszym kroku wpisywana jest do rejestru warto odpowiadajca ustawieniu jedynki na pozycji najbardziej znaczcej (MSB). Przetwornik cyfrowo-analogowy wytwarza na swoim wyjciu napicie równe połowie wartoci zakresowej. Jeeli na wyjciu komparatora wystpi stan wysoki, to układ sterujcy pozostwia jedynk na pozycji MSB, w przeciwnym przypadku – nastpuje zerowanie tego bitu. W kolejnym kroku ustawiana jest warto mniej znaczcego bitu i przypisanie mu, w wyniku porównania wartoci mierzonej i wzorcowej, wartoci jeden lub zero. Analogiczne postpowanie jest przeprowadzane dla wszystkich bitów. Po wykonaniu n kroków, gdzie n jest rozdzielczoci przetwornika a/c, uzyskuje si na wyjciu rejestru wynik pomiaru.

wyjciacyfrowe

Ux

+

-

Generatorsterujcy

Układsterowania

Rejestr

Przetwornikcyfrowo-

analogowy

ródłonapicia

odniesienia

K

Rys.34. Schemat blokowy przetwornika a/c z kompensacj wagow.

Przedstawiony układ przetwornika a/c jest dosy czsto stosowany ze wzgldu na krótki czas przetwarzania, zawarty w przedziale od 400ns do 20 µs przy rozdzielczoci 8 do 12 bitów, łatwo realizacji przetwornika w postaci monolitycznego układu scalonego, mał warto analogowego błedu przetwarzania, zawart w zakresie od 0,001 do 0,05%.

W przedstawionych układach kompensacyjnych przetworników a/c wystpiły jako podukłady przetworniki cyfrowo-analogowe. Zadaniem realizowanym przez te układy jest przekształcenie liczby zapisanej w wybranym kodzie na odpowiadajc jej warto analogow napicia. Przetwornik c/a charakteryzuj nastepujce parametry: rozdzielczo, zakres napicia lub prdu wyjciowego, rezystancja wyjciowa, rodzaj kodu wejciowego, szybko przetwarzania. Przetwornik c/a składa si ze ródła napicia lub pradu odniesienia, sieci rezystorów, zespołu przełczników oraz wzmacniacza operacyjnego pracujcego w konfiguracji konwertera prdowo-napiciowego. Obecnie stosuje si dwa zasadnicze ukłdy przetworników c/a: z sieci rezystorów o wartociach wagowych, z drabink rezystorów o wartociach R-2R Struktura przetwornika c/a wykorzystujcego sie rezystorów o wartociach wagowych została przedstawiona na rys.35. W zalenoci od wartoci słowa cyfrowego podanego na wejcia cyfrowe przetwornika c/a, poszczególne przełczniki Pi znajduj si w pozycji 1 lub 0, powodujc przepływ

prdu ze ródła napiciowego o wydajnoci Uw przez poszczególne rezystory wagowe, dla których przełaczniki Pi znajduj si w pozycji 1. Warto sumarycznego prdu wpływajcego do wejcia konwertera prdowo-napiciowego, zbudowanego ze wzmacniacza operacyjnego i rezystora RL, opisana jest wzorem

=

⋅⋅⋅=3

02

i

ii

Lwwy P

RR

UU

gdzie Pi oznacza stan przełcznika Pi. Wad przetworników c/a z rezystorami wagowymi jest konieczno zastosowania w układzie rezystorów o wartociach znacznie rónicych si midzy sob.

10 0

P3

R/8 R/4 R/2

UW

R

1

P2

0 1

P1

0 1

P0

-

+

RL

Rys.35. Struktura przetwornika c/a o wartociach wagowych rezystorów.

Alternatywnym rozwizaniem jest zastosowanie drabinki rezystywnej o wartociach R-2R. Struktura przetwornika c/a z sieci rezystorów R-2R została przedstawiona na rys.36. Zalet takiego rozwizania jest to, e rezystancja widziana z kadego wzła w kierunku koca drabinki wynosi 2R. W zwizku z tym łatwo zauway, e w kadym wle nastpuje podział napicia w stosunku 1:2. Dodatkowo wida, e dołczenie do stałej

wartoci prdu do kadego z wzłów wywoła ten sam przyrost potencjału odpowiedniego wzła. Dla najbardziej znaczcego bitu (MSB) przyrost ten zostanie bezporednio zarejestrowany na wyjciu przetwornika, natomiast dla kolejnych bitów przyrosty te bd widziane na wyjciu po podzieleniu ich wartoci przez kolejne neturalne potgi liczby 2.

2R

10 0

P3

2R 2R 2R

UW

2R

1

P2

0 1

P1

0 1

P0

-

+

RL

R R R

Uwy

Rys.36. Struktura przetwornika c/a z sieci rezystorów R-2R.

Napicie wyjciowe przetwornika c/a dane jest zalenoci

=

⋅⋅⋅=3

02

i

ii

Lwwy P

RR

UU

Parametry przetworników A/C: 1. rozdzielczo 2. błd kwantyzacji 3. zakres przetwarzania 4. dokładno wzgldna i bezwzgldna 5. nieliniowo całkowa 6. nieliniowo róniczkowa 7. błd wzmocnienia 8. błd przesunicia zera 9. czas przetwarzania 10. zakres i polaryzacja napicia wejciowego 11. impedancja wejciowa 12. przecialno wejcia 13. forma słowa wyjciowego 14. obcialno wyjcia 15. specyfikacja impulsów sterujcych 16. rodzaj zasilania i pobór mocy 17. zakres temperatur pracy 18. dopuszczalna wilgotnoc wzgldna 19. parametry mechaniczno-konstrukcyjne 20. niezawodno

Oscyloskop.

BUDOWA I PODSTAWOWE PARAMETRY TECHNICZNE OSCYLOSKOPU 1.1. Wprowadzenie Podstawow czci oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa, na której ekranie powstaje obraz wietlny badanych wielkoci fizycznych. W oscyloskopie cyfrowym badany przebieg jest przechowywany w pamici cyfrowej, a nastpnie moe by zobrazowany na ekranie lampy oscyloskopowej, na ekranie monitora lub wyrysowany na papierze za pomoc plotera lub drukarki. Obecnie produkowane oscyloskopy mona podzieli na nastpujce grupy: - oscyloskopy analogowe; - oscyloskopy z lamp pamitajc; - oscyloskopy próbkujce (sampling oscilloscope); - oscyloskopy cyfrowe. Oscyloskop analogowy W oscyloskopie analogowym obraz przebiegu jest rysowany na ekranie lampy oscyloskopowej w czasie rzeczywistym, tzn. e plamka wietlna porusza si na ekranie dokładnie w takt zmian przebiegu i upływu czasu.

Do podstawowych parametrów oscyloskopu analogowego nale: - pasmo oscyloskopu i czas narastania; - współczynnik odchylania; - współczynnik czasu; - liczba torów wejciowych; - parametry lampy oscyloskopowej: wielko pola pomiarowego, pełne napicie

przyspieszajce, rodzaj luminoforu; - zasilanie: sieciowe lub bateryjne; - konstrukcja: zwarta lub z wymiennymi wkładkami. Pasmo oscyloskopu zazwyczaj zaczyna si od 0 Hz, a za warto górn przyjto uwaa t czstotliwo, przy której wzmocnienie maleje o 3 dB (tj. do wartoci 0,707) w stosunku do wzmocnienia dla małych czstotliwoci. Charakterystyka czstotliwociowa oscyloskopu jest tak ukształtowana, aby obraz impulsu prostoktnego o bardzo krótkim czasie narastania był zniekształcony tylko na zboczu, bez przerostów i innych zniekształce na jego grzbiecie. Przy tak ukształtowanej charakterystyce obowizuje zaleno

2350

ftr = (1.1) przy czym: tr – czas narastania oscyloskopu [ns]; f2 górna czstotliwo przenoszonego pasma, przy której wzmocnienie maleje o 3 dB [MHz].

Na przykład oscyloskop o pamie 35 MHz bdzie miał czas narastania równy 10 ns. Współczynnik odchylania wyraony w V/dz (zazwyczaj 1 dz = 1 cm) okrelaczuło oscyloskopu i mówi nam, jakie sygnały moemy mierzy. Współczynnik czasu okrela w s/dz wyskalowanie w czasie osi poziomej X. Im szybsza jest podstawa czasu, a tym im mniejsza jest warto współczynnika czasu, tym szybsze i krótsze przebiegi moemy mierzy, jeeli oczywicie umoliwi to pasmo oscyloskopu. Wikszo nowoczesnych oscyloskopów ma przynajmniej dwa tory wejciowe, co umoliwia jednoczesn obserwacj dwu rónych przebiegów i ich wzajemne porównywanie. S stosowane dwie metody uzyskiwania dwu torów wejciowych w oscyloskopie: - za pomoc przełcznika elektronicznego, który przełcza na lamp oscyloskopow raz przebieg z toru pierwszego, raz przebieg z toru drugiego; - za pomoc dwustrumieniowej lampy oscyloskopowej. Oscyloskop z lamp dwustrumieniow umoliwia fotograficzn rejestracj dwu rónych przebiegów jednorazowych. Do obserwacji dwu przebiegów powtarzalnych wystarczy oscyloskop z lamp jednostrumieniow i z przełcznikiem elektronicznym. Warto pełnego napicia przyspieszajcego, jakie wystpuje midzy ekranem a katod, okrela jaskrawo obrazu. Im wiksze jest to napicie, tym krótszy przebieg jednorazowy lub krótkotrwały przebieg o małej czstotliwoci powtarzania moe by

zaobserwowany. S produkowane oscyloskopy o napiciu przyspieszajcym od 2 do 24 kV. Oscyloskopy przeznaczone do pracy poza pomieszczeniem musz by zasilane z własnych baterii lub baterii zewntrznych. Oscyloskop z lamp pamitajc Jest to oscyloskop analogowy wyposaony w specjaln lamp pamitajc, która umoliwia obserwacj obrazu przebiegu jak w oscyloskopie ze zwykł lamp (tj. w czasie rzeczywistym), lub zapamitanie wewntrz lampy obrazu przebiegu jednorazowego lub powtarzalnego i wywietlanie go przez pewien czas na ekranie. Oscyloskop taki umoliwia pomiar przebiegów wolnozmiennych, jednorazowych oraz porównanie przebiegów wystpujcych w rónym czasie. Parametry pamitajcej lampy oscyloskopowej okrelaj: - rodzaj pamici: bistabilna czy o zmiennym czasie powiaty; - czas pamitania; - szybko rysowania, wyraona w cm/µs.

Szybko rysowania jest wanym parametrem, który okrela, jak szybki przebieg jednorazowy moe by zarejestrowany. Przed kupnem oscyloskopu z lamp pamitajc musimy sobie zda spraw z tego, jakie najszybsze sygnały chcemy mierzy. Oscyloskop próbkujcy Oscyloskop próbkujcy jest przeznaczony do pomiarów bardzo szybkich przebiegów powtarzalnych. Działanie oscyloskopu próbkujcego polega na sukcesywnym pobieraniu próbek sygnału, kolejno z innego fragmentu przebiegu za kadym nastpnym okresem, a nastpnie złoeniu całego obrazu z kropek próbek i wywietleniu go na ekranie. Oscyloskopy tego typu umoliwiaj pomiar sygnałów powtarzalnych w pamie od 0 Hz do kilkudziesiciu GHz przy współczynniku odchylania kilka m V/cm. Na przykład, jeeli przebieg ma czstotliwo powtarzania 10 000 Hz, a jego obraz został złoony z tysica kropek, to czstotliwo powtarzania całego obrazu na ekranie wyniesie tylko 10 Hz. Ze wzgldu na szerokie pasmo oscyloskopu próbkujcego jego impedancja wejciowa ma zwykle warto 50 . S stosowane trzy metody próbkowania: - próbkowanie sekwencyjne (sequencial sampling); - próbkowanie przypadkowe (random sampling); - próbkowanie w czasie rzeczywistym (real time sampling).

Przy próbkowaniu sekwencyjnym w celu umoliwienia obejrzenia przedniego zbocza badanego impulsu oscyloskop próbkujcy musi by wyposaony w lini opóniajc. Przy próbkowaniu przypadkowym linia opóniajca jest zbdna. Oscyloskop cyfrowy Szybki rozwój tanich układów cyfrowych o duym stopniu scalenia, a zwłaszcza przetworników analogowo-cyfrowych i mikroprocesorów, otworzył drog do produkcji oscyloskopów cyfrowych. Działanie oscyloskopu cyfrowego polega na pobieraniu próbek badanego sygnału, równych wartoci chwilowej sygnału w czasie próbkowania, oraz po zamianie wartoci próbki na słowo cyfrowe zapamitaniu go w pamici cyfrowej. Przy pomiarze przebiegów powtarzalnych próbki mog by pobierane analogicznie jak w oscyloskopie próbkujcym w sposób przypadkowy. Natomiast przy pomiarze przebiegu jednorazowego próbki s pobierane w czasie rzeczywistym, próbka za próbk w czasie trwania przebiegu. Ten sposób próbkowania znacznie zawa pasmo oscyloskopu cyfrowego, które dla przebiegów jednorazowych jest znacznie wsze ni dla przebiegów powtarzalnych. O pamie decyduje tu maksymalna liczba próbek na sekund, jak dysponuje dany oscyloskop. Na przykład, jeeli przyjmiemy, e na przyblione odtworzenie przebiegu sinusoidalnego trzeba czterech próbek, to przy czstotliwoci próbkowania 20 MHz maksymalna czstotliwo oscyloskopu wyniesie: 20 MHz : 4 = 5

MHz. Jednoczenie ten sam oscyloskop moe mie pasmo np. 500 MHz dla przebiegów powtarzalnych. Raz zapamitany w pamici cyfrowej sygnał jest wywietlany na ekranie z czstotliwoci wiksz ni 50 Hz, tak e obraz nie jest migoccy, niezalenie od tego, jak powolny był oryginalny przebieg badany. Skoro sygnał został raz zapamitany w pamici, to mona dokonywa na nim wszelkiego rodzaju operacji cyfrowych i pomiarowych, takich jak:

• Wywietlanie obrazu na zewntrznym monitorze. Oscyloskop cyfrowy bez własnego ekranu nosi nazw cyfrowego rejestratora przebiegów (waveform digitizer).

• Rejestrowanie wielu rónych przebiegów (zaley to od pojemnoci pamici w oscyloskopie).

• Ogldanie fragmentu przebiegu w czasie przed wyzwoleniem (pretrigger viewing) cyfrowej podstawy czasu.

• Oczekiwanie wielogodzinne (baby-sitting) na przebieg, a nastpnie jego zarejestrowanie.

• Zewntrzne sterowanie parametrów oscyloskopu przez interfejs (interface bus), oznaczony w Europie IEC-625, w USA IEEE-488. W ten sposób oscyloskop wszedł w skład automatycznego systemu pomiarowego.

• Matematyczne przetwarzanie sygnałów, np. urednianie usuwajce szumy i zakłócenia, obliczenie wartoci skutecznej, mnoenie, dodawanie sygnałów itp.

• Wprowadzanie sygnałów do urzdze zewntrznych w celu dalszej ich obróbki. • Automatyczny pomiar rónych cech sygnału, np. warto chwilowa, warto

midzyszczytowa, czas narastania, szeroko impulsu, okres, czstotliwo. Do mała czstotliwo powtarzania obrazu cyfrowego na ekranie umoliwia stosowanie jako lampy wskanikowej kineskopu monochromatycznego lub kolorowego. Zastosowanie kineskopu kolorowego umoliwia zobrazowanie na jednym ekranie wielu rónych przebiegów i napisów informacyjnych, rónicych si midzy sob barw, co przy jednym kolorze spowodowałoby utrudnienie interpretacji zlewajcych si ze sob linii krzywych. Do głównych parametrów oscyloskopu cyfrowego nale: • pasmo dla przebiegów jednorazowych; • pasmo dla przebiegów powtarzalnych; • czstotliwo próbkowania; • zdolno rozdzielcza w kierunku osi pionowej Y i osi poziomej X.

Najczciej wynosi ona od 8 bitów (1:256) do 10 bitów (1:1024). Metody cyfryzacji przebiegów W oscyloskopie cyfrowym warto chwilowa próbki zostaje przetworzona w słowo cyfrowe. Firma Tektronix (USA) opracowała dwie inne metody cyfryzacji przebiegów.

Metoda pierwsza polega na zapamitaniu obrazu przebiegu jednorazowego na płytce krzemowej umieszczonej we wntrzu specjalnej lampy (scan converter tube), a nastpnie na odczytaniu tego obrazu przez przemiatanie płytki rastrem strumienia elektronowego, podobnego do rastru w lampie kineskopowej odbiornika telewizyjnego. Metoda ta umoliwiła uzyskanie w oscyloskopie firmy Tektronix typu 7250 [1] pasmo od 0 do 6 GHz przy zdolnoci rozdzielczej w kierunku osi Y 11 bitów (2048 punktów). Odczytany obraz zostaje przekazany do pamici cyfrowej. W nastpnej metodzie cyfryzacji zastosowano specjaln kamer DCS01 firmy Tektronix, w której obraz z ekranu dowolnego oscyloskopu analogowego jest rzutowany na przetwornik CCD (charge coupled device). Obraz z przetwornika CCD zostaje odczytany metod rastru, ze zdolnoci rozdzielcz w kierunku osi pionowej Y 12 bitów (4096 poziomów). Kamera ta załoona na ekran oscyloskopu Tektronix typ 7104 umoliwia zapamitanie przebiegu jednorazowego w pamie do 1 GHz ze zdolnoci rozdzielcz 4 ps, co jest równowane próbkowaniu czstotliwoci 250 GHz. Rejestracja przebiegów Trwała kopia badanego przebiegu jest niezbdna przy analizowaniu zjawisk, które s tym przebiegiem reprezentowane. S stosowane nastpujce metody rejestracji przebiegów: • zapamitanie przebiegu na ekranie pamitajcej lampy oscyloskopowej;

• fotograficzna metoda rejestracji; kamera z filmem Polaroid umoliwia uzyskanie gotowej odbitki po kilkunastu sekundach;

• rejestracja za pomoc rejestratora XY, plotera lub drukarki; rejestracja ta jest moliwa tylko w oscyloskopie próbkujcym lub cyfrowym;

• rejestracja w pamici cyfrowej z dowolnym sposobem odczytania przebiegu: na ekranie, na ploterze, na drukarce;

• rejestracja obrazu przebiegu z ekranu dowolnego oscyloskopu za pomoc kamery cyfrowej;

• przeniesienie obrazu z kamery cyfrowej Tektronix typ DCS01 na kopiark termiczn typu HC01; czas wykonania odbitki o formacie 105 x 110 mm wynosi 17 s.

Postp w technice oscyloskopowej Szybki rozwój elektroniki znalazł swe odbicie w rozwoju techniki oscyloskopowej. Lampa oscyloskopowa z okrgłym ekranem i jednokrotnym przyspieszaniem elektronów, poprzez lamp z siatk ekranujc (mesh), prostoktnym ekranem z metalizacj i wewntrzn skala osignła swój szczyt rozwoju w postaci lampy z płyt mikrokanalikow powikszajc 1000-krotnie jaskrawo obrazu przebiegu jednorazowego. System odchylajcy te ulegał zmianom – od prostych płytek, przez

płytki dzielone, do systemów odchylajcych z fal biec (płytki spiralne). Współczynniki odchylania z kilkudziesiciu V/cm zmalały do 1 V/cm. Wykorzystujc złcze Josephsona pracujce w ciekłym helu kilkudziesicioosobowa firma Hypres Inc. USA, załoona przez Sadeg Farisa [29], opracowała oscyloskop cyfrowy o pamie 70 GHz, czasie narastania 5 ps i czułoci 50 V! S produkowane minioscyloskopy cyfrowe z ekranami ciekłokrystalicznymi o wymiarach zblionych do rcznego kalkulatora. Oscyloskopy cyfrowe i analizatory przebiegów to cała odrbna dziedzina techniki. Obecnie wszystkie liczce si firmy wiatowe podjły produkcj oscyloskopów cyfrowych. 1.2. Lampa oscyloskopowa 1.2.1. Działanie i budowa lampy oscyloskopowej Główn czci oscyloskopu elektronicznego jest lampa oscyloskopowa, umoliwiajca wzrokow obserwacj zmiennych przebiegów elektrycznych, których maksymalna szybko zmian jest ograniczona jedynie bezwładnoci elektronów. Lampa oscyloskopowa (rys. 1.1) składa si z trzech podstawowych czci: • wyrzutni elektronowej, która emituje i skupia elektrony w cienk wizk;

• systemu odchylajcego strumie elektronów; • ekranu wysyłajcego wiatło pod wpływem bombardowania elektronami.

Rys.1.1. Lampa oscyloskopowa.

Cało jest zamknita w balonie szklanym lub ceramicznym, z którego usunito powietrze. Strumie elektronów moe by odchylany polem elektrycznym za pomoc płytek odchylajcych lub polem magnetycznym za pomoc cewek odchylajcych. Cewki odchylajce wymagaj do wytworzenia odpowiednio silnego pola magnetycznego

przepływu do duego prdu, a indukcyjno i pojemno cewek ograniczaj zakres czstotliwoci ich stosowania. Z tego te powodu w oscyloskopach elektronicznych z reguły s stosowane lampy z odchylaniem elektrycznym. Lampy z odchylaniem magnetycznym s stosowane w oscyloskopach cyfrowych. Wyrzutnia elektronowa znajduje si w tylnej, zwonej czci baki i składa si z szeregu elektrod, które tworz układ soczewek elektrycznych skupiajcych i przyspieszajcych strumie elektronów. ródłem elektronów jest cylindryczna katoda, porednio arzona i pokryta na swej czci czołowej past emisyjn. Elektrody i płytki odchylajce s wsparte na szklanych bd ceramicznych prtach. Poszczególne elektrody wyrzutni s wyprowadzone do cokołu zamykajcego szyjk lampy. Kocówki płytek odchylajcych s wyprowadzone bd do cokołu, bd krótsz drog bezporednio przez cianki boczne baki. Ten drugi sposób wyprowadzenia zmniejsza pojemno i indukcyjno przewodów, dziki czemu zwiksza si górna czstotliwo pracy lampy oscyloskopowej. Skupiony przez wyrzutni strumie elektronów uderza w ekran pokryty specjaln substancj (luminofor), która przetwarza kinetyczn energi elektronów w energi wietln w zakresie widzialnym przez oko ludzkie. Lampy oscyloskopowe przeznaczone do dokładnych pomiarów rysowanych na nich przebiegów maj ekran płaski, na którym jest umieszczona skala z podziałk, naniesiona bezporednio na wewntrzn stron baki,

co ma t zalet, e skala i obraz znajduj si w tej samej płaszczynie, dziki czemu unika si błdu paralaksy. Przy pomiarach sygnałów wystpujcych w złoonych urzdzeniach czsto wynika konieczno jednoczesnej obserwacji dwu lub wicej przebiegów. W tym celu zostały skonstruowane lampy dwustrumieniowe, w których w jednej bace s umieszczone dwa kompletne systemy przyspieszajco-odchylajce, wytwarzajce dwa niezalene strumienie skierowane na ten ekran. Innym rozwizaniem, umoliwiajcym jednoczesn obserwacj dwóch przebiegów, jest lampa oscyloskopowa z elektrod rozdzielajc strumie na dwie wizki. Te dwa strumienie s odchylane w kierunku pionowym przez dwa niezalene zestawy płytek odchylajcych, w kierunku poziomym za przez wspólne płytki odchylania poziomego. Lampa ta umoliwia ogldanie dwu rónych przebiegów przy jednakowej szybkoci odchylania w kierunku poziomym. Lampy oscyloskopowe z układem odchylajcym w postaci płaskich płytek maj ograniczon maksymaln czstotliwo odchylania do ok. 200 MHz. Do pomiarów przebiegów o wikszych czstotliwociach s produkowane lampy z systemem odchylajcym o stałych rozłoonych. Tego typu lampy pracuj do czstotliwoci sigajcych kilku tysicy MHz.

Podstawowym podzespołem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa, na ekranie której obsrwuje si badany przebieg. Schemat lampy oscyloskopowej przedstawiono na rys.12. Lampa oscyloskopowa jest szklan lamp o wysokiej próni, zawierajc: • działo elektronowe – zespół elektrod, którego zadaniem jest wytworzenie strumienia

elektronów • dwie pary płytek odchylajcych strumie elektronów w poziomie i w pionie • warstwa luminoforu – substancji, która pod wpływem bombardowania przez strumie

elektronów wieci

Rys. 12. Schemat blokowy lampy oscyloskopowej.

Działo elektronowe składa si czci triodowej, w której skłd wchodz: • arzona porednio katoda,

• siatka pierwsza, • anoda pierwsza. Katoda jest arzona porednio i po podgrzaniu do temperatury około 800°C emituje ona strumie elektronów. Wielko tego strumienia jest regulowana poprzez zmian potencjału siatki pierwszej. Siatka pirwsza ma najczciej cylindra z otworem o rednicy od 1 do 3 mm. Anoda pierwsza stanowi ekran midzy siatk pierwsz a anod drug. Anaoda druga skupia wizk elektronów, decydujc o ostroci obrazu, natomiast anoda trzecia przyspiesza elektrony, decydujc o jasnoci obrazu. Luminofor zwykle emituje wiatło w kolorze zółtym lub zielonym. Przedstawione na rys.12 potencjometry umoliwiaj, poprzez zmian potencjału anody drugiej oraz anody trzeciej, regulacj ostroci oraz jasnoci obrazu.

0

100

200

300

400

500

600

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

uSK [V]

i A [ µµ µµ

A]

Rys.13. Typowa charakterystyka działa elektronowego.

Na rys.13 przedstawiono typow charakterystyk działa elektronowego, to znaczy zaleno prdu anodowego od potencjału siatki pierwszej wzgldem katody. Strumie elektronów wytworzony, skupiony i przyspieszony przez elektrody działa elektronowego jest odchylany elektrostatycznie w pionie przez płytki odchylania pionowego a nastpnie w poziomie przez płytki odchylania poziomego. Odchylanie pionowe jest realizowane elektrostatycznie przez pole elektryczne wytworzone midzy płytkami odchylania pionowego. Elektrony przebywaj w czasie t odległo równ długoci płytek bY z prdkoci v zalen od potencjału anody UA

AUme

v ⋅⋅= 2

gdzie e jest ładunkiem elektronu, natomiast m – mas elektronu. Wizka elektronów przechodzc midzy płytkami odległymi od siebie o hY, których potencjały róni si o UYY ulega odchyleniu pionowemu o wielko y opisan wzorem

22

tUhm

ey YY

Y⋅⋅

⋅⋅=

czas przebycia przez wizk elektronów odległoci równej długoci płytek bY dany jest wzorem

A

YY

Ume

bv

bt

⋅⋅==

2

Zatem

YA

YYY hU

bUy

⋅⋅⋅=4

2

Std wynika, e po przejciu przez płytki odchylania pionowego, wizka elektronów zostanie odchylona w pionie o kt α, którego tangens opisany jest wzorem

YA

YYYhU

bU⋅⋅

⋅=

2tgα

A zatem odchylenie wizki elektronów od rodka ekranu dy wyniesie

YYA

YYY rhU

bUdy ⋅

⋅⋅⋅

=2

gdzie rY jest odległoci rodków płytek od ekranu. Definiuje si czuło odchylania pionowego SY jako pochodn pionowego odchylenia wizki elektronów na ekranie dy wzgldem napicia przyłoonego midzy płytki odchylania pionowego UYY

YA

YY

YYY hU

rbdU

dydS

⋅⋅⋅

==2

)(

Analogicznie czuło odchylania poziomego SX jest definiowana jako pochodna poziomego odchylenia wizki elektronów na ekranie dx wzgldem napicia przyłoonego midzy płytki odchylania poziomego UXX

XA

XX

XXX hU

rbdU

dxdS

⋅⋅⋅

==2

)(

gdzie bX, hX, rX – oznaczaj odpowiednio wysoko płytek odchylania poziomego, odległo midzy nimi oraz odległo ich rodków od ekranu.

Okrelone powyej czułoci dotycz przypadku statycznego. Typowe wartoci czułoci statycznych zawieraj si w przedziale od 0,05 do 0,5 mm/V. W przypadku obserwacji sygnału zmiennego, istotna jest warto czułoci dynamicznej Sd opisanej wzorem

T

TSS

p

p

d τπ

τπ

⋅

⋅

⋅=sin

gdzie S jest czułoci statyczn, τp jest czasem przebiegu strumienia elektronów miedzy płytkami, natomiast T okresem napicia sterujcego płytkami. Przykładowo dla τp = 1 ns i T = 1 µs, czuło dynamiczna wynosi 0,9999983S, natomiast dla T = 10 ns, 0,984S. 1. Współczynnik odchylania Współczynnikiem odchylania nazywamy warto napicia, jak naley doprowadzi do płytek, aby odchyli strumie elektronów na ekranie o 1 cm. Im lampa jest czulsza, tym mniejsze jest wymagane napicie sygnału odchylajcego strumie elektronów. Nowoczesne lampy o współczynniku odchylania 3 V/cm wymagaj sygnału 24 V do uzyskania obrazu o wysokoci 8 cm.

2. Pojemno elektrod Pojemno elektrod odchylajcych, siatki pierwszej i katody w stosunku do siebie i innych elektrod s wanym parametrem przy zastosowaniu lampy w oscyloskopie szerokopasmowym. Im mniejsze s te pojemnoci przy pozostałych parametrach nie zmienionych, tym lepsza jest lampa. 3. Rodzaj ekranu Typ luminoforu i budowa ekranu (metalizowany lub nie) zale od zastosowa, do jakich jest przeznaczona lampa. Zasadniczo kada lampa oscyloskopowa moe by wykonana z dowolnym rodzajem luminoforu. Obecnie w nowoczesnych lampach z jednokrotnym przyspieszeniem, bez metalizacji ekranu, stosuje si luminofor typu GY, natomiast dla lamp metalizowanych z przyspieszeniem po odchylaniu stosuje si luminofor typu GH (P31). 4. Maksymalna czstotliwo pracy Parametr ten okrela graniczn czstotliwo, do której moe by stosowana dana lampa oscyloskopowa.

1.2.2. Odchylanie strumienia elektronów Strumie elektronów wytworzony przez wyrzutni elektronow jest odchylany przez pole elektryczne. Lampy stosowane w oscyloskopach s wyposaone w płytki odchylania elektrycznego, które nieznacznie obciaj układy sterowania. Impedancja wejciowa płytek ma charakter pojemnociowy i do ich sterowania (przy rednich czstotliwociach) nie jest wymagana energia. System odchylania we współrzdnych prostoktnych ma wbudowane dwie pary równoległych płytek, midzy którymi przechodzi strumie na swej drodze do ekranu. Pierwsza para płytek, umieszczona za ostatni anod, słuy do odchylania strumienia w kierunku pionowym i nosi nazw płytek Y . Druga para płytek, umieszczona za płytkami Y prostopadle do nich, słuy do odchylania strumienia w kierunku poziomym i nosi nazw płytek X. Kocówki płytek w lampach o pamie do 50 MHz s wyprowadzone przez cokół, a w lampach szerokopasmowych – bezporednio przez cianki boczne baki, w celu zmniejszenia indukcyjnoci i pojemnoci doprowadze przez uczynienie ich moliwie krótkimi. Wpływ czasu przelotu elektronów midzy płytkami odchylajcymi ma warto skoczon i jest rzecz moliw doprowadzenie sygnału trwajcego krócej ni wynosi czas przelotu.

Aby wyeliminowa wpływ czasu przelotu na odchylanie strumienia, zostały skonstruowane lampy z systemem odchylajcym o fali biecej z płytkami dzielonymi lub spiralnymi wykonanymi w postaci dwu spłaszczonych tam spiralnych (rys. 1.2). Strumie elektronów przelatuje midzy tymi dwoma spiralami z prdkoci równ rozchodzeniu si sygnału wzdłu tej tamy.

Rys.1.2. Konstrukcja symetrycznego systemu odchylajcego z fal biec

1.2.3. Przyspieszanie strumienia elektronów po odchylaniu Jaskrawo obrazu ogldanego na ekranie lampy oscyloskopowej zaley od prdkoci, z jak elektrony uderzaj w luminofor, a prdko ta zaley od wartoci napicia przyspieszajcego

W nowoczesnej elektronice zachodzi potrzeba mierzenia przebiegów bardzo krótkich, co wymaga do nich obserwacji duych jaskrawoci, tzn. duego napicia przyspieszajcego, od kilku do kilkunastu tysicy woltów. Aby uzyska kompromis midzy czułoci a jaskrawoci, zostały skonstruowane lampy oscyloskopowe, w których elektrony opuszczajce płytki odchylajce dostaj si w obrb pola przyspieszajcego, które nie pogarsza czułoci odchylania, a nadaje elektronom du prdko w kierunku ekranu.

Aby unikn wnikania pola przyspieszajcego w obrb płytek X, co powodowałoby powstanie zniekształce geometrycznych obrazu na ekranie, stosuje si specjaln siatk ekranujc (mesh), umieszczon bezporednio za płytkami odchylania X. Siatka jest wykonana z metalu o drobnej sieci oczek o wymiarach mniejszych ni 0,1 x 0,1 mm. Siatka ta moe by płaska lub wypukła, jak to pokazano na rys. 1.3.

1.2.4 Ekrany lamp oscyloskopowych Zjawiska podstawowe Cz przednia lampy oscyloskopowej jest pokryta od wewntrz jedn (lub wicej) warstw materiału krystalicznego, zwanego luminoforem, którego zadaniem jest zamiana energii rozpdzonego elektronu na energi wietln. Ekran emituje wiatło o barwie zalenej od składu chemicznego luminoforu. Czas narastania wiecenia jest bardzo krótki i wynosi ok.10 ns. Dopóki elektrony padaj na ekran, dopóty barwa i jaskrawo wiecenia s stałe. Z chwil usunicia strumienia elektronów ekran nadal emituje wiatło przez czas od 1 µs do kilkunastu, a nawet kilkudziesiciu sekund. Natenie tego wiatła maleje w czasie zalenym od typu luminoforu. Barwa wiatła emitowanego po usuniciu elektronów moe by ta sama lub inna ni w czasie bombardowania ekranu elektronami [22]. Luminofory lamp oscyloskopowych Producenci oscyloskopów dostarczaj oscyloskopy z lampami o rónym typie luminoforu. Jeeli istnieje moliwo doboru rodzaju luminoforu, to naley go dobra pod wzgldem rodzaju pomiarów, do jakich bdzie głównie przeznaczony oscyloskop. Naley pamita,

e kady luminofor ma inn barw wiecenia, jaskrawo, powiat i odporno na wypalanie. Najczciej stosowanym luminoforem w lampach z przyspieszaniem po odchylaniu jest typ GH (P31). W tablicy 1.1 s pokazane najczciej stosowane luminofory. Powiata Powiata jest zanikajcym wieceniem plamki na ekranie po zaniku pobudzajcego strumienia elektronów. Na przykład dla luminoforu P7 jaskrawo maleje do wartoci 1% po czasie 60 s przy małym nateniu prdu wizki elektronowej, a przy duym nateniu ju po kilku sekundach. Czas, przez który obraz w powiacie mona jeszcze obserwowa, zaley od owietlenia pomieszczenia i okresu pobudzania ekranu. W pomieszczeniu zupełnie ciemnym, przy oku zaadaptowanym do ciemnoci, moliwy czas obserwacji przebiegu jest ok. 20 razy dłuszy ni w pomieszczeniach o owietleniu 1 luks. Szybko rysowania Rejestracja przebiegów jednorazowych lub o małej czstotliwoci powtarzania, wizualna lub fotograficzna, jest ograniczona dla danego typu lampy, filmu i kamery maksymaln szybkoci rysowania. Przez maksymaln szybko rysowania bdziemy rozumie

maksymaln prdko liniow plamki na ekranie, przy której da si zarejestrowa – wizualnie lub fotograficznie – jednorazowy przebieg. Opis parametru maksymalnej szybkoci rysowania przyjto opiera na przebiegu sinusoidalnym. Lampy o duym napiciu przyspieszajcym (ponad 20 kV) umoliwiaj zarejestrowanie fotograficznie przebiegu o szybkoci do 1000 cm/µs.

Rys.1.4. Przekrój lampy z płyt mikrokanalikow

Zwikszenie szybkoci rysowania Znaczny wzrost szybkoci rysowania krótkotrwałych przebiegów jednorazowych lub o małej czstotliwoci powtarzania uzyskano w opracowanej przez firm Tektronix (USA) lampie oscyloskopowej z płyt mikrokanalikow (microchannel tube). We wntrzu lampy (rys. 1.4), tu przed normalnym ekranem z luminoforu, została umieszczona płyta szklana gruboci 1,3 mm, w której wykonano mnóstwo otworów o rednicy 25 µm umieszczonych blisko siebie. Otwory te tworz mikrokanały, których o jest pochylona w stosunku do kierunku padania elektronów o 15 º, ich wntrze za jest odpowiednio spreparowane, tak aby uzyska zwikszenie wtórnej emisji elektronów. Obie strony płyty s metalizowane, tak e wzdłu kanałów mona utworzy odpowiedni spadek napicia, przyspieszajcy elektrony. Z chwil gdy strumie elektronów wpadnie do wntrza kanału i uderzy w ciank, nastpuje emisja wtórna elektronów, w wyniku czego strumie opuszczajcy kanalik jest znacznie wzmocniony (ok. 10 000 razy). Wzmocniony strumie elektronów po opuszczeniu kanału zostaje przyspieszony napiciem 12,5 kV, wystpujcym midzy metalizacj ekranu a metalizacj płyty mikrokanalikowej, i przebywa niedu odległo dzielc go od ekranu, dajc jaskrawy, ostry obraz. W ten sposób uzyskano ok. 1000-krotne zwikszenie jaskrawoci w stosunku do zwykłej lampy oscyloskopowej.

Skala Ekrany nowoczesnych lamp oscyloskopowych s płaskie, co ułatwia odczyt i wyskalowanie osi w kierunkach X i Y. Aby unikn błdu paralaksy, producenci nowoczesnych lamp oscyloskopowych nanosz stał podziałk na wewntrznej stronie ekranu (rys. 1.5). dziki temu obraz mierzonego przebiegu znajduje si w tej samej płaszczynie co podziałka skali. Ze wzgldu na tolerancje wykonawcze lampy oscyloskopowej połoenie wyrzutni elektronowej w stosunku do połoenia skali jest nie zgrane i linia pionowa (lub pozioma) obrazu nie bdzie pokrywa si z poziom (pionow) lini skali. W celu skorygowania połoenia obrazu ze skal, na lamp nakłada si cewk, przez któr przepuszcza si prd stały, skrcajcy rysowany na ekranie przebieg o kt niezbdny do skorygowania błdu. Czsto pokrtło skrcajce obraz jest dostpne dla uytkownika na płycie czołowej oscyloskopu.

Ekrany kolorowe W oscyloskopach cyfrowych mierzony przebieg jest zapamitany w pamici cyfrowej, a nastpnie w sposób wzgldnie powolny jest zobrazowany na ekranie i dlatego mona tu zastosowa kolorowy kineskop telewizyjny z odchylaniem magnetycznym. Obraz wielobarwny umoliwia jednoczesn obserwacj wielu rónych przebiegów i napisów rónicych si kolorem.

Inn metod uzyskiwania barwnego obrazu bez kolorowego kineskopu telewizyjnego opracowała firma Tektronix. Metoda ta polega na zastosowaniu konwencjonalnej monochromatycznej lampy oscyloskopowej, przed któr został umieszczony specjalny przełcznik optyczny ciekłokrystaliczny i trzy filtry, odpowiednio polaryzujce barwy czerwon i niebieskozielon. Przełcznik optyczny jest sterowany sygnałem z oscyloskopu, pod wpływem którego zmienia si kierunek polaryzacji ciekłych kryształów i zostaje przepuszczona tylko jedna barwa. Przez cykliczne odpowiednio szybkie przełczanie barw podstawowych mona uzyska odpowiednio inne barwy. 1.2.5. Lampa pamitajca Obserwacja rzadko powtarzajcych si lub pojedynczych przebiegów wymaga utrzymania obrazu na ekranie przez czas wystarczajcy do jego obserwacji. Postp elektroniki doprowadził do skonstruowania lampy pamitajcej, w której raz zapisana informacja w postaci obrazu ładunkowego moe utrzymywa si na elektrodzie magazynujcej przez kilka dni, a jej usunicie lub wpisanie nowej jest natychmiastowe. Lampy pamitajce mona podzieli na trzy grupy: - lampy bistabilne (bistable storage tubes); - lampy o zmiennym czasie powiaty (variable persistence storage tubes); - lampy z szybkim przenoszeniem obrazu (fast transfer storage tubes).

Kada z tych lamp ma swoje wady i zalety, które predestynuj je do okrelonych zada. Bistabilna lampa pamitajca W bistabilnej lampie pamitajcej obraz jest pamitany w luminoforze na zasadzie wtórnej emisji elektronów. Podstawow cech lampy bistabilnej jest długi czas pamitania, sigajcy godzin, a nawet dni. Zapamitany obraz moe by przez uytkownika natychmiast skasowany. Lampa bistabilna jest najwygodniejsza w uyciu. Technologia jej wykonania jest najtasza. Wad tej lampy jest mała szybko wpisywania. Dalsz zalet lampy bistabilnej jest moliwo wykonania ekranu podzielonego (split-screen) na dwie czci, z których kada ma niezalene układy sterowania, umoliwiajce uytkownikowi zapamitywanie i zmazywanie obrazów na dowolnej czci ekranu, bez wpływu na obraz zapamitany w drugiej czci. Lampa o zmiennym czasie powiaty Zmienny czas powiaty uzyskuje si przez regulacj czasu pamitania. Umoliwia to dopasowywanie czasu powiaty do czstotliwoci mierzonego przebiegu, tak aby unikn migotania obrazu przy obserwacji przebiegów m.cz. właciwo t uzyskano kosztem

czasu pamitania. Podczas gdy w lampie bistabilnej mona zapamita obraz przez kilkanacie nawet dni, to w lampie półtonowej czas ten maleje do minut. Lampa ma siatk pamitajc (storage mesh), na której strumie wpisujcy rysuje obraz przebiegu, złoony z ładunków elektrycznych. Siatk t mona traktowa jako zbiór bardzo wielu małych kondensatorów, których wspóln okładk jest wspólne podłoe siatki. Obraz ładunkowy w czasie odczytywania jest przenoszony na ekran przez strumie powolnych elektronów omywajcych. Przez doprowadzenie do siatki pamitajcej dodatnich impulsów o regulowanym czasie wypełnienia, uytkownik moe zmienia kontrast tła i obrazu przebiegu (std te lampa bywa nazywana lamp półtonow) oraz zmienia czas pamitania, przez co uzyskuje si wraenie zmiany czasu powiaty. Lampa z szybkim przenoszeniem obrazu Lampa ta ma dwie siatki pamitajce. Pierwsza z nich liczc od strony katody moe rejestrowa szybkie przebiegi (fast mesh), natomiast jej czas pamitania jest krótki. Druga siatka pamitajca (front mesh), umieszczona tu przed luminoforem, ma mał czuło dla szybkich przebiegów, ale za to ma długi czas pamitania. Obraz przebiegu szybkiego z pierwszej siatki zostaje przeniesiony na siatk drug, która moe pracowa zarówno jako bistabilna, jak i o zmiennym czasie powiaty. Uytkownik ma do wyboru nastpujce rodzaje pamici:

- szybk pami z regulowanym czasem powiaty; - szybk pami bistabiln; - powoln pami z regulowanym czasem powiaty; - powoln pami bistabiln. 1.3. Oscyloskop analogowy 1.3.1. Schemat blokowy oscyloskopu Na rysunku 1.6 pokazano schemat blokowy oscyloskopu analogowego. Zasilacz niskich napi, połczony z sieci zasilajc (zazwyczaj 220 V) lub bateri, dostarcza napicia stałe, stabilizowane od zmian napicia sieci i obcienia, do wszystkich układów oscyloskopu. Zasilacz wysokiego napicia wytwarza napicia niezbdne do pracy lampy oscyloskopowej: napicie ujemne (od –1 kV do –3 kV) połczone z katod oraz napicia dodatnie (od 2 kV do 24 kV). Mierzony sygnał przez tłumik wejciowy o skokowo regulowanej wartoci tłumienia steruje wzmacniacz odchylania pionowego Y, na wyjciu którego uzyskuje ci wzmocniony, symetryczny przebieg sterujcy płytki Y lampy oscyloskopowej. Pokrtło płynnej regulacji współczynnika odchylania zmienia wzmocnienie, umoliwiajc

uzyskanie obrazu przebiegu o dogodnej do pomiaru wysokoci. Pokrtło przesuwu Y ustala połoenie obrazu na ekranie w kierunku pionowym. Ogólnie o oscyloskopie Oscyloskop jest najbardziej uniwersalnym przyrzdem pomiarowym, który umoliwia zarówno obserwacj kształtu mierzonego sygnału, jak równie wyznaczenie takich jego parametrów jak np. warto maksymalna, minimalna, midzyszczytowa, rednia, okres sygnału, czstotliwo, przesunicie fazowe midzy dwoma sygnałami itd. Konstrukcje oscyloskopów wytwarzanych przez rónych producentów i rónej klasy róni si od siebie, ale kademu rozwizaniu mona przypisa schemat blokowy przedstawiony na rys.11.

Rys.11. Typowy schemat blokowy oscyloskopu.

Jak wida na rys.11, podstawowymi podzespołami oscyloskopu s: • lampa oscyloskopowa, • generator liniowej podstawy czasu, • wzmacniacze kanału X oraz Y, • dzielnik napicia, • zasilacze niskiego i wysokiego napicia.

Rozwizania szczegółowe konkretnych typów oscyloskopów mog posiada bardziej lub mniej wyrafinowane rozwizania poszczególnych bloków lub pewne funkcje dodatkowe, np. podwójna podstawa czasu, rozbudowany układ synchronizacji, układy rozjaniania i gaszenia plamki.

Rys. 1.6. Schemat blokowy oscyloskopu analogowego

Z toru wzmacniacza Y zostaje pobrana cz mierzonego sygnału. Jest to sygnał synchronizujcy, którego zadaniem jest uzyskanie synchronizacji podstawy czasu z mierzonym przebiegiem. Sygnał synchronizujcy steruje układy wyzwalania i generacji podstawy czasu. Układ podstawy czasu generuje piłokształtne napicie liniowo narastajce. Napicie to po wzmocnieniu we wzmacniaczu odchylania poziomego X steruje symetrycznie płytki odchylania X. Liniowo zmieniajce si napicie na płytkach X odchyla plamk na ekranie w kierunku poziomym, dajc liniow podstaw czasu. Układ wyzwalania wytwarza prostoktny impuls rozjaniajcy, który steruje wzmacniacz modulacji jaskrawoci Z. Impuls ten jest zgodny w czasie z napiciem piłokształtnym podstawy czasu i jego zadaniem jest rozjanianie plamki na ekranie tylko na czas rysowania obrazu, przy ruchu plamki w prawo. Przy ruchu powrotnym plamki z prawej strony ekranu w lewo lub w czasie postoju plamki (gdy podstawa czasu nie jest wyzwolona) plamka wietlna zostaje wygaszona. Ze wzmacniaczem Z jest zwizane pokrtło regulujce jaskrawo obrazu. Wzmocniony impuls ze wzmacniacza Z steruje siatk pierwsz, zwan te cylindrem Wehnelta, lampy oscyloskopowej. Przełcznik na wejciu układu wyzwalania umoliwia przełczenie ródła sygnału wyzwalajcego na gniazdo wejcia zewntrznego wyzwalania. Szybko ruchu plamki w kierunku osi X jest zmieniana za pomoc pokrtła współczynnika czasu (od s/cm do ns/cm, a nawet ps/cm).

Wzmacniacz odchylania poziomego X moe by sterowany przebiegiem zewntrznym, wtedy podstawa czasu jest odłczona. Pokrtło przesuwu X zmienia połoenie obrazu w kierunku poziomym, a pokrtło regulacji wzmocnienia zmienia czuło wzmacniacza X przy pracy z sygnałem zewntrznym. Z układem zasilacza wysokiego napicia jest zwizane pokrtło regulacji ostroci, za pomoc którego ustawia si optymaln ostro rysowanego obrazu. 1.3.2. wzmacniacz odchylania pionowego Pomiary słabych sygnałów umoliwia wzmacniacz sterujcy symetrycznie płytki odchylania pionowego. Jeeli sygnał wejciowy jest zbyt duy, to midzy ródłem sygnału a wejciem wzmacniacza włcza si tłumik, odpowiednio zmniejszajcy amplitud sygnału. Podstawowymi parametrami wzmacniacza s: czuło i charakterystyka czstotliwociowa. Zdecydowana wikszo produkowanych obecnie oscyloskopów ma wzmacniacze prdu stałego o sprzeniu bezporednim (stałoprdowym) od wejcia a do płytek odchylajcych, co umoliwia pomiar sygnałów zawierajcych składowe bardzo małych czstotliwoci oraz składow stał. Z gniazda wejciowego, bezporednio lub przez kondensator separujcy składow stał, sygnał jest doprowadzony do tłumika. Zadaniem tłumika jest zmniejszenie sygnału

wejciowego do wartoci zalenej od czułoci wzmacniacza i wymaganej wysokoci obrazu na ekranie. Tłumik umieszczony na wejciu oscyloskopu zapobiega przesterowaniu stopni wejciowych wzmacniacza. Za tłumikiem znajduje si wtórnik z tranzystorem polowym (FET) o małej pojemnoci wejciowej i małej rezystancji wyjciowej. Start podstawy czasy na skutek skoczonej bezwładnoci układów elektronicznych nastpuje z pewnym opónieniem w stosunku do sygnału synchronizujcego. Jeeli przebiegiem badanym jest impuls o krótkim zboczu, to plamka na ekranie startujca z opónieniem nie narysuje przedniego zbocza impulsu. Aby uzyska obraz przedniego zbocza impulsu, naley badany przebieg doprowadzi do płytek Y z opónieniem wikszym ni opónienie startu podstawy czasu i opónienie wprowadzane przez wzmacniacz X. Uzyskuje si to przez wbudowanie w tor wzmacniacza odchylania pionowego specjalnej linii opóniajcej, o czasie opónienia od ok. 0,1 do 0,2 µs. Sygnał pobrany przed lini opóniajc steruje wzmacniacz sygnału synchronizujcego. Dzielnik napicia (tłumik) W oscyloskopach s stosowane dwa rodzaje tłumików: - tłumiki o duej rezystancji wejciowej (1 MΩ);

- tłumiki o małej rezystancji wejciowej (50 Ω lub 75Ω). Na rysunku 1.7 pokazano prosty dzielnik rezystorowy o tłumieniu

21

2

RRR

uu

in

out

+==β (1.2)

które nie zaley od czstotliwoci, jeeli do rezystora R1 jest dołczona pojemno C1, o takiej wartoci aby spełnione było równanie

2211 CRCR = (1.3) Przy spełnieniu tego równania impuls wyjciowy zachowuje kształt impulsu wejciowego. Poniewa pojemno C2, na któr składaj si pojemnoci montaowe i pojemnoci wejciowe wtórnika, nie jest cile okrelona, przeto w układach praktycznych pojemno C1 jest strojona. W przypadku niespełnienia równania (1.3) dzielnik nie ma prawidłowej charakterystyki czstotliwociowej, co łatwo mona zaobserwowa przy wejciowym impulsie prostoktnym (rys. 1.7).

Rys.1.7. Układ tłumika rezonansowego: a) tłumik rezonansowy zbocznikowany skodliw pojemnoci montaow C2 i odpowied układu na impuls na jego wejciu przy spełnieniu warunku

kompensacji czstotliwociowej; b) napicie na wyjciu tłumika przy jego przekompensowaniu (pojemno C1 za dua); c) napicie na wyjciu tłumika przy jego niedokompensowaniu (pojemno

C1 za mała);

Złe skompensowanie tłumika wejciowego powoduje wzrost błdów pomiaru.

Ze wzrostem czstotliwoci rezystory w tłumiku naley traktowa jako elementy o stałych rozłoonych, w wyniku czego rezystancja wejciowa w funkcji czstotliwoci maleje (rys. 1.8).

Tak wic rezystancja wejciowa oscyloskopu ma warto 1 MΩ tylko dla prdu stałego i małych czstotliwoci. Skokowe zmiany współczynnika odchylania stosuje si najczciej w sekwencji 1, 2, 5, 10. Typowa warto pojemnoci wejciowej oscyloskopu o rezystancji wejciowej 1 MΩ zawiera si w granicach od kilkunastu do kilkudziesiciu pF. Tłumiki s tak

skonstruowane, aby w danym oscyloskopie pojemno wejciowa miała jednakow warto dla wszystkich pozycji tłumienia. W tłumiku o rezystancji wejciowej 50 Ω negatywny wpływ pojemnoci montaowych jest znacznie mniejszy i dlatego tłumik taki jest czysto rezystancyjny (bez kondensatorów). Tłumiki o rezystancji wejciowej 50 Ω s stosowane w oscyloskopach o pamie powyej 150 MHz. Współczynnik odchylania i płynna regulacja wzmocnienia Współczynnik odchylania oscyloskopu jest okrelony przez warto midzyszczytow napicia Upp, jakie naley doprowadzi do jego wejcia, aby uzyska na ekranie obraz o wysokoci 1 cm lub 1 działki, jeli podziałka skali nie jest w cm. Niezalenie od skokowej zmiany współczynnika odchylania tłumika, wzmacniacz Y ma zazwyczaj płynn regulacj wzmocnienia, która powinna pokrywa współczynniki midzy zakresami. Maksymalne napicie wejciowe Przy sprzeniu stałoprdowym jest ono ograniczone dopuszczalnym prdem stopnia wejciowego bez obawy jego uszkodzenia. Przy sprzeniu zmiennoprdowym maksymalne napicie wejciowe jest ograniczone dodatkowo napiciem przebicia

kondensatora wejciowego. Typowe wartoci napicia wejciowego zawieraj si od 250 do 600 V (warto midzyszczytowa). Dryft zera We wzmacniaczach prdu stałego linia pozioma narysowana na ekranie przez podstaw czasu, przy braku sygnału sterujcego w torze Y, wskutek zmian parametrów tranzystorów, ródeł zasilania, rezystorów itp., bdzie si przesuwała w gór lub w dół z szybkoci wynikajc z czułoci wzmacniacza i rozwizania układu. Z dryftem zera naley si liczy przy współczynniku odchylania mniejszym ni 10 mV/cm. Dryft jest okrelony w mm/min lub w mm/h. Charakterystyka czstotliwociowa Charakterystyk czstotliwociow mona podzieli na trzy obszary: obszar czstotliwoci małych (od zera do kilkudziesiciu Hz) oraz obszary rednich i wielkich czstotliwoci. Pasmo oscyloskopu jest okrelone jako zakres czstotliwoci zawartych midzy czstotliwociami f1 i f2, przy których wzmocnienie maleje o 3 dB (30 %) w stosunku do czstotliwoci rednich. Pasmo od strony m.cz. (f1) jest ograniczone stałymi czasowymi

układów sprzgajcych, a przy sprzganiu stałoprdowym f1 = 0 Hz. Pasmo od strony w.cz. (f2) jest ograniczone parametrami wzmacniacza i lampy oscyloskopowej. Przy pomiarze impulsów i przebiegów bardzo odbiegajcych od sinusoidalnych istotna jest wierno, z jak oscyloskop oddaje kształt badanego sygnału. Miar wiernoci jest odpowied wzmacniacza na impuls prostoktny o krótkim czasie narastania. Wzmacniacz zwiksza czas narastania, wprowadza przerosty, zafalowania na grzbiecie impulsu, odbicia od linii opóniajcej, zakrzywienie grzbietu. Wielko tych zniekształce okrela si przez podanie dopuszczalnej ich wartoci w % całkowitej amplitudy. Jeli przyrosty nie przekraczaj wartoci od 2 do 3%, to czas narastania jest zwizany z górn czstotliwoci przenoszenia f2 zalenoci

2

350f

tr = (1.4)

przy czym: tr – czas narastania [ns]; f2 – górna czstotliwo przenoszonego pasma, przy której wzmocnienie spada o 3 dB [MHz. Jeeli czas narastania mierzonego impulsu jest zbliony do czasu narastania wprowadzonego przez oscyloskop, to bdzie on zmierzony z błdem. Midzy czasem narastania oscyloskopu, sygnału a zmierzonym czasem narastania zachodzi zaleno

22sor ttt += (1.5)

przy czym: tr – czas narastania przebiegu zmierzony na ekranie oscyloskopu; to – czas narastania wprowadzony przez oscyloskop; ts – czas narastania sygnału wejciowego. Ograniczone pasmo od strony m.cz. powoduje zwis płaskiej czci impulsu. Jeeli zwis jest spowodowany jedynie stał czasow wejciowego układu sprzgajcego, to dolna czstotliwo przenoszenia f1 wzmacniacza

RC.

RCf

1602

11 =

π= (1.6)

Dla pojedynczego impulsu procentowa warto zwisu ∆U odniesiona do amplitudy impulsu zgodnie z rys. 1.9 jest Przesuw Y

Pokrtło przesuwu Y umoliwia wygodne usytuowanie obrazu w obrbie pola pomiarowego w kierunku osi pionowej. Warto przesuwu jest okrelana zwykle w cm. Jeeli przesuw jest kilka razy wikszy od rednicy ekranu, to moemy obserwowa jakby przez lup fragmenty obrazu, którego wysoko wykracza znacznie poza rednic ekranu. Istniej specjalne układy przesuwu o wartoci do ± 10 000 cm, co pozwala na pomiar fragmentu obrazu np. o wysokoci 1 cm przy całym obrazie o wysokoci 20 000 cm. Okrelenie wartoci przesuwu np. ± 15 cm oznacza, e plamk od połoenia rodkowego moemy przesun o 15 cm w gór i 15 cm w dół. Jest ono równowane okreleniu: „przesuw Y wynosi 30 cm”. Szumy Szumy zaczynaj odgrywa rol w oscyloskopach o współczynniku odchylania mniejszym ni 0,5 mV/cm przy pamie do kilkuset kHz. W pamie szerokim do 1000 MHz naley si ju liczy z szumami przy współczynniku odchylania 2 mV/cm. Oprócz typowych chaotycznych szumów mona zaobserwowa inne zakłócenia w torze Y, jak ttnienia sieci, lady impulsów podstawy czasu itp.

Wejcie symetryczne Wejcie symetryczne umoliwia pomiar sumy lub rónicy sygnałów. Wzmacniacze przeznaczone do dokładnych pomiarów sygnałów symetrycznych nosz nazw wzmacniaczy rónicowych. Przełcznik elektroniczny Przy pomiarach skomplikowanych urzdze elektronicznych czsto zachodzi konieczno jednoczesnej obserwacji dwu lub wicej przebiegów. Moliwe jest to przy stosowaniu oscyloskopu z wielostrumieniow lamp oscyloskopow lub z lamp jednostrumieniow i przełcznikiem elektronicznym. Przełcznik elektroniczny przełcza sygnały z kilku wzmacniaczy wejciowych na jeden wspólny tor sterujcy lamp oscyloskopow. Najbardziej popularny jest układ przełcznika dwukanałowego, rzadziej stosowany jest układ czterokanałowy. Przełcznik elektroniczny moe mie dwa sposoby pracy: - praca przemienna (alternating); - praca siekana (chopped).

W sposobie pierwszym przełczanie kanałów zachodzi w czasie ruchu powrotnego plamki na ekranie i odbywa si co kady ruch powrotny plamki. Podstawa czasu rysuje

zatem na ekranie cały przebieg z toru A, nastpnie z toru B i na przemian. Ten rodzaj pracy moliwy jest tylko przy przebiegach periodycznych. Czstotliwo powtarzania kadego obrazu na ekranie jest dwukrotnie mniejsza ni w przypadku pracy jednokanałowej. Przy przebiegach małej czstotliwoci powtarzania powstanie migotanie obrazu. Wady tej pozbawiona jest praca siekana, polegajca na tym, e przełcznik elektroniczny przełcza si wielokrotnie w trakcie rysowania z jednego toru na drugi. Poniewa przełczanie nie jest synchroniczne z podstaw czasu, przeto kolejno nałoone na siebie posiekane obrazy zakrywaj przerwy. Sposób pracy siekanej stosuje si zasadniczo w dwu przypadkach: przy pomiarze sygnałów o małej czstotliwoci powtarzania, w celu zmniejszenia migotania obrazu, oraz przy fotografowaniu dwu przebiegów jednorazowych. Typowa warto czstotliwoci przełczania przy pracy siekanej wynosi od 10 do 100 kHz, a w najnowszych rozwizaniach dochodzi do 2 MHz. Wzmacniacze dwukanałowe zwykle maj moliwo sumowania lub odejmowania algebraicznego obu przebiegów. Typowe s nastpujce rodzaje pracy: - pracuje tylko kanał A. Przełcznik elektroniczny ustawiony jest w pozycji A; - pracuje tylko kanał B. Przełcznik elektroniczny ustawiony jest w pozycji B; - na ekranie oglda si oba obrazy według zasady przełczania siekanego – praca

przemienna;

- na ekranie oglda si jeden obraz, który jest sum lub rónic przebiegów wejciowych z torów A i B – w pozycji ±A ±B.

1.3.3. Wzmacniacz odchylania poziomego Podstawowym zadaniem wzmacniacza odchylania poziomego jest symetryczne sterowanie płytek X (rys. 1.6) wzmocnionym piłokształtnym sygnałem podstawy czasu. We wzmacniaczu X czsto jest stosowana skokowa lub płynna regulacja wzmocnienia, za pomoc której mona zwikszy kilkakrotnie wzmocnienie, dziki czemu obraz na ekranie zostaje rozcignity w kierunku poziomym. Rozciganie obrazu (zwane take ekspansj) jest wygodne wtedy, kiedy interesujcy nas fragment znajduje si na prawym skraju ekranu. Wzrost prdkoci podstawy czasu (bez rozcigania) spowodował by przesunicie interesujcego nas odcinka w prawo poza ekran. Zwikszenie wzmocnienia rozciga cały obraz, który przesuwem X ustawia si tak, aby interesujcy nas odcinek przebiegu znalazł si na rodku ekranu. Rozciganie obrazu w kierunku osi X pokazano na rys 1.10.

Zamiast czasu jako zmienn niezalen mona stosowa inne wielkoci fizyczne przetworzone na napicie sterujce tor X. Wzmacniacz X spełnia wtedy funkcj analogiczn do funkcji wzmacniacza Y. Aby pomiar tych wielkoci fizycznych nie był zniekształcony, rónica kta fazowego midzy sygnałami wzmacnianymi przez wzmacniacze X i Y w zakresie czstotliwoci badanych przebiegów powinna wynosi 0o. Zewntrzne wejcie X moe by wykonane w postaci odrbnego gniazda wejciowego lub przez jeden z kanałów toru Y. 1.3.4. Liniowa podstawa czasu Obserwacja napicia zmiennego na ekranie lampy oscyloskopowej wymaga jednoczesnego oddziaływania na strumie elektronów dwu sił. Odchylenie plamki w kierunku pionowym jest proporcjonalne do oprowadzonego napicia mierzonego, a odchylenie plamki w kierunku poziomym musi by wprost proporcjonalne do czasu, co uzyskuje si przez doprowadzenie do płytek X napicia narastajcego liniowo w funkcji czasu. Poniewa ekran ma skoczone wymiary, przeto plamka po dojciu do prawego skraju pola pomiarowego musi powróci z powrotem, a napicie odchylajce powinno zmale do swej wartoci pocztkowej. Wytworzony w ten sposób sygnał jest piłokształtny, a linia pozioma przez niego narysowana na ekranie jest nazywana liniow podstaw czasu lub rozcigiem linearnym (sweep).

Zasad powstawania obrazu na ekranie pokazano na rys. 1.11.

Rys. 1.11. Zasada tworzenia obrazu na ekranie oscyloskopu

Liniowo narastajce napicie przesuwa plamk w prawo wzdłu osi X. Ruch ten nazywamy ruchem roboczym. Ruch powrotny plamki odbywa si ze skoczon prdkoci (zazwyczaj wiksz ni ruchu roboczego), co powoduje narysowanie na ekranie rozcignitego w czasie fragmentu przebiegu. Obraz rysowany przy ruchu powrotnym jest dla obserwacji przebiegu niepotrzebny i dlatego w czasie jego trwania do siatki pierwszej lampy oscyloskopowej doprowadza si ujemny impuls wygaszajcy strumie.

Aby obraz na ekranie mógł by obserwowany, powinien pojawi si wielokrotnie w tym samym miejscu, a wic napicie piłokształtne musi powtarza si zgodnie z doprowadzonym sygnałem. Zgodno wzajemnego połoenia napicia podstawy czasu i sygnału jest warunkiem koniecznym do nałoenia si na siebie kolejnych obrazów, a co za tym idzie powstania nieruchomego (dla oka) obrazu na ekranie. T zgodno zapewniaj w oscyloskopie układy synchronizacji i wyzwalania. W nowoczesnych oscyloskopach s stosowane dwa podstawowe rodzaje podstaw czasu. Jednorazowa podstawa czasu Zgodnie z nazw, sygnał odchylania poziomego jest doprowadzony do płytek X jednorazowo, dajc jednorazowy ruch plamki w prawo i z powrotem. Sygnał odchylania pionowego powinien z chwil pojawienia si wyzwoli jednorazowo generator podstawy czasu. Jednorazowa podstawa czasu jest stosowana przy pomiarach zjawisk nieperiodycznych, takich jak przebicia i wyładowania, zjawiska przy wybuchu, zjawiska przy przełczeniach napi oraz prdów itp. Wyzwalana podstawa czasu

Pomiar czasu trwania dowolnego przebiegu lub jego fragmentu, niezalenie od czasu trwania i współczynnika wypełnienia, jest moliwy za pomoc wyzwalanej podstawy czasu. W czasie nieobecnoci sygnału podstawa czasu nie pracuje, plamka wygaszona „oczekuje” z lewej strony ekranu. Przychodzcy sygnał wytwarza impuls, który wyzwala jednorazowo podstaw czasu. W czasie trwania roboczego ruchu plamki dodatni impuls doprowadzony do siatki pierwszej (cylinder Wehnelta) lampy oscyloskopowej rozjania obraz. Z chwil powrotu plamki do punktu wyjciowego podstawa czasu nadal oczekuje na nastpny impuls wyzwalajcy.

Rys.1.12. Napicie piłokształtne wyzwalanej podstawy czasu: T1 – czas roboczy; Tr – czas

powrotu, Tk – czas podtrzymania, T0 –czas oczekiwania na impuls, T – minimalny ikres powtarzania, Up – amplituda sygnału piłokształtnego.

W przebiegu piłokształtnego napicia wyzwalanej podstawy czasu mona wyróni cztery odcinki (rys. 1.12), odpowiadajce:

- czasowi roboczemu (sweep time); - czasowi powrotu (return time); - czasowi martwemu; - czasowi oczekiwania.

Czas martwy, zwany te czasem podtrzymania (holdoff time) jest to odstp czasu, w którym przychodzcy impuls wyzwalajcy nie moe wyzwoli podstawy czasu.

Czas martwy jest dłuszy od czasu powrotu i wynosi tyle, ile jest konieczne w danym układzie do całkowitego zakoczenia si stanów nieustalonych zwizanych z powrotem układów oscyloskopów do stanu wyjciowego. Nastpny impuls wyzwalajcy jest zdolny wyzwoli podstaw czasu dopiero po ustaniu wszystkich procesów przejciowych, co zapewnia dokładn powtarzalno kolejnych odcinków podstawy czasu.

Obraz ogldany na ekranie przy wyzwalanej podstawie czasu pokazano na rysunku 1.13.

Współczynnik czasu Współczynnik czasu przyjto okrela jako potrzebny do przesunicia plamki na ekranie w kierunku poziomym na odległo 1 cm lub 1 działki. Współczynniki czasu s podawane w jednostkach czasu/cm lub czasu/działk, jeli skala oscyloskopu jest podzielona na działki nie równe 1 cm. Nieliniowo podstawy czasu Podstawa czasu rysowana na ekranie nie jest idealnie liniowa. Oceny stopnia nieliniowoci dokonuje si przez porównanie zgodnoci wzorcowych impulsów ze skal oscyloskopu (rys. 1.14). Najwikszy błd liniowoci współczynników czasu wystpuje zazwyczaj na pocztku i kocu rozcigu. Do jego oceny naley dobra tak warto czstotliwoci wzorcowych impulsów, aby zgra ze skal impulsy 1 i 9 (rys. 1.14). Błd liniowoci wyraa si w procentach według wzorów

10011 ⋅−=ε

ddd (1.8)

Mog te wystpowa błdy liniowoci wewntrz odcinka 1 do 9. W tym przypadku przy zgranych ze skal impulsach 1 i 9 impulsy od 2 do 8 (a zwłaszcza impuls rodkowy 5) mog by nie zgrane ze skal. Wzmacniacze wejciowe. Poniewa czuło lampy oscyloskopowej nie jest dua, wic w celu umoliwienia badania sygnałów o małych wartociach napicia naley sygnały te wzmocni. Z kolei przebiegi wysokonapiciowe powinny zosta stłumione. Dodatkowo, wystepuje problem przesunicia poziomu badanego napicia, np. przy obserwacjach sygnału zmiennego o amplitudzie 1V i wartoci redniej 10 V. W zwizku z tym stosuje si na wejciu kanałów X oraz Y kalibrowane dzielniki napicia, z którymi kaskadowo połczone s stopnie wzmacniajce o regulowanym wzmocnieniu. Drugi stopie wzmacniajcy zawiera układ

umoliwiajcy przesuwanie obrazu w pionie. Wyjcie ostatniego wzmacniacza jest symetryczne i połczone z płytkami odchylania pionowego. W celu zwikszenia wartoci rezystancji wejciowej oscyloskopu, stosuje si w na wejciach poszczególnych kanałów oscyloskopu wtórniki. Pasmo przenoszenia wzmacniaczy wejciowych musi by kilkukrotnie szersze od pasma sygnałów mierzonych. Jako poszczególne stopnie wzmacniaczy pomiarowych stosowane s wzmacniacze operacyjne pracujce w układzie wtórnika, wzmacniacza odwracajcego faz o regulowanym wzmocnieniu oraz sumatora. Przed ostatnim wzmacniaczem, który steruje płytkami odchylania pionowego włczona jest linia opóniajca. Wzmacniony sygnał mierzony sprzed linii opóniajcej wykorzystywany jest przez układ synchronizacji do wyzwalania generatora podstawy czasu. Linia opóniajca jest układem, który umoliwia opónienie impulsu o znan stał dla danej linii warto czasu bez zniekształcenia tego impulsu. Kanał Y oscyloskopu powinien umoliwia obserwacj zarówno sygnałów stałych (DC), jak i zmiennych (AC). Charakterystyk przenoszenia tego kanału, dla ustalonych wartoci wzmocnienia, przedstawiono na rys.14.

1E+0 1E+1 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 1E+8 1E+9

f [Hz]

Ku

DC

AC

A

Rys.14. Typowa charakterystyka przenoszenia wzmacniaczy kanału Y.

Układ synchronizacji. W celu uzyskania obrazu na ekranie oscyloskopu naley na płytki odchylania poziomego poda sygnał piłozbowy liniowej podstawy czasu, natomiast na płytki odchylania pionowego naley poda sygnał proporcjonalny do napicia mierzonego. Aby uzyskany obraz był stabilny, badany sygnał musi by okresowy, a okres liniowej podstawy czasu powinien by równy okresowi sygnału mierzonego lub jego wielokrotnoci. W czasie gdy napicie podstawy czasu liniowo narasta, strumie elektronów kreli na ekranie jedn lini

poziom obrazu, nastpnie nastpuje szybki powrót plamki w czasie opadajcego zbocza impulsu liniowej podstawy czasu. Aby na ekranie nie była widoczna niepodana linia powrotu, stosuje si układ wygaszania linii powrotnych, który przez wysłnie krótkiego ujemnego impulsu napiciowego na siatk pierwsz lampy oscyloskopowej blokuje działo elektronowe. Do synchronizacji generatora liniowej podstawy czasu i sygnału mierzonego mona zastosowa sygnał mierzony (synchronizacja wewntrzna) lub sygnał zewntrzny (synchronizacja zewntrzna) przy małych poziomach sygnału mierzonego. Układ formowania impulsów wyzwalajcych wytwarza cig impulsów prostoktnych, których narastajce zbocza powoduj rozpoczcie narastania napicia na wyjciu generatora liniowej podstawy czasu. Poprzez regulacj poziomu wyzwalania mona ustawi przy jakiej wartoci napicia mierzonego ma rozpocz si wykrelanie jego przebiegu. Wytworzony w generatorze liniowej podstawy czasu sygnał piłozbowy, po wzmocnieniu, jest podawany na płytki odchylania poziomego oscyloskopu. Im wiksze wzmocnienie ustawione w kanale X, tym na ekranie bdzie widoczna mniejsza cz przebiegu mierzonego. Dodatkowo, podobnie jak w kanale Y, take w kanale X moliwe jest przesuwanie poziomu napicia liniowej podstawy czasu, co skutkuje przesuwaniem obrazu w poziomie. Jeeli obserwowany ma by sygnał sinusoidalny opisany zalenoci

+

+⋅⋅= 0sin ϕω on

Xmn t

aX

Yy

gdzie aX jest wzmocnieniem kanału X, X oznacza zmian wartoci w kanale X, ton jest chwil rozpoczcia obserwacji, ϕ0 – przesuniciem fazowym. Zapisujc przebieg ( ) jawnie dla kadego okresu obserwowanego przebiegu i przyjmujc oczywisty warunek stabilnoci obrazu, to znaczy kolejne okresy obserwowanego przebiegu s takie same, czyli

nyyy === ...21 otrzymuje si warunek

πϕωωϕωω ⋅⋅++⋅+⋅=+⋅+⋅ ktaX

taX

oX

oX

20201

gdzie k jest liczb naturaln. Po dokonaniu redukcji wyrazów podobnych otrzymuje si ( ) πω ⋅⋅=−⋅ ktt oo 221

Zatem stosujc proste przekształcenia i przyjmujc oznaczenie TX = t01 – t02 otrzymuje si warunek stabilnoci obrazu o postaci

kf

f

TT

X

y

Y

X ==

Za synchronizacj obrazu odpowiada układ formowania impulsów wyzwalajcych. W zalenoci od połoenia przełcznika TRIG lub AUTO impulsy wyzwalajce s generowane w chwilach czasu, gdy napicie badane jest mniejsze od poziomu odniesienia (TRIG) lub w sposób cigły (AUTO). Wówczas generator liniowej podstawy czasu w sposób cigły wytwarza impulsy odchylania poziomego. Układ generatora liniowej podstawy czasu ma schemat blokowy przedstawiony na rys.15.

C

I

UwyIG

RG

K

Rys.15. Schemat blokowy generatora liniowej podstawy czasu.

ródło prdowe IG ładuje kondensator C stałym prdem o wartoci I, powodujc liniowe narastanie napicia na kondensatorze. Po naładowaniu kandensatorz do okreslonej wartoci maksymalnej, nastpuje krótkotrwałe zwarcie klucza K, powodujce szybkie rozładowanie kondensatora. Cykl ten powtarza si okresowo i pozwala na uzyskanie napicia wyjciowego Uwy o kształcie sygnału piłozbowego. Czas ładowania

kondensatora jest równy czasowi wywietlania jednej linii poziomej na ekranie oscyloskopu. Z kolei układ formowania impulsów wyzwalajcych ma struktur blokow pokazan na rysunku 16. Na wejcie tego układu podawany jest sygnał synchronizacji wewntrznej – sprzed linii opóniajcej w kanale Y lub zewntrznej i w zalenoci od wyboru trybu wyzwalania (AUTO lub TRIG) jest podawany bd bezporednio (TRIG), bd po dodaniu do niego w sumatorze poziomu odniesienia (AUTO) na komparator, w którym sygnał ten jest porównywany z poziomem wyzwalania. Poziom wyzwalania musi by tak dobrany, istniał taki przedział czasu, sygnał synchronizacji jest mniejszy od poziomu wyzwalania i taki, w którym zachodzi odwrotna relacja. Wówczas na wyjciu układu otrzymuje si napicie o kształcie cigu impulsów prostoktnych. Ten cig impulsów prostoktnych jest wprowadzany na wejcie układu sterowania kluczem K w generatorze liniowej podstawy czasu pokazanym na rys.15. Narastajce zbocze sygnału na wejciu tego układu powoduje zwarcie klucza K i rozpoczcie generacji przebiegu piłozbowego przez generator liniowej podstawy czasu. Jeeli napicie na wyjciu generatora osignie zadan przez operatora warto maksymaln, to układ sterowania kluczem zostanie pobudzony z wyjcia komparatora i spowoduje rozładowanie kondensatora C.

TRIG

+

-

ΣΣΣΣAUTO

Uodn

Poziom wyzwalania

Do generatoraliniowej

podstawyczasu

Wejcie

Rys.16. Schemat blokowy układu formowania impulsów wyzwalajcych

Przebiegi w wybranych punktach układu oscyloskopu przedstawiono na rys.17 dla przełcznika trybu wyzwalania w pozycji TRIG oraz na rys.18 dla tego przełcznika w pozycji AUTO.

t

Synchronizacja

Poziom wyzwalaniaWyzwalanie generatora

podstawy czasu

Stan klucza K

Wyjcie generatorapodstawy czasu

Impulsy rozładowujce

Rys.17. Przebiegi w wybranych punktach układu oscyloskopu przy trybie wyzwalania

TRIG. Przy pracy w trybie AUTO, gdy sygnał synchronizacji przyjmuje w poszczególnych przedziałach czasu wartoci wiksze od poziomu wyzwalania a w innych przedziałach mniejsze, to przebiegi napi s identyczne jak dla trybu TRIG. Przebiegi dla przypadku, gdy sygnał wejciowy jest stały pokazano na rys.18.

t

Synchronizacja

Poziom wyzwalania

Stan klucza K

Wyjcie generatorapodstawy czasu

Wyzwalanie generatorapodstawy czasu

Rys.18. Przebiegi w wybranych punktach układu oscyloskopu przy trybie wyzwalania AUTO i

braku sygnału wejciowego. Synchronizacja i wyzwalanie podstawy czasu Obraz na ekranie lampy oscyloskopowej powstaje w wyniku jednoczesnego przesunicia plamki wietlnej w kierunku pionowym przez napicie proporcjonalne do mierzonego

sygnału oraz w kierunku poziomym przez napicie piłokształtne. Przy wielokrotnym nakładaniu si na siebie poszczególnych obrazów na skutek bezwładnoci oka, w połczeniu z powiat luminoforu, otrzymamy na ekranie pozornie nieruchomy obraz przebiegu. Podstawowym warunkiem rysowania kadego nastpnego obrazu dokładnie na obrazie poprzednim jest rozpoczynanie startu podstawy czasu od stałego punktu P (rys. 1.13). doprowadzenie do zgodnoci w czasie mierzonego przebiegu piłokształtnego napicia podstawy czasu nazywa si synchronizacj. Płynna regulacja czasu podtrzymania Płynna regulacja czasu podtrzymania znajduje zastosowanie przy pomiarach przebiegów impulsowych o złoonym kształcie, co zostało wyjanione na przykładzie z rysunku 7.28 (str. 170). Poziom wyzwalania i wybór zbocza Pokrtło płynnej zmiany poziomu wyzwalania (trigger level) i przełcznik wyboru zbocza (slope) umoliwiaj wybór dogodnego punktu na mierzonym przebiegu, od którego chcemy by nastpiło wyzwalanie podstawy czasu. W połoeniu „+” przełcznika wyboru

zbocza podstawa czasu bdzie wyzwalana narastajcym zboczem przebiegu, a w połoeniu „-„ - opadajcym zboczem przebiegu. W niektórych oscyloskopach jest stosowane jedno pokrtło, realizujce obie funkcje: zmiany poziomu wyzwalania i wyboru zbocza (rys. 1.15).

Czuło wyzwalania wyznacza minimaln wysoko przebiegu, który moe wewntrznie wyzwoli podstaw czasu, i zwykle wynosi ona od 0,2 do 0,5 działki. Ze wzrostem czstotliwoci mierzonego przebiegu czuło wyzwalania maleje. Sygnalizacja wyzwalania podstawy czasu i połoenia obrazu Brak obrazu badanego przebiegu lub plamki na ekranie nie uszkodzonego oscyloskopu moe mie nastpujce przyczyny: - pokrtłem przesuwu X lub Y przesunito obraz poza obrb ekranu;

- przy stałoprdowym sprzeniu doprowadzono do wejcia Y (lub X) sygnał sterujcy o nadmiernie duej składowej stałej;

- podstawa czasu nie została wyzwolona; - pokrtło jaskrawoci skrcono do minimum.

Aby przyspieszy manipulacje zwizane ze znalezieniem przyczyny braku obrazu lub plamki, s stosowane nastpujce udogodnienia w postaci: - wskanika wietlnego (dioda elektroluminescencyjna) sygnalizujca wyzwolenie

podstawy czasu; - przycisku lokalizacji połoenia plamki

Wskanik wietlny wyzwolenia podstawy czasu wieci si, gdy podstawa czasu została wyzwolona, niezalenie od tego czy jest widoczny obraz przebiegu na ekranie.

Przycisk lokalizacji strumienia (beam finder, beam locate) jest czsto stosowany i wydaje si rozwizaniem dogodnym. Nacinicie tego przycisku powoduje ograniczenie odchylania w kierunku osi X i Y do obszary widocznego na ekranie.

Na rysunku 1.16 pokazano interpretacj obrazu po naciniciu przycisku lokalizacji strumienia. Filtry w torze wyzwalania (trigger coupling) Nieograniczona rozmaito przebiegów utrudnia lub wrcz uniemoliwia uzyskanie ich poprawnego obrazu. Jednym ze stosowanych sposobów poprawy tej sytuacji jest umieszczenie w torze sygnału synchronizujcego filtrów RC, których zadaniem jest usunicie z mierzonego przebiegu niepodanych sygnałów (patrz p. 7.6), które mog utrudni lub wrcz uniemoliwi prawidłow synchronizacj podstawy czasu. Rodzaje wyzwalania podstawy czasu Stosowane s w oscyloskopach nastpujce rodzaje wyzwalania:

- normalne; - automatyczne; - sygnałem telewizyjnym; - jednorazowe.

Przy wyzwalaniu normalnym, przy braku sygnału wyzwalajcego lub przy złym ustawieniu sygnału wyzwalania, plamka jest wygaszona. W pozycji pracy automatycznej, nawet przy braku sygnału wyzwalajcego, podstawa czasu pracuje samowzbudnie, a na ekranie jest rysowana pozioma linia rozcigu, która umoliwia ustawienie stałoprdowego punktu odniesienia na osi Y. Z chwil pojawienia si sygnału wyzwalajcego, po prawidłowym ustawieniu poziomu wyzwalania, podstawa czasu przestaje pracowa samowzbudnie i jest wyzwalana analogicznie jak przy pracy normalnej.

W niektórych rozwizaniach stosuje si rodzaj pracy PP-AUTO (peak-to-peak automatic mode). Przy tym rozwizaniu zakres wyboru poziomu wyzwalania automatycznie dopasowuje si do wartoci midzyszczytowej wikszoci spotykanych kształtów przebiegów. Dziki tej automatyce uytkownik nie ustawi poziomu wyzwalania poza sygnałem.

Przy pomiarze przebiegów wizyjnych zachodzi potrzeba synchronizowania podstawy czasu impulsami linii (15 625 Hz) lub impulsami pola (50 Hz). Oscyloskopy umoliwiajce taki rodzaj wyzwalania maj układy podobne w swej istocie do układów w odbiorniku telewizyjnym, wydzielajce z zespolonego sygnału wizyjnego impulsy

synchronizujce linii i pola. Te wydzielone impulsy synchronizujce wydzielaj podstaw czasu.

Wyzwalanie jednorazowe (SGL SWP – single sweep) działa zgodnie ze sw nazw: podstawa czasu jest wyzwalana tylko raz. Ten rodzaj pracy jest stosowany przy fotografowaniu przebiegów jednorazowych i wyłapywania pojedynczych, przypadkowych zakłóce (glitches). Podwójna podstawa czasu Do pomiarów sygnałów o bardzo złoonym kształcie s stosowane oscyloskopy zawierajce dwie podstawy czasu: A i B. Podstawa czasu A bywa nazywana główn podstaw czasu (ang. main timebase) lub opóniajc podstaw czasu (delaing timebase). Podstawa czasu B jest nazywana opónion podstaw czasu. Dwie niezalene podstawy czasu umoliwiaj przy ich wzajemnej współpracy realizacj wielu nowych metod pomiarowych. Oto zestawienie najczciej spotykanych rozwiza funkcjonalnych współpracy podstaw czasu A i B. 1. Pracuje tylko podstawa czasu A, podstawa B jest wyłczona. 2. Podstawa czasu A rozjaniona przez podstaw B. O czasu na ekranie lampy

oscyloskopowej jest rysowana przez podstaw A. Podstawa czasu B jest wyzwalana z

opónieniem. Podstawa czasu A spełnia tu funkcj układu opóniajcego wyzwalanie podstawy B. W celu zorientowania obserwatora we wzajemnym połoeniu w czasie obu podstaw czasu impuls rozjaniajcy podstawy B jest nałoony na impuls rozjaniajcy podstawy A i w ten sposób uzyskuje si na ekranie fragment przebiegu o wikszej jaskrawoci wiecenia.

3. Podstawa czasu B opóniona przez A. Wzajemna współpraca obu podstaw nie ulega zmianie, a jedynie do wzmacniacza zamiast napicia piłokształtnego podstawy czasu A jest doprowadzone napicie piłokształtne podstawy czasu B, plamka za jest rozjaniona tylko impulsem rozjaniajcym B. Dziki temu rozjaniony fragment przebiegu zajmie cały ekran.

4. Jednoczesna praca obu podstaw czasu. Na ekranie otrzymamy jednoczenie dwa obrazy tego samego przebiegu w dwu rónych skalach czasu.

5. Praca z bramkowaniem. Podstawa czasu B ma swój niezaleny układ wyzwalania. Impulsy wyzwalajce podstaw czasu B nie steruj jej bezporednio, a przechodz przez układ bramkujcy, sterowany przez podstaw czasu A. Płynna regulacja czasu opónienia reguluje czas trwania impulsu bramkujcego. Z chwil otwarcia bramki droga dla impulsów wyzwalajcych podstaw czasu B jest otwarta. Pomimo drenia (jitter) impulsu bramkujcego podstawa czasu B jest wyzwalana czystym, wolnym od drga n-tym impulsem wyzwalajcym, pochodzcym bezporednio od impulsu

mierzonego. Ten rodzaj pracy umoliwia prawidłow, woln od drenia obserwacj n-tego impulsu, przy wartoci n sigajcej wielu tysicy.

Rozjanienia obrazu Przez analogi z przebiegami doprowadzonymi do lampy oscyloskopowej w kierunkach osi X i Y zapis informacji dokonywany przez modulacj jaskrawoci (zmian natenia strumienia elektronów) nosi nazw zapisu w kierunku osi Z. Pokrtło płynnej regulacji jaskrawoci jest niezbdne dlatego, i oscyloskop jest uywany w warunkach zmieniajcego si owietlenia zewntrznego do pomiarów sygnałów o wielkiej rónorodnoci kształtów. Obraz impulsu prostoktnego np. jest jaskrawy w swych odcinkach poziomych i ciemny w odcinkach pionowych, w których plamka wietlna porusza si znacznie szybciej. W oscyloskopach z podwójn podstaw czasu i napisami na ekranie stosuje si trzy pokrtła regulacji jaskrawoci: - regulacja jaskrawoci ogólnej lub tylko podstawy czasu A; - regulacja jaskrawoci podstawy czasu B; - regulacja jaskrawoci napisów informacyjnych.

Dla wygody uytkowników wiele oscyloskopów jest wyposaonych w gniazdo wejciowe zewntrznej modulacji jaskrawoci.

Zasilanie Wikszo oscyloskopów jest zasilana z sieci prdu zmiennego o czstotliwoci 50 Hz i napiciu 200-250 V w europie oraz 60 Hz i 100-132V w USA. Moc pobierana z sieci waha si od kilku watów (Tektronix typ 214:3 W) do kilkuset watów, zalenie od stopnia skomplikowania oscyloskopu. Oscyloskopy przenone, przewidywane do zastosowania w terenie, s zasilane z baterii, a oscyloskopy przystosowane do zasilania z pokładowej sieci lotniczej s zasilane napiciem o czstotliwoci 400 Hz. Z reguły wikszo oscyloskopów pracuje prawidłowo przy zasilaniu napiciem w zakresie czstotliwoci od 48 Hz do 440 Hz. S stosowane dwa podstawowe rozwizania układu zasilania sieciowego: - rozwizanie klasyczne z transformatorem sieciowym, który galwanicznie oddziela siec

zasilajc od masy oscyloskopu; - zasilacz z przetwornic impulsow, w którym brak jest transformatora sieciowego.

Zaleta tego zasilacza jest mała masa, mała objto, dua sprawno energetyczna, moliwo zasilania ze ródeł napicia zmiennego lub stałego.

Ze wzgldu na wymagania bezpieczestwa obsługi metalowe czci oscyloskopu musz by połczone poprzez styk ochronny w połczeniu wtykowym z przewodem zerowym sieci zasilajcej.

Układy pomocnicze Kalibrator napicia i prdu Do regulacji czułoci wzmacniacza Y jest potrzebny sygnał o wzorcowej wartoci midzyszczytowej napicia, za pomoc którego mona t czuło prawidłowo wyregulowa. Do kompensacji sondy sygnał wzorcowy musi mie kształt fali prostoktnej z gwarantowan płaskoci grzbietu (bez zwisów i przerostów). Do kalibracji sondy RC najczciej stosowanym sygnałem jest fala prostoktna o wypełnieniu 1:@, czstotliwoci 1 kHz i amplitudzie od 0,5 V do kilku woltów. W niektórych oscyloskopach szerokopasmowych stosowane s dwie czstotliwoci wzorcowego sygnału z kalibratora: 1 kHz i 1 MHz. Sygnał kalibratora moe take słuy do sprawdzenia dokładnoci podstawy czasu. W tym zastosowaniu czstotliwo kalibratora nie powinna mie błdu wikszego ni ±0,5%. Do kalibracji sondy prdowej słu kalibratory z wyprowadzon na zewntrz płyty czołowej ptl z grubego drutu, przez który płynie prostoktna fala prdu o typowej wartoci midzyszczytowej 5 mA i czstotliwoci 1 kHz. Badan sond prdow zapina si na ptl prdow. Udogodnienia pomiarowe

Płyta czołowa Wzrost funkcji pomiarowych, jakie moe realizowa oscyloskop, prowadził do rozbudowy elementów regulacyjnych i zwizanych z nimi napisów. Płyta czołowa staje si coraz mniej czytelna. Aby temu zapobiec, napisy informacyjne, a nawet i przyciski z płyty czołowej s przenoszone na dodatkowe wskaniki alfanumeryczne lub ekran lampy oscyloskopowej. Oko uytkownika nie musi ju wicej odrywa si od ekranu, aby odczyta ustawienie elementów regulacyjnych na płycie czołowej i uzyska wyniki pomiarowe. Na ekranie s wszystkie niezbdne informacje. Radykalne zmniejszenie liczby elementów regulacyjnych w oscyloskopie 11301 Tektronix uzyskano za pomoc ekranu dotykowego (touch screen). Wybór funkcji jest dokonywany przez dotknicie palcem okrelonego, opisanego miejsca na ekranie. Ekran dotykowy jest wykonany w postaci dwu grup elektroluminescencyjnych diod podczerwonych, umieszczonych wzdłu dwu boków lampy oscyloskopowej, i z dwu grup czujników (sensors) podczerwieni, umieszczonych na dwu przeciwległych bokach. W ten sposób ekran lampy oscyloskopowej jest pokryty niewidoczn siatk. Kursory

Kursorami nazywamy linie (zazwyczaj dwie) poziome i pionowe, które mog by przesuwane po ekranie, a ich odległo wskazuje okrelon warto mierzon jak: napicie, czas, czstotliwo, kt fazowy. Na rysunku 1.17 pokazano pomiar odcinka czasu (∆ time) i czstotliwoci za pomoc kursorów. Pod ekranem s pokazane dwa pokrtła, za pomoc których przesuwa si oba kursory.

Samokalibracja Oscyloskopy najnowszej generacji maj wbudowany układ samokalibracji. Z chwil gdy uytkownik zada samokalibracji, oscyloskop rozpoczyna automatyczn, bez ingerencji człowieka, kontrol i regulacj wszystkich parametrów metrologicznych przyrzdu. Samokalibracja jest przydatna zwłaszcza dla oscyloskopów przenonych pracujcych w

terenie przy czsto zmieniajcych si warunkach zewntrznych. W oscyloskopach serii 11300 (Tektronix) w celu zgrania przebiegów kalibracyjnych ze skal oscyloskopu w osłonie lampy oscyloskopowej zostały umieszczone czujniki optyczne. Czujniki te reaguj na pokrywanie si, w czasie kalibracji, linii wietlnej sygnału kalibrujcego ze skal lampy oscyloskopowej. Dodatkowe kanały toru Y Najczciej spotykane s oscyloskopy dwukanałowe. W ostatnich latach pojawiły si oscyloskopy czterokanałowe, przy czym dwa dodatkowe kanały zastpuj zewntrzne wejcie wyzwalania i zazwyczaj maj ograniczone, w stosunku do głównych kanał toru Y, parametru. Samonastawno (autoset, auto setup) Funkcja ta umoliwia uzyskanie obrazu przebiegu na ekranie jednym przyciniciem guzika. Uytkownik doprowadza do toru Y sygnał i naciska przycisk AUTO SET. Przebieg zostaje automatycznie sprowadzony na rodek ekranu, pomimo e pocztkowo mógł by poza nim. Amplituda przebiegu, wyzwalanie, współczynniki czasu ustalaj si automatycznie. Na ekranie ustala si natychmiast stabilny obraz przebiegu w optymalnej

skali czasu i napicia. Ta procedura jest szczególnie przydatna jako pierwsze, zgrubne ustalenie warunków pomiaru.

Oscyloskop z wbudowanym multimetrem cyfrowym

Multimetr cyfrowy (pomiar U, I, Ω), stanowicy integraln cz oscyloskopu, stanowi oczywicie due udogodnienie pomiarowe. Stosowane s nastpujce rozwizania konstrukcyjne: - multimetr w postaci nadbudówki umieszczonej u góry oscyloskopu; - wymienna wkładka do oscyloskopu wkładkowego (Tektronix wkładka 7D13). Wyniki

pomiarów s odczytywane na ekranie oscyloskopu; - multimetr umieszczony w pokrywie zamykajcej przód oscyloskopu (Tektronik 2337); - oscyloskop przenony, w którym po wyłczeniu podstawy czasu na ekranie pojawi si

due napisy wyników pomiarów multimetru. Interfejs cyfrowy

Wyposaenie oscyloskopu analogowego w odpowiedni układ cyfrowy, zwany interfejsem (interface bus) umoliwia włczanie oscyloskopu ( zwanego odtd oscyloskopem programowanym) do systemu pomiarowego. Za porednictwem interfejsu poprzez wieloprzewodow magistral cyfrow s przenoszone od i do oscyloskopu sygnały informacyjne i sterujce z jednostki sterujcej, któr moe by np. komputer osobisty.

Oscyloskop próbkujcy Potrzeba pomiarów sygnałów szybkozmiennych w bardzo szerokim pamie czstotliwoci doprowadziła do wynalezienia [16] zupełnie nowej zasady wizualnej obserwacji takich przebiegów. Zasada działania oscyloskopu próbkujcego polega na pobraniu z sygnału wejciowego próbki napicia i jej zapamitaniu. Próbk pobiera si przez otwarcie na bardzo krótki czas bramki wejciowej. Za kadym nastpnym sygnałem próbka jest pobierana w innym, przesunitym o ∆t, krótkim odstpie czasu. jeeli sygnał wejciowy z bramki jest proporcjonalny do wartoci chwilowej mierzonego przebiegu w kadym punkcie pobrania próbki, to przez złoenie wszystkich próbek z całego przebiegu uzyskuje si odtworzenie sygnału wejciowego na lampie oscyloskopowej. Z zasady działania wynika, e oscyloskop próbkujcy umoliwia jedynie pomiary sygnałów powtarzalnych. S stosowane trzy techniki próbkowania: próbkowanie sekwencyjne (sequential sampling), przypadkowe (random sampling) oraz w czasie rzeczywistym (real time sampling). W zalenoci od potrzeby jest stosowana jedna z tych technik próbkowania.

Próbkowanie sekwencyjne Ta technika próbkowania jest najczciej stosowana. Sygnał mierzony zostaje doprowadzony do układu próbkujcego i do układu wyzwalania. Układ wyzwalania generuje impulsy wyzwalajce, połoone stale, w tym samym miejscu mierzonego sygnału. Impulsy wyzwalajce steruj próbkujc podstaw czasu,

która generuje impulsy próbkujce, przesunite w czasie w stosunku do impulsu wyzwalajcego o wzrastajcy za kadym razem odcinek czasu: n*∆t. Tak wic mierzony przebieg powtarzalny za kadym kolejnym swym okresem jest próbkowany w coraz to innym, przesunitym o ∆t miejscu (rys. 1.18).

Rys. 1.18. Zasada próbkowania sekwencyjnego.

Kada pobrana próbka zostaje zapamitana, a nastpnie odtworzona na ekranie w innej, tzw. Ekwiwalentnej skali czasu. Ze wzgldów technicznych trudno jest pobiera próbki czciej ni co ok.1 µs. Tak wic przy pomiarze sygnałów o czstotliwoci wikszej od 1 MHz (w danym rozwizaniu) próbkowanie nie zachodzi co kady okres, jak na rys. 1.18, a co n okresów. Przy odpowiednio duej liczbie kropek, z których został złoony przebieg ekwiwalentny, obraz robi wraenie cigłego. Aby umoliwi ogldanie przedniego zbocza mierzonego impulsu, impuls wyzwalajcy musi poprzedza przednie zbocze, co mona osign przez wstawienie linii

opóniajcej przed układem próbkujcym lub przez zewntrzne wyzwalanie próbkujcej podstawy czasu impulsem wyprzedzajcym (pre-trigger signal) mierzony przebieg. Niezbdny czas wyprzedzenia jest rzdu kilkudziesiciu ns.

Próbkowanie przypadkowe Jeeli linia opóniajca nie moe by stosowana (kada linia pogarsza pasmo), a impuls wyprzedzajcy nie jest osigalny, to ogldanie przedniego zbocza mierzonego przebiegu umoliwia technika nazwana próbkowaniem przypadkowym. Układ próbkujcy działa tu analogicznie jak przy próbkowaniu sekwencyjnym, z t rónic, e próbki s pobierane chaotycznie, w sposób przypadkowy. Obraz odtworzony na ekranie nie składa si z kropek kolejno po sobie wystpujcych, ale z kropek rozmieszczonych chaotycznie i z rón gstoci (rys. 1.19). aby umieci kad kropk na ekranie w jej właciwym połoeniu (we współrzdnych X, Y), pobraniu kadej próbki musi towarzyszy zapamitanie dwu informacji: - w kierunku osi Y jest zapamitana chwilowa warto napicia (analogicznie jak przy

próbkowaniu sekwencyjnym);

- Rys.1.19. Zasada próbkowania przypadkowego - w kierunku osi X jest zapamitany odstp czasu, jaki wystpił pomidzy impulsem

próbkujcym a impulsem wyzwalajcym. Próbkowanie w czasie rzeczywistym

Aby przyspieszy tworzenie obrazu ekwiwalentnego stosuje si technik próbkowania w czasie rzeczywistym. Układ generujcy próbki pracuje z maksymaln czstotliwoci, dziki czemu w czasie trwania jednego okresu przebiegu pobiera si wiele próbek (rys. 1.20). tak wic kadej pobranej próbce towarzyszy pojawienie si kropki na ekranie. Czas rysowania obrazu na ekranie jest równy czasowi mierzonego odcinka przebiegu.

Rys. 1.20. Próbkowanie w czasie rzeczywistym

Impedancja wejciowa

Oscyloskop próbkujcy powstał w celu umoliwienia pomiaru sygnałów wielkiej czstotliwoci (powyej 1 GHz) i impulsów krótkotrwałych lub o krótkim czasie narastania. Aby uzyska takie pasmo, przebieg mierzony jest doprowadzony kablem współosiowym bezporednio do bramki próbkujcej, a warto impedancji wejciowej

wynosi zazwyczaj 50.Impedancj wejciow mona zwikszy przez stosowanie odpowiednich sond, co jednak pociga za sob pomniejszenie pasma.

Napicie wejciowe Poniewa sygnał wejciowy steruje bramk diodow i rezystor o wartoci 50, zatem maksymalna warto napicia wejciowego nie moe przekroczy kilku woltów. Napicie o wikszej wartoci moe zniszczy diody próbkujce lub rezystor wejciowy. Liniowo toru Y jest zazwyczaj gwarantowana dla sygnałów nie przekraczajcych wartoci ±1V (tj. 2V wartoci midzyszczytowej). Oscyloskop próbkujcy znacznie przekroczył barier pasma i czasu narastania oscyloskopu analogowego. Składanie obrazu z próbek zbieranych przez wiele okresów przebiegu narzuca okrelone wymagania na mierzony sygnał. Musi on zachowywa swój kształt w kadym okresie próbkowania, musi by to zatem sygnał powtarzalny. Przy duej gstoci kropek, z jakich zostanie złoony obraz, czstotliwo powtarzania obrazu moe by ju tak mała ( mniejsza ni 25 Hz ), e obraz na ekranie jest migoccy. Jeeli jeszcze bardziej zwikszy si liczb kropek, to obraz moe by tak wolno rysowany, e do jego rejestracji mona zastosowa typowy rejestrator analogowy X, Y. Dziki szerokiemu pasmu oscyloskop próbkujcy znalazł zastosowanie m.in. w tzw. reflektometrii odbiciowej. Pasma sigajce kilkudziesiciu GHz umoliwiło zastosowanie takiego oscyloskopu w technice mikrofalowej, telekomunikacji i w optoelektronice.

1.5. Oscyloskop z lamp pamitajc Oscyloskop z lamp pamitajc umoliwia analiz przebiegów jednorazowych, zapamitanych na ekranie. Za pomoc oscyloskopu pamitajcego mona obserwowa spodziewane zmiany kształtu przebiegów (np. w czasie strojenia aparatury elektronicznej), porównywanie dwu lub wicej sygnałów wystpujcych w rónym czasie. Sygnały o małej czstotliwoci powtarzania mog by obserwowane bez migotania. Długi czas pamitania umoliwia rejestracj jednorazowego sygnału w czasie nieobecnoci operatora ( baby-sitting), a póniej wywietlenie obrazu tego sygnału po wielu godzinach. W zalenoci od konkretnych zastosowa s produkowane oscyloskopy z trzema rodzajami lamp pamitajcych z lamp bistabiln (bistable storage tube), z lamp o zmiennym (regulowanym) czasie powiaty (variable persistence storage tube) i z lamp z szybkim przenoszeniem obrazu (fast transfer storage tube). Oscyloskopy z lamp z szybkim przenoszeniem obrazu zazwyczaj umoliwiaj zarówno prac bistabiln, jak i ze zmiennym czasem powiaty (multimode storage oscilloscape). Pami bistabiln stosuje si : do pamitania przebiegów przez czas ponad godzin; przy obserwacji przebiegów o małej czstotliwoci powtarzania i krótkim czasie narastania; do porównywania dwu przebiegów odrbnie zapamitanych na dwu niezalenych połówkach ekranu ( split-screen ).

Oscyloskop ze zmiennym czasem powiaty stosuje si : do obserwacji przebiegów wolnozmiennych, w sposób wolny od migotania obrazu na ekranie: przy porównaniu przebiegów o stale zmieniajcym si kształcie; do pamitania przebiegów jednorazowych; w celu uzyskania obrazów o podwyszonym kontracie. W takim oscyloskopie czas powiaty jest płynnie regulowany w przedziale czasu od ułamka sekundy do kilku minut, przy normalnej jaskrawoci obrazu, a przy małej jaskrawoci a do jednej godziny. Obraz zaszumiony mona oczyci przez kolejne nakładanie na siebie poszczególnych rozcigów ( sweep ) podstawy czasu. Chaotyczny szum za kadym rozcigiem wypada w innym miejscu ekranu, a przebieg właciwy stale nakładany na siebie kumuluje si. Oscyloskop z lamp o szybkim przenoszeniu obrazu stosuje si przy pomiarach bardzo szybkich przebiegów jednorazowych, a przy pracy wielorodzajowej (tj. bistabilnej i ze zmiennym czasem powiaty) do pomiarów ju omówionych. Podstawowe parametry oscyloskopu z lamp pamitajc s nastpujce : wszystkie parametry oscyloskopu analogowego ( pasmo, współczynniki czasu, liczba kanałów współczynniki czasu i odchylania itd. );

rodzaj pamici ( bistabilna, ze zmiennym czasem powiaty, szybka, szybka wielorodzajowa ); maksymalna szybko wpisywania ( storage writing speed ); czas pamitania ( viewing time ). Przez maksymaln szybko wpisywania rozumiemy maksymaln szybko plamki rysujcej obraz przebiegu jednorazowego, który moe by zapamitany, a nastpnie zobrazowany na ekranie. Czas pamitania zaley od jaskrawoci ogldanego obrazu, zapamitanego przez lamp oscyloskopow. Czasem mniejsza jest jaskrawo ogldanego obrazu, tym dłuszy jest czas jego pamitania. Stosunek czasu pamitania obrazu bladego do czasu obrazu o pełnej jaskrawoci moe by 1h : 15s. Producenci oscyloskopów zazwyczaj definiuj czas pamitania obrazu o pełnej jaskrawoci. Czas niezbdny do usunicia zapamitanego obrazu ( erase time ) zaley od typu lampy oraz wybranego rodzaju pamici i waha si od 0,3 do 2s. Maksymalna szybko wpisywania jednorazowego przebiegu sinusoidalnego wyraa si wzorem:

fHy π=υ ( 1.9 ) przy czym: vy - prdko plamki w kierunku osi Y; H – warto midzyszczytowa obrazu przebiegu sinusoidalnego; f- czstotliwo.

Jeeli vy >> vx , to maksymalna szybko wpisywania jednorazowego przebiegu impulsowego jest

rtH.80=υ

( 1.10 )

przy czym: vx = 1/Kt - prdko plamki w kierunku osi X; v – maksymalna szybko wpisywania; H – wysoko wyrazu impulsu na ekranie; Kt - współczynnik czasu; tr - zmierzony na ekranie czas narastania przebiegu.

1.6. Oscyloskop cyfrowy

1.6.1. Schemat blokowy Na rysunku 1.21 pokazano schemat blokowy oscyloskopu analogowo-cyfrowego. W zalenoci od połoenia przełcznika P1 oscyloskop ten moe pracowa jako klasyczny oscyloskop analogowy lub jako oscyloskop cyfrowy. W oscyloskopie o jednym tylko cyfrowym rodzaju pracy brak jest toru wzmacniacza Y z lini opóniajc, a wyjciowy wzmacniacz moe mie wzgldnie małe pasmo, znacznie mniejsze ni pasmo sygnału przed jego cyfrowym przetworzeniem. Mniejsze jest równie pasmo wyjciowego wzmacniacza X, a podstawa czasu jest wyłcznie cyfrowa. Wielu producentów w oscyloskopie wyłcznie cyfrowym zamiast lampy oscyloskopowej stosuje kineskop monochromatyczny ( jednobarwny ) lub kolorowy.

Rys.1.21. Oscyloskop analogowo-cyfrowy

Oscyloskop cyfrowy bez wbudowanej lampy oscyloskopowej ( lub kineskopu ) nosi nazw cyfrowego rejestratora przebiegów ( waveform digitizer ). Do zobrazowania przebiegu jest tu niezbdny zewntrzny monitor z lamp obrazow. W schemacie blokowym badany przebieg jest doprowadzony do analogowego wzmacniacza wejciowego, zawierajcego tłumiki, układy zmiany sprenia ( wejcie zmienno- lub stałoprdowe) i przesuwu pionowego. Wyjciowy sygnał ze wzmacniacza wejciowego steruje wzmacniacz Y z lini opóniajc ( tylko w wersji oscyloskopu analogowo-cyfrowego ), układ próbkujco-pamitajcy ( s/h – sample and hold ) oraz

wzmacniacz sygnału synchronizujcego. W układzie PP zostaje pobrana i zapamitana analogowa warto chwilowa przebiegu w chwili jego próbkowania. O chwili próbkowania i czstotliwoci próbkowania decyduje układ sterowania logicznego. Zapamitana w postaci analogowej wartoci chwilowa przebiegu zostaje nastpnie przetworzona w słowo cyfrowe w przetworniku analogowo-cyfrowym. Długo słowa ( ilo bitów w słowie) decyduje o zdolnoci rozdzielczej oscyloskopu cyfrowego. Tak np. przy słowie 8-bitowym zdolno rozdzielcza w kierunku osi Y wynosi 1:28 = 1:256. Oznacza to, e cigły przebieg analogowy został podzielony na 256 dyskretnych odcinków. Słowo cyfrowe, odpowiadajce jednej pobranej próbce przebiegu, zostaje zapamitane w pamici cyfrowej. W celu zapamitania całego przebiegu naley pobra wiele próbek w odstpach czasu wynikajcych z czstotliwoci próbkowania. Czym wiksza jest liczba próbek, na jaki został podzielony mierzony przebieg, tym drobniejsze szczegóły przebiegu mog by zapamitane, a nastpnie odtworzone. Liczba próbek, na jak został podzielony przebieg, nosi nazw rekordu ( porcji danych ). W oscyloskopach cyfrowych spotyka si rekordy o długoci od 512 słów ( 29 ) do wielu tysicy, a nawet milionów słów, przy stosowaniu zewntrznych pamici masowych ( np. na dyskach magnetycznych ). Kada próbka jest reprezentowana jest słowem n-bitowym. Raz zapamitany przebieg, po pobraniu go z pamici cyfrowej, steruje układem rekonstrukcji przebiegu. Układ ten zawiera midzy innymi przetwornik cyfrowo-

analogowy. Na ekranie lampy oscyloskopowej uzyskujemy obraz przebiegu w postaci kropek, o których połoeniu w kierunku osi pionowej decyduje przetwornik cyfrowo-analogowy, a w kierunku osi poziomej – generator cyfrowej podstawy czasu.

Generator cyfrowej podstawy czasu działa na zasadzie zliczania impulsów, których czstotliwo jest precyzyjnie okrelona przez zegar, zazwyczaj zrealizowany w postaci oscylatora kwarcowego. Dziki temu w oscyloskopie cyfrowym mona uzyska dokładno podstawy czasu z błdem mniejszym ni 0,01%.

Mierzony przebieg powtarzalny moe by w pamici zamroony na stałe i pomimo odjcia sygnału od wejcia oscyloskopu moe by odtwarzany dowolnie długo na ekranie ( stored trace ). Przy tym sposobie pracy oscyloskopu cyfrowego zmiany wystpujce w sygnale w trakcie pomiarów po czasie jego zamroenia nie s widoczne.

Moliwe jest uzyskanie obrazu aktywnego ( active trace ) przez stałe kasowanie zawartoci pamici i ponowne jej wypełnianie sygnałem o aktualnym w danej chwili kształcie. Przebieg jednorazowy moe by odtwarzany oczywicie tylko przy pracy z zamroeniem. Wzmacniacz sygnału synchronizujcego pobiera sygnał mierzony w postaci analogowej i przesyła go do układów sterowania logicznego i podstawy czasu w celu zsynchronizowania ich pracy z badanym przebiegiem. Układ sterowania logicznego zarzdza prac całego oscyloskopu cyfrowego.

1.6.2. Techniki próbkowania

Wybór techniki próbkowania w głównej mierze zaley od rodzaju przebiegu mierzonego, czy jest on jednorazowy (niepowtarzalny), czy te powtarzalny. Podstawowe techniki próbkowania omówiono w p.1.4. W celu przyspieszenia procesu próbkowania przebiegów powtarzalnych w oscyloskopach cyfrowych jest stosowana metoda próbkowania sekwencyjno-przypadkowego ( random repetitive sampling, multiple point random sampling ). Metoda ta róni si od próbkowania przypadkowego tym, e w kadym cyklu próbkowania pobieranych jest kilka próbek, przez co mniejsz liczb razy naley przeprowadzi zbieranie danych ( data aquisition ). Liczba próbek, jaka moe by jednoczenie pobrana w czasie jednego cyklu, równa si ilorazowi czasu trwania odtwarzanego na ekranie odcinka przebiegu do okresu impulsów próbkujcych. Zasad działania próbkowania sekwencyjno-przypadkowego pokazano na rys. 1.22. Z rysunku wida, e na złoenie przebiegu składajcego si z 15 kropek wystarczyły 4 cykle zbierania danych, nie za 15, jakich by wymagała zwykła metoda próbkowania przypadkowego. Na rysunku 1.23 pokazano obraz sinusoidy, uzyskany po kolejnym cyklu zbierania danych.

Rys.1.22. Próbkowanie sekwencyjno-przypadkowe.

Próbkowanie przypadkowe lub sekwencyjno-przypadkowe maj t wad, e niektóre punkty przebiegu bd próbkowane kilkakrotnie, podczas gdy inne bd wymagały wielu

cykli zbierania danych, aby pobra ten punkt tylko raz. To ograniczenie przedłua do piciu razy niezbdny czas zbierania danych.

Czstotliwo próbkowania Spróbujmy teraz okreli, jaka powinna by liczba próbek, na które rozkładamy badany przebieg. Ju z rys. 1.23 widzimy intuicyjnie, e czym wiksza jest liczba próbek przypadajcych na jeden przebieg, tym wierniej bdzie on odtworzony. Wzgldy techniczne ograniczaj jednak liczb próbek do wartoci skoczonej. Twierdzenie o próbkowaniu Shannona-Nyquista mówi o moliwoci odtworzenia przebiegu z jego dyskretnych próbek. Według tego twierdzenia, jeeli widmo sygnału jest ograniczone do górnej czstotliwoci ƒ2 ( tzn. e brak jest składowych czstotliwoci wikszych ni ƒ2 ), to dla wiernego odtworzenia przebiegu czstotliwoci próbkowania ƒs

musi by wiksza od wartoci 2 ƒ2. 22 ffs ≥ ( 1.11)

przy czym: ƒs – czstotliwo próbkowania ; ƒ2 - najwysza składowa czstotliwoci w widmie mierzonego przebiegu. Z twierdzenia tego wynika, e tylko dwie próbki wystarcz do odtworzenia sinusoidy o czstotliwoci maksymalnej dla danego oscyloskopu. Intuicyjnie wydaje si, e dla uytecznego zobrazowania sinusoidy potrzeba jednak wicej próbek ni dwie, i tak jest istotnie. Do sprawy tej wrócimy w dalszej czci, przy omawianiu tworzenia obrazu przebiegu na ekranie.

Maksymalna czstotliwo próbkowania jest głównie ograniczona przez szybko działania przetwornika analogowo-cyfrowego i przez układy pamitajce, a jest wyraana w megapróbkach/s ( stosowane s przez róne firmy nastpujce oznaczenia milionów próbek /samples/ przypadajcych na jedn sekund: MS/s; MSa/s; MHz ). Jedn z najwikszych czstotliwoci ( rok 1992 ) ma oscyloskop cyfrowy firmy Hewlett-Packard typ HP 54721A ( pasmo 1,1 GHz, czstotliwo próbkowania 4 GS/s ). Mierzony przebieg, zamieniony na cig próbek, jest zapamitany w jednym rekordzie o długoci N słów. Jeeli cały rekord jest zobrazowany na ekranie, to obraz przebiegu składa si z N kropek.

N = 2n (1.12 ) przy czym: N – długo rekordu ( tj. liczba próbek, na które został rozłoony mierzony przebieg ); n – 1,2,.....( zazwyczaj n ≥ 9 ). Przy rejestracji przebiegu jednorazowego najkrótszy odcinek przebiegu, jaki moe by zarejestrowany, jest

maxmin

sfN

T = ( 1.13 )

przy czym: ƒs max - maksymalna czstotliwo próbkowania. Na przykład przy maksymalnej czstotliwoci próbkowania 20 MS/s ( okres próbkowania 50ns )

iN = 210 = 1024 Tmin = 1024 ∗ 50ns = 51,2 µs

Jeeli na osi X – 10 cm ( typowa warto dla wielu oscyloskopów ) umieci 1000 próbek z rekordu, wtedy najszybsza podstawa czasu zdolna do rejestracji przebiegu jednorazowego bdzie miała współczynnik czasu równy:

50 µs : 10 cm = 5 µs/cm Przy szybszych podstawach czasu i nie zmienionej długoci rekordu mona bdzie mierzy tylko przebiegi powtarzalne, rejestrowane w systemie próbkowania w czasie ekwiwalentnym. Przy wolniejszych podstawach czasu i stale tej samej długoci rekordu (w naszym przykładzie 1000 próbek na 10 cm osi X ), wraz ze wzrostem wartoci współczynników czasu musi mie czstotliwo próbkowania zgodnie z wyraeniem

dzK

Nf

ts 10

10

⋅= (1.14)

Przy czym ƒs - czstotliwo próbkowania; N10 - długo rekordu dla 10 działek osi X; Kt· - współczynnik czasu ( czas/dz ); dz – działka osi X ( np. 1 dz = 1 cm ). Na przykład dla współczynnika czasu równego 50 µs/dz i długoci rekordu N10 = 1000 czstotliwo próbkowania

ƒs = 1000 : (50 µs/dz ∗ 10 dz ) = 2 MHz Jeeli przyj, e maksymalna, teoretyczna górna warto czstotliwoci mierzonego sygnału ƒ2 nie moe przekroczy 1/2 wartoci czstotliwoci próbkowania, a dla współczynników czasu 5 µs/dz czstotliwo próbkowania wyniosła 20 MHz ( okres 50 ns ), natomiast dla współczynnika czasu 50 µs/dz tylko 2 MHz ( okres 500 ns ), to odpowiednio ƒ2 = 10 MHz i 1 MHz. Widzimy zatem, e przy rejestracji w pamici

cyfrowej przebiegu jednorazowego pasmo oscyloskopu maleje wraz ze zmniejszaniem si prdkoci podstawy czasu. Czym wolniejsza jest podstawa czasu, tym wsze jest pasmo oscyloskopu. Jest to właciwo nie znana w oscyloskopie analogowym. Jeszcze raz zwracamy przy tym uwag, e czstotliwo ƒ2 = o,5 ƒs ma znaczenie tylko teoretyczne, a pasmo uyteczne jest znacznie mniejsze od 0,5 ƒs .

Wychwytywanie zaburze krótkotrwałych (glitch capture) Krótkotrwałe zaburzenia, zwłaszcza za wystpujce w sposób przypadkowy, s kłopotliwe i trudne do zarejestrowania. Jeeli zaburzenia te s krótkotrwałe w stosunku do podstawowego przebiegu, który badamy, to moe zaj taka sytuacja, e warto współczynnika czasu ( czas/dz ), wygodna do pomiaru przebiegu podstawowego, moe by nie przydatna do cyfrowego zarejestrowania takiego zaburzenia. Rozwaamy dla przykładu pomiar przebiegu podstawowego przy współczynniku czasu 0,1 ms/dz, na który jest nałoone jednorazowe zaburzenie o czasie trwania 1 µs. Zgodnie z wyraeniem ( 1.13 ) dla rekordu o długoci N10 = 1000 czstotliwo próbkowania

ƒs = 1000 : ( 1 ms/dz ∗ 10 dz ) = 10 kHz Odstp midzy kolejnymi próbkami równa si 1 : ƒs = 1 : 10 kHz = 100 µs. Odstp ten jest 100 razy wikszy ni szeroko zaburzenia w naszym przykładzie. Prawdopodobiestwo, e zaburzenie wystpi akurat w chwili próbkowania i zostanie wychwycone, wynosi tylko 1 : 100! S to bardzo słabe szanse na wychwycenie tego zaburzenia. Niektóre firmy

rozwizały ten problem w sposób nastpujcy. Próbkowanie zawsze odbywa si z maksymaln czstotliwoci, niezalenie od wartoci ustawionego współczynnika czasu. Czstotliwo pracy zegara próbkujcego jest stała, całkowicie nie zwizana z ustawionym współczynnikiem czasu. Natomiast rejestracja pobranych w nadmiarze próbek w stosunku do stałej długoci rekordu odbywa si z czstotliwoci zgodn ze wzorem ( 1.13 ). Czstotliwo ta wyznacza odcinek czasu Ts midzy kolejnymi kropkami na ekranie. Oczywicie, gdy zaburzenie jest krótsze od czasu Ts , wówczas kształt tego zaburzenia nie bdzie w pełni odtworzony. Zaburzenie moe by odtworzone za pomoc tylko trzech kropek : warto minimalna na pocztku zaburzenia, warto maksymalna, warto minimalna na kocu zaburzenia, pobrana jest w nastpnym odcinku czasu. Informacja o tym, e zaburzenie wystpuje pomimo nie odtworzenia jego kształtu, umoliwia podjcie kolejnych kroków w celu uchwycenia tego zaburzenia z lepsz zdolnoci rozdzielcz. Metoda ta w literaturze angielskiej jest nazywana peak detection mode ( w skrócie peak-det-mode ).

Praca z obwiedni ( envelope mode, peak detect mode )

Rys.1.24. Praca z obwiedni.

Jeeli poprzednio opisan metod zastosowa do sygnałów powtarzalnych, to przez zapamitanie maksymalnych i minimalnych odchyle kadego punktu na przebiegu, w czasie wielokrotnego powtarzania, zbierania danych, mona zarejestrowa zmiany kształtu sygnału zachodzce w czasie przeznaczonym na t wielokrotn rejestracj sygnału. Przykład obrazu zmian kształtu sinusoidy pokazano na rysunku 1.24.

Praca z obwiedni znajduje te zastosowanie do pomiarów sygnałów z fal non, zmodulowanych amplitudowo ( rys. 1.25 ) oraz do wykrywania przeinaczenia ( aliasing ). Zjawisko to wystpuje przy próbkowaniu z czstotliwoci mniejsz od dwukrotnej czstotliwoci przebiegu i bdzie dokładniej omówione przy opisie tworzenia obrazu.

Rys. 1.25. Przebieg w.cz. zmodulowany amplitudowo: a) obraz na ekranie oscyloskopu analogowego, b). obraz na oscyloskopie cyfrowym przy pracy normalnej, c) przy pracy z

obwiedni

Na rysunku 1.25 pokazano przebieg w.cz. zmodulowany amplitudowo. Zdjcie pierwsze pokazuje obraz widoczny na ekranie oscyloskopu analogowego. Oscyloskop jest synchronizowany do sygnału modulujcego małej czstotliwoci. Wntrze przebiegu jest wypełnione jednolitym tłem, na co składaj si dwie przyczyny: fala nona w.cz. nie jest synchroniczna z obwiedni i stale si przesuwa (płynie) w stosunku do obwiedni, zamazujc całe wntrze obrazu. Po drugie stosunek czstotliwoci fali nonej do czstotliwoci sygnału obwiedni wynosi wiele tysicy i nawet gdyby oba przebiegi były ze sob synchroniczne, ze wzgldu na skoczon rozdzielczo lampy oscyloskopowej (grubo plamki wietlnej ) i tak obraz wntrza byłby jednolity. Na zdjciu drugim pokazano obraz na oscyloskopie cyfrowym przy pracy normalnej. Na skutek zjawiska przeinaczania, jakie zachodzi poniewa czstotliwo próbkowania jest za mała w stosunku do czstotliwoci fali nonej, sygnał w. cz. wypełniajcy wntrze obrazu wydaje si by przebiegiem o znacznie mniejszej czstotliwoci ni jest w rzeczywistoci. Zdjcie drugie jest bardzo mylce. Informacja w nim zawarta ( czstotliwo fali nonej ) jest błdna. Dopiero przy pracy z obwiedni uzyskujemy w oscyloskopie cyfrowym prawidłowy obraz dla danego przebiegu ( zdjcie 3 ).

Układ próbkujco-pamitajcy Zasada pracy układu próbkowania w oscyloskopie cyfrowym jest podobna do pracy

analogowego oscyloskopu próbkujcego. Podstawowa rónica polega na tym, e w oscyloskopie analogowym chodziło głównie o uzyskanie szerokiego pasma (ponad 1 GHz), co było zwizane z generacj jak najwszego impulsu próbkujcego przy wzgldnie małej czstotliwoci próbkowania (kilkaset kHz). W oscyloskopie cyfrowym rejestracja krótkotrwałych przebiegów jednorazowych wymaga próbkowania w czasie rzeczywistym z du czstotliwoci próbkowania. Oczywicie, e w cyfrowym oscyloskopie o pamie kilkuset MHz problemy techniczne kumuluj si – impuls próbkujcy musi by wski, czstotliwo próbkowania dua. Obecnie stosuje si dwie techniki: próbkowanie i pamitanie (sample and hold) oraz próbkowanie ze ledzeniem i pamitaniem (track and hold). Ta druga metoda stosowana jest przy małych czstotliwociach, przy których przełcznik próbkujcy moe by włczony w układ sprzenia zwrotnego w celu zmniejszenia nieliniowoci próbkowania. W układzie ledzco-pamitajcym przełcznik próbkowania jest zamknity na wzgldnie długi czas, dłuszy od czasu jego otwarcia. W czasie zamknicia przełcznika napicie na kondensatorze pamitajcym ledzi ( nada ) za napiciem badanego przebiegu. W układzie ledzenia pasmo układu jest ograniczone przez rezystancj ródła i pojemno pamitajc.

W oscyloskopie cyfrowym o duym pamie musi by stosowana metoda próbkowania i pamitania. Przełcznik próbkujcy zamyka si na tak krótko, jak to jest moliwe, pobierajc tylko mał cz ładunku ze ródła. Ten ładunek po scałkowaniu w kondensatorze pamitajcym wytwarza na nim napicie proporcjonalne do redniej wartoci sygnału mierzonego w odcinku czasu próbkowania. Ta metoda próbkowania rozwizuje kwesti pasma, ale stwarza nowy problem: sprawno próbkowania jest mniejsza od jednoci.

Uwagi uzupełniajce o czstotliwoci próbkowania

Rys. 1.26. Zmiana szybkoci próbkowania umoliwiajc zagszczenie próbek w

miejscach szybkich zmian sygnału. Nowym rozwizaniem, stosowanym w niektórych cyfryzatorach, jest przełczana w trakcie zbierania danych czstotliwo próbkowania ( ASR – Adaptive Sample Rate ). Typowym przykładem zastosowania tej metody jest zagszczenie próbek w szybkozmiennych fragmentach przebiegu oraz ich rozrzedzenie we fragmentach powolnych ( rys. 1.26 ).

Umoliwia to popraw rozdzielczoci obrazu przy nie zmienionej długoci rekordu. Przy opcji z rekordem o długoci 512 K słów, dla wielu przebiegów spotykanych w praktyce, zostaje zapamitanych tyle danych, ile by przy normalnym sposobie próbkowania zajło pami 30 M słów. Przy próbkowaniu przebiegów powtarzalnych w czasie ekwiwalentnym wprowadzono pojcie ekwiwalentnej czstotliwoci próbkowania ( equivalent sampling rate )

dzKN

ft

eq 1010

⋅= ( 1.15 )

przy czym: N10 – długo rekordu dla dziesiciu działek osi X, tj. liczba próbek w kierunku osi poziomej; Kt -współczynnik czasu ( czas/dz ).

We wzorze tym przyjto długo osi X równ 10 działek. Maksymaln czstotliwo ekwiwalentn oznaczymy ƒeg max , a naley j obliczy przy minimalnej wartoci współczynnika czasu. Odwrotno tej czstotliwoci nazwiemy zdolnoci rozdzielcz oscyloskopu. Oscyloskop HP 54100A przy czstotliwoci próbkowania w czasie rzeczywistym 40 MS/s ma ekwiwalentn czstotliwo próbkowania 100 GHz i zdolno rozdzielcz 1 : 100 GHz = 10 ps.

Ekwiwalentn czstotliwo próbkowania moemy okreli w ten sposób, e jest to taka czstotliwo, jaka byłaby niezbdna do cyfrowego zarejestrowania przebiegu jednorazowego w czasie realnym przy najszybszej podstawie czasu i liczbie kropek

równej długoci rekordu przydzielonego do zapamitania przebiegu zajmujcego pełn długo osi X ( np. 10 działek).

Synchronizacja W oscyloskopie cyfrowym impulsy próbkujce s sterowane przez zegar cyfrowy z czstotliwoci zegara lub jego podwielokrotnoci. Impulsy próbkujce nie s zatem zsynchronizowane z przebiegiem mierzonym. Przy rejestracji przebiegu jednorazowego dokładne połoenie impulsu

5. Pomiary oscyloskopowe Oscyloskop umoliwia obserwacj przebiegów sygnałów elektrycznych i wyznaczenie parametrów tych sygnałów na podstawie obserwowanej na ekranie krzywej. W szczególnoci mona wyznaczy warto maksymaln, minimaln, midzyszczytow, redni. Dokładno wyznaczenia tych parametrów zaley m.in. od czułoci kanału Y. Poprzez przełczenie wejcia kanału Y przez kondensator mona usun z badanego przebiegu składow stał i obserwowa tylkom składow zmienn. Aby na podstawie odległoci pionowej Y midzy punktami na ekranie okreli odpowiadajc im rónic wartoci napi UY naley posłuy si wzorem

UYY DYU ⋅= gdzie DUY jest współczynnikiem odchylania kanału Y Błd wyznaczenia wartoci napicia UY zaley od dokładnoci pomiaru odległoci na ekranie ∆Y oraz od dokładnoci okrelenia współczynnika odchylania kanału Y - ∆DUY

∆

+∆±=∆

UY

UY

Y

Y

DD

YY

UU

Najistotniejszy jest zwykle pierwszy składnik błdu pomiaru. Przykładowo dla Y = 40mm i dokładnoci odczytu ∆Y = 1 mm, składnik ten wynosi 2,5%. Analogicznie mona zmierzy za pomoc oscyloskopu długo odcinka czasowego τX przez pomiar odległoci X midzy punktami na ekranie i przemnoeniu jej przez współczynnik podstawy czasu Dtx

txX DX ⋅=τ Błd tego pomiaru opisany jest zalenoci

∆

+∆±=∆

tx

tx

X

X

DD

XX

ττ

Stosujc oscyloskop mona zmierzy kt przesunicia fazowego midzy dwoma sygnałami o identycznej czstotliwoci dwoma sposobami: za pomoc oscyloskopu dwukanałowego – mierzc odległo midzy punktami

charakterystycznymi mierzonych sygnałów, np. minimami, za pomoc figur Lissajous Ide pierwszej metody pomiarowej przedstawiono na rys.19.

Xτ

XT

UA

UB

Rys.19. Idea pomiaru przesunicia fazowego za pomoc oscyloskopu dwukanałowego.

Przesunicie fazowe ϕX midzy sygnałami mierzonymi UA oraz UB wyznacza si ze wzoru

360⋅=T

X XXτϕ

Błd pomiaru przesunicia fazowego wynika z dokłdnoci wyznaczenia odległoci midzy punktami charakterystycznymi mierzonych sygnałów oraz od dokładnoci wyznaczenia okresu badanych sygnałów

∆

+∆

±=∆

T

T

X

X

XX

XX

τ

τ

ϕϕ

Przy pomiarze przesunicia fazowego metod figur Lissajous, jeden sygnał UA podawany jest na wejcie kanału X, a drugi UB na wejcie kanału Y. Sygnały te opisane s wzorami

( )tUU AmA ⋅⋅= ωsin ( )XBmB tUU ϕω +⋅⋅= sin

A zatem wychylenie plamki w kanale X opisane jest zalenoci ( ) ( )tXtUSUSX mAmXAX ⋅⋅=⋅⋅⋅=⋅= ωω sinsin

natomiast wychylenie w kanale Y wynosi ( ) ( )XmXBmYBY tYtUSUSY ϕωϕω +⋅⋅=+⋅⋅⋅=⋅= sinsin

Łczc powysze zalenoci otrzymuje si ( ) ( ) ( ) ( )[ ]XXm ttYY ϕωϕω sincoscossin ⋅⋅+⋅⋅⋅=

( ) ( ) ( ) ( )XXm

ttYY ϕωϕω sincoscossin ⋅⋅=⋅⋅−

Podnoszc obie strony powyszej zalenoci do kwadratu i uwzgldniajc, e ( )

mXX

t =⋅ωsin otrzymuje si ostatecznie wzór opisujcy krzyw drugiego stopnia (elips)

( ) ( )XXmmmm YX

YX

X

X

Y

Y ϕϕ 22

2

2

2

sincos2 +⋅⋅⋅⋅=+

Z wykresu krzywej odpowiadajcej powyszemu opisowi wynika, e warto przesunicia fazowego ϕX mona wyznaczy na podstawie pomiaru na ekranie oscyloskopu długoci elipsy odpowiadajcej dla zerowej wartoci rzdnej (Y = 0) X0 oraz maksymalnej długoci rzutu elipsy na o odcitych Xm. Ilustruje to rys. 20. Znajc te dwie wartoci, przesunicie fazowe mona wyznaczy ze wzoru

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5

X

Y

Xm

X0

Rys.20. Definicje wielkoci wystpujcych w opisie pomiaru przesunicia fazowego

metod krzywych Lissajous.

±=

mX X

Xarc 0sinϕ

Błd wyznaczenia wartoci przesunicia fazowego t metod opisany jest wzorem

20

00

1

−⋅

∆⋅−∆±=∆

mm

mm

X

XX

X

XXX

Xϕ

Dla szczególnych wartoci przesunicia fazowego krzywe Lissajous przyjmuj szczególne kształty: dla ϕX = π oraz dla ϕX = π - wykresem jest prosta dla ϕX = 0,5.π oraz dla ϕX = 1,5.π - wykresem jest okrg Podobnie jak pomiar przesunicia fazowego, take pomiar czstotliwoci moe by wykonywany przez odczyt czasu trwania okresu mierzonego sygnału z ekranu oscyloskopu lub metod figur Lissajous. W przypadku zastosowania pierwszej z wymienionych metod naley zmierzy na ekranie oscyloskopu odległo midzy odpowiednimi punktami charakterystycznymi przebiegu lecymi w ssiednich okresach, pomnoy j przez czuło odchylania poziomego. Odwrotno otrzymanego iloczynu jest czstotliwoci badanego przebiegu. Z kolei pomiar czstotliwoci metod figur Lissajous wymaga podanie na kanał X oscyloskopu z generatora o regulowanej czstotliwoci przebiegu wzorcowego

( )tfmXX wzm ⋅⋅⋅⋅⋅= π2sin natomiast na kanał Y sygnału mierzonego

( )( )ϕπ +⋅⋅⋅⋅⋅= tfnYY wzm 2sin gdzie m oraz n s liczbami naturalnymi. Jeeli przyj przykładowo, e m=1 a n=2, to z przekształcenia równania ( ) otrzymuje si

( )m

wz XX

tf =⋅⋅⋅π2sin

oraz ( )( )ϕπ +⋅⋅⋅⋅⋅= tfYY wzm 22sin

A zatem na ekranie oscyloskopu pojawi si krzywa opisana zalenoci ( ) ( )ϕϕ ⋅+⋅⋅

−⋅⋅⋅+=

−⋅⋅ 2sin2sin12214 2

2

2

2

2

2

2

2

2

mmmmm XX

YY

YY

XX

XX

W ogólnoci, na ekranie oscyloskopu otrzyma si stabilny obraz tylko wtedy stosunek czstotliwoci sygnałów podanych na wejcia kanału X i kanału Y jest liczb wymiern. Kształt otrzymanej krzywej zaley od amplitud, stosunku czstotliwoci oraz przesunicia fazowego midzy sygnałami mierzonym i wzorcowym. Stosunek czstotliwoci sygnału w kanale Y do czstotliwoci w kanale X wyznacza si jako iloraz liczby punktów przeci krzywej z osi odcitych do iloci przeci z osi rzdnych. Przy czym osie naley tak ustawi, aby nie przechodziły przez punkty wzłowe krzywych Lissajous. Błd wzgldny pomiaru czstotliwoci t metod jest jest równy błdowi wzgldnemu wyznaczenia czstotliwoci wzorcowej. Przykładowe kształty krzywych Lissajous

odpowiadajce rónym wartociom współczynników m oraz n oraz zerowemu przesuniciu fazowemu midzy sygnałem mierzonym i wzorcowym przedstawiono na rys. 21.

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5

XY

n = 3m = 1

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5

X

Y

n = 1m = 2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5

X

Y

n = 3m = 2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

-1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5

X

Y

n = 2

m = 1

Rys.21. Przykładowe kształty krzywych Lissajous odpowiadajce rónym wartociom

ilorazu czstotliwoci mierzonej i wzorcowej przy zerowej wartoci przesunicia fazowego midzy nimi.