3. Osciloscopul - ERASMUS Pulsecomm.pub.ro/~arusu/METc/Prezentari curs/prezentare 3 METC...Cuprins Utilitate, clasificare, schema bloc Analog vs. digital ? (A) Tubul catodic (TK) realizare

3. Osciloscopul

3.1 Prezentare generală

Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii

Cuprins

Utilitate, clasificare, schema bloc

Analog vs. digital ?

(A) Tubul catodic (TK) realizare

sensibilitatea în regim static

sensibilitatea în regim dinamic

TK cu memorie electrostatică

(B) Canalul Y caracteristici

schemă bloc şi reglaje

divizorul calibrat şi compensat

osciloscoape cu mai multe canale verticale

(C) Canalul X caracteristici, moduri de lucru

schemă bloc

baza de timp

modul XY

Clasificare

Osciloscopul analogic Normal (frecvenţe mici – medii)

Cu eşantionare (frecvenţe mari)

Osciloscopul numeric Cu eşantionare

îl studiem în anul 3 - IEM

Reglajele de bază (X, Y, trigger) sînt foarte asemănătoare ! Funcțiile de bază sînt aproape identice.

Istoric

Sursa: Philips - 1940

Istoric

1897: Karl Ferdinand Braun inventează tubul catodic (Cathode Ray Tube – CRT)

1930: tubul catodic cu 2 spoturi (osciloscop cu 2 canale) – A.C. Cossor (Marea Britanie)

1938: Fondarea HP (Hewlett-Packard)

1946: Fondarea Tektronix: Howard C. Vollum şi Jack Murdock inventează osciloscopul sincronizat (Tektronix 511) şi calibrat (cu graticulă); f0=10MHz

1959: osciloscopul cu eşantionare analogică (în timp echivalent); se pot vizualiza semnale de 300MHz cu un osciloscop de bază de 20MHz.

1963: Tektronix inventează tubul cu fosfor bistabil; memorarea imaginii pe un osciloscop analogic

1964: LeCroy: osciloscopul digital cu eşantionare

1978: Tektronix: osciloscop analogic de 1GHz

199x: Osciloscopul digital devine dominant pe piaţă; esantionare > 1GSa/s

1999: Înfiinţarea Agilent Technologies (din divizarea HP)

2008: Agilent Infiniium 90000: primul osciloscop care poate memora mai mult de 1 giga eşantioane

2014: Divizarea Agilent: divizia de instrumentație devine Keysight

Tektronix 511 (1946) OBS: 795$ în 1948 = 7700$

în 2014!

Mai modern (2014)....

150 USD www.gabotronics.com

Și mai modern (2015)....

http://www.jyetech.com/Products/LcdScope/e138.php

DSO138

Osciloscop digital sub formă de kit • 200KHz • 1MSa/s

cost: 20$ cu livrare inclusă: www.aliexpress.com

cumpărați-vă și voi propriul osciloscop!

bonus: învățați să lipiți un montaj !

review: https://www.youtube.com/watch?v=r-jCLpYY5ak

http://www.jyetech.com/Products/LcdScope/e138.php

http://www.aliexpress.com/

https://www.youtube.com/watch?v=r-jCLpYY5ak



Prezentare generală

Osciloscopul este un instrument având ca funcţie principală vizualizarea semnalelor electrice în funcţie de timp.

afişare y(x)

uzual x=t → afişare y(t)

Tensiune

Timp

Intensitate

(Y) Tensiune

(X) Timp

(Z) Intensitate




O altă utilizare - vizualizarea dependenţei unui semnal funcţie de alt semnal - Y(X).

X(t)

t Y(t)

t

T/2 T

T/2

T



Clasificare:

Osciloscoape fără memorie, care sunt folosite în principal pentru vizualizarea semnalelor periodice;

Osciloscoape cu memorie, care permit înregistrarea unui semnal într-o singură apariţie şi memorarea lui pentru a fi vizualizat ulterior.



În funcţie de modul în care se face prelucrarea semnalelor, osciloscoapele pot fi:

analogice (osciloscopul ‘clasic’);

digitale - semnalul este digitizat (transformat în formă numerică), iar apoi poate fi stocat, prelucrat, afişat.



Domeniul de frecvenţă acoperit este

sute de MHz pentru osciloscoapele obişnuite (numite şi ‘de timp real’).

zeci de GHz în cazul osciloscoapelor cu eşantionare, care se bazează pe caracterul repetitiv al semnalelor vizualizate.

3. Osciloscopul

3.2 Schema bloc generală

Măsurări Electrice şi Electronice 2


Schema bloc a osciloscopului

Canal Y

Sistem de

sincronizare

şi bază de

timp

Sistem

de afişaj

YA

YB

TRG

EXT



Canalul Y preia semnalele de la intrare (în figură s-a presupus

un osciloscop cu două canale, deci există două intrări notate cu YA şi YB),

le prelucrează pentru a produce tensiunea necesară sistemului de deflexie pe verticală

livrează şi un semnal pentru sincronizarea internă pentru baza de timp (BT).



Sistem de sincronizare şi bază de timp

asigură sincronizarea imaginii

Imagine nesincronizată Imagine sincronizată



Sistem de sincronizare şi bază de timp

asigură sincronizarea imaginii

Pe ecran se reprezintă un segment de durată limitată al semnalului

Afişarea se reia la anumite intervale de timp

Pentru a crea o imagine stabilă, la fiecare reluare a afişării, ar trebui să fie reprezentat acelaşi conţinut

Semnal periodic => afişarea începe de fiecare dată în acelaşi moment de timp al perioadei semnalului.

creează o referinţă de timp pentru a se putea realiza o scară de timp pe axa orizontală.



Sistemul de afişaj reprezintă grafic imaginea, pe un ecran gradat.

mai pot fi afişate şi unele informaţii referitoare la semnalul vizualizat sau la setările aparatului.

osciloscop analogic -> afişaj cu tub catodic

osciloscop digital -> afişaj cu ecran cu cristale lichide (LCD)

3. Osciloscopul

3.3 Osciloscopul analogic. Schema bloc



Schema bloc a osciloscopului analogic

BT

TRG

EXT

Tub catodic TK

Canal X

Canal Y YA

YB

PAX

ADX

X EXT

Z EXT AZ CS Surse şi

alimentare TK


Tubul catodic

Zona de

postaccelerare

A1 A2 A3 DY

Tun electronic

Zona de

focalizare

Zona de

deflexie

APA

F

DX

K

G

P


Tunul electronic

Are rolul de a genera un fascicol de electroni.

Filament (F)

Catod (K) - generează fascicolul de electroni

Grila (G) - controlul intensităţii fascicolului de electroni (strălucirea imaginii).

Anodul de accelerare (A1) este polarizat la o tensiune înaltă (300-5000V) de obicei fixă în raport cu catodul.

Zona de

postaccelerare

A1 A2 A3 DY

Tun electronic

Zona de

focalizare

Zona de

deflexie

APA

F

DX

K

G

P


Zona de focalizare

Concentrarea fascicolului, pentru a se obține o convergenţă la nivelul ecranului.

Anodul (A2) – este polarizat la o tensiune mai mică decât anodul (tipic 200-700V) – prin modificarea acestei tensiuni se realizează reglajul de focalizare.

Anodul (A3) – reglarea efectului de astigmatism (spotul devine oval în anumite porţiuni ale ecranului).

Zona de

postaccelerare

A1 A2 A3 DY

Tun electronic

Zona de

focalizare

Zona de

deflexie

APA

F

DX

K

G

P


Zona de deflexie

Este alcătuită din perechile de plăci de deflexie verticală şi deflexie orizontală.

Realizează devierea fascicolului de electroni şi deplasarea spotului la nivelul ecranului.

Două posibilităţi de a realiza deflexia:

cu ajutorul unui câmp magnetic prin utilizarea unor bobine de deflexie situate în afara tubului, este folosită la tuburile catodice din televizoare.

la osciloscoape - deflexia electrostatică deoarece se poate lucra la frecvenţe mari.

Zona de

postaccelerare

A1 A2 A3 DY

Tun electronic

Zona de

focalizare

Zona de

deflexie

APA

F

DX

K

G

P


Deflexia pe verticală

Funcţionarea sistemului de deflexie se bazează pe mişcarea electronului în câmp electrostatic.

viteza: vz

momentul: t = 0

tensiunea între plăci: uy

Câmpul electric:

d

α

uy

l L

y(l+L)

Ey

z

y

y

y

uE

d



Rezultă că în interiorul sistemului de deflexie electronul se mişcă pe o traiectorie parabolică.

Electronul îşi continuă mişcarea pe o traiectorie rectilinie, pe direcţia tangentei la parabolă, sub un unghi α:

2

y

z l z

Udy q ltg

dz m d v

d

α

uy

l L

y(l+L)

Ey

z

y

Deflexia electrostatică; sensibilitatea

Paranteză: definiţia sensibilităţii unui aparat de măsură

Sy0= y(l+L)/uy

S0 în regim static pentru uy=ct=U0

d

α

uy

l L

y(l+L)

Ey

z

y

02

y

AC

lLS

dU



Din relaţia sensibilităţii se observă următoarele:

Mărirea tensiunii de accelerare are efect negativ asupra sensibilităţii. Rezultă de aici necesitatea postaccelerării deoarece accelerarea în zona anodului A1 nu poate fi mărită foarte mult.

Mărirea sensibilităţii se poate face prin mărirea lui L, adică prin alungirea tubului. Deoarece se doreşte o sensibilitate mai mare pentru sistemul de deflexie pe y, plăcile de deflexie verticală se dispun înaintea celor de deflexie orizontală.

02

y

AC

lLS

dU



Mărirea raportului l /d ar fi o cale pentru mărirea sensibilităţii. Apare însă pericolul ca electronii sa lovească plăcile de deflexie. Această situaţie se poate evita prin modificarea formei plăcilor:

02

y

AC

lLS

dU

poligonale trapezoidale paraboidale



Mărirea lui l duce la reșterea timpului de zbor al electronilor în interiorul sistemului de deflexie=> impact negativ asupra sensibilității la frecvențe înalte;

Soluţii de creştere a frecvenţei maxime de lucru:

plăci de deflexie multiple: f < 350MHz

plăci de deflexie spiralate: f < 1GHz

Realizarea electrodului de PA

compact: f < 10MHz

spiralat, cu cîmp compact uniform: f = zeci MHz

spiralat+ grila pentru cîmp axial uniform: f = sute MHz

02

y

AC

lLS

dU


Zona de postaccelerare

În cazul tuburilor capabile să lucreze la frecvenţe mai mari de 10 MHz, viteza de deplasare a fascicolului în planul ecranului este foarte mare

durata incidenţei cu un anumit punct al ecranului (şi deci şi energia cinetică transmisă stratului luminiscent) este mică

rezultă o scădere a strălucirii imaginii.

Pentru a evita acest fenomen, este utilă o mărire suplimentară a energiei cinetice a electronilor după sistemul de deflexie.


Zona de postaccelerare

Anod de postaccelerare (APA) polarizat cu o tensiune foarte înaltă (515 kV).

Acest anod se realizează printr-o depunere metalică de formă elicoidală şi cu rezistenţă foarte mare (de ordinul sute de MΩ) pe suprafaţa tronconică a tubului.

Depunerea fiind elicoidală se formează suprafeţe echipotenţiale sferice, care nu modifică traiectoria electronului în zona de postaccelerare.

Zona de

postaccelerare

A1 A2 A3 DY

Tun electronic

Zona de

focalizare

Zona de

deflexie

APA

F

DX

K

G

P

Electrod PA compact/spiralat


Ecranul

Ecranul este format din stratul luminiscent P, din fosfor, depus pe faţa interioară a tubului.

Transformă energia cinetică a electronilor în energie luminoasă cu un randament cât mai bun.

Fenomenele care stau la baza funcţionării ecranului: Fluorescenţă – emisie luminoasă pe durata bombardării

cu electroni;

Fosforescenţă – emisie luminoasă care continuă după încetarea bombardamentului cu electroni.


Graticula (caroiajul)

Grilă gradată în diviziuni şi subdiviziuni, pe orizontală şi pe verticală.

În mod frecvent, sunt:

Nx=10 diviziuni pe orizontală

Ny= 8 diviziuni pe verticală.

Ten

siune

Timp



BT

TRG

EXT

Tub catodic TK

Canal X

Canal Y YA

YB

PAX

ADX

X EXT

Z EXT AZ CS Surse şi

alimentare TK



Canalul X (baza de timp) pe plăcile de deflexie orizontală, în modul y(t), trebuie

aplicat un semnal care să asigure deplasarea pe orizontală a spotului cu viteză constantă deoarece se doreşte să se măsoare timpul.

se aplică o tensiune liniar variabilă (crescătoare), pe durata unei curse directe, generată de baza de timp (BT).

t



Canalul X (baza de timp) O altă funcţiune a bazei de timp constă în generarea

unui semnal care să asigure stingerea spotului pe durata cursei inverse (întoarcerea spotului).

t

3. Osciloscopul

3.4 Schema bloc a osciloscopului digital



Schema bloc a osciloscopului digital

TS

CS

Sistem de

sincronizare şi

bază de timp

Calculator

YA

YB

TRG

EXT

E/M CAN

Monitor

LCD

CS este un bloc analogic de condiţionare a semnalelor de intrare



Blocul de eşantionare/memorare (E/M).

eşantionează semnalul analogic de intrare la intervale egale de timp (TS)

TS

t



Convertorul analog numeric (CAN).

compară amplitudinea fiecărui eşantion cu un pas de cuantizare.

Raportul celor două mărimi, rotunjit la un număr întreg, este rezultatul conversiei.

semnalul va fi reprezentat printr-o succesiune de numere, scrise într-un cod binar.

Se spune că semnalul este digitizat (exprimat în formă numerică).


Digitizarea semnalului

0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000

UM

-UM

0000 0010 0100 0101 0110 0111 0110 0101

Pas de cuantizare



Semnalul digitizat este aplicat unui microcalculator care poate efectua operaţii de:

memorare a unui număr de forme de undă,

prelucrări de semnal pentru îmbunătăţirea calităţii imaginii,

calculul unor parametri ai semnalului (valoare maximă, minimă, eficace, medie, frecvenţa de repetiţie, poziţiile cursorilor de timp sau de tensiune etc.),

asigurarea operaţiilor de interfaţă cu utilizatorul sau cu un calculator.



Microcalculatorul mai primeşte şi informaţiile de timp şi de sincronizare de la sistemul de sincronizare şi bază de timp

care lucrează ca şi în cazul osciloscopului analogic pornind de la semnalul de sincronizare analogic, dar funcţionarea sa diferă în multe privinţe de aceea a blocului omolog din cazul precedent.

Baza de timp furnizează şi semnalul de tact TS cu care face eşantionarea blocul E/M.



Afişarea se face pe un monitor video cu cristale lichide monocrom sau color.

Având în vedere posibilităţile de afişare pe ecran, elementele de reglaj nu mai sunt de regulă inscripţionate pe panoul aparatului, ci sunt afişate direct pe ecran.

Documents

3. Osciloscopul - ERASMUS Pulsecomm.pub.ro/~arusu/METc/Prezentari curs/prezentare 3 METC...Cuprins Utilitate, clasificare, schema bloc Analog vs. digital ? (A) Tubul catodic (TK) realizare