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
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
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
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
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Prezentare generală
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
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Prezentare generală
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.
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Prezentare generală
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.
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Prezentare generală
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.
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Schema bloc a osciloscopului
Canal Y
Sistem de
sincronizare
şi bază de
timp
Sistem
de afişaj
YA
YB
TRG
EXT
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Schema bloc a osciloscopului
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).
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Schema bloc a osciloscopului
Sistem de sincronizare şi bază de timp
asigură sincronizarea imaginii
Imagine nesincronizată Imagine sincronizată
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Schema bloc a osciloscopului
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.
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Schema bloc a osciloscopului
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)
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
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
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Tubul catodic
Zona de
postaccelerare
A1 A2 A3 DY
Tun electronic
Zona de
focalizare
Zona de
deflexie
APA
F
DX
K
G
P
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
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
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
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
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
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
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
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
Măsurări Electrice şi Electronice 2
Deflexia pe verticală
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
Măsurări Electrice şi Electronice 2
Deflexia pe verticală
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
Măsurări Electrice şi Electronice 2
Deflexia pe verticală
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
Măsurări Electrice şi Electronice 2
Deflexia pe verticală
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
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
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.
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
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
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
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.
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
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
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
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
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Schema bloc a osciloscopului analogic
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
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Schema bloc a osciloscopului analogic
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
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
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
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Schema bloc a osciloscopului digital
Blocul de eşantionare/memorare (E/M).
eşantionează semnalul analogic de intrare la intervale egale de timp (TS)
TS
t
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Schema bloc a osciloscopului digital
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).
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
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
Măsurări Electrice şi Electronice 2
Schema bloc a osciloscopului digital
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.
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Schema bloc a osciloscopului digital
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.
Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii
Schema bloc a osciloscopului digital
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.