Měření kmitočtu a tvaru signálů pomocí osciloskopu

Měření kmitočtu a tvaru signálů pomocí osciloskopu Osciloskop nebo také řidčeji oscilograf zobrazuje na stínítku obrazovky nebo LC displeji průběhy připojených elektrických signálů. Speciální konfigurace připojení signálů (X, Y) zobrazuje také závislost jednoho napětí na napětí druhém. Bez zviditelnění elektrických signálů by nebylo možné vyvíjet obvodová řešení, sledovat jejich chování a v neposlední řadě řešit a odstraňovat případné závady. Od základních osciloskopů analogových se v dnešní době dostáváme k osciloskopům digitálním se speciálními funkcemi a v silnoproudé praxi k osciloskopům s vnitřní pamětí analyzujícím průběhy v síti - analyzátorům sítě. Od roku 1947, kdy byl firmou Tektronix (USA) představen první analogový osciloskop (10MHz, 1 kanál) prošel vývoj osciloskopů dlouhou cestou vedoucí ke stále dokonalejším přístrojům. U prvního osciloskopu Tektronix byly aplikovány novinky používané při výrobě osciloskopů i v dnešní době:     

vynucený pracovní bod tranzistoru; diferenční zesilovače; stabilizované napájecí napětí; kalibrovaná spouštěná časová základna; odpovídající impulsní odezva obvodů.

Současné nejmodernější přístroje mohou sledovat signály v časech od několika pikosekund s amplitudou milivoltů. Součástí dnešních osciloskopů je také speciální příslušenství (napěťové a proudové sondy, komunikační rozhraní, zásuvné matematické moduly, softwarové prostředky apod.).

1. Analogové osciloskopy Analogové osciloskopy sice nemají komunikaci s okolím, pokročilé spouštění nebo analýzu sériových sběrnic, ale zaručují věrohodné zobrazení pozorovaného průběhu. Základem je vakuová obrazovka s elektrostatickým vychylováním. Vakuová obrazovka (na obrázku) je tvořena

Blokové schéma zapojení jednokanálového osciloskopu:



Vstupy: o o o

          

YA, YB - vstupní vertikální kanály X - horizontální rozmítání v režimu XY Z - modulace jasu VD1,2 - vstupní dělič VPZ1,2 - vstupní předzesilovač s ovládáním vertikální pozice zobrazeného signálu EP - elektronický přepínač pro zobrazení dvou průběhů současně YZ - koncový vertikální zesilovač pro zobrazení na obrazovce ZL - zpožďovací linka ČZ - časová základna Pext/int - výběr synchronizace časové základny HD - horizontální dělič HPZ - horizontální předzesilovač XY - přepínání signálu na horizontální destičky: časová základna nebo vstup X XZ - koncový horizontální zesilovač pro zobrazení na obrazovce s ovládáním posuvu

Výklad pojmů: Časová základna Časová základna je generátor pilového průběhu, který posunuje pozici aktuálně zobrazovaného bodu na obrazovce zleva doprava. Při návratu doleva (zpětný běh) se obraz zatmí.

Synchronizace Synchronizace spouští časovou základnu. Režimy synchronizace:  časová základna běží vlastní rychlostí  při synchronizačním impulzu se generuje jedna pila Synchronizace může být:  interní - synchronizuje se podle měřeného signálu  externí - synchronizační impulzy se přivádí na samostatný konektor "ext sync" Elektronický přepínač Může pracovat v následujících módech:  Chopper - Vstupy A a B přepíná v kratších úsecích než je doba periody (vlastní nezávislý kmitočet). Průběh by byl zobrazen přerušovaně, pokud by frekvence přepínání byla celočíselným násobkem frekvence signálu. Jinak se průběhy díky dosvitu obrazovky v jednotlivých periodách překryjí.  Alternate - Zobrazuje střídavě celé periody kanálů A a B. Díky dosvitu obrazovky jsou vidět oba. Tento režim je vhodný pro vyšší kmitočty.  Součet obou kanálů  Rozdíl obou kanálů  Jeden kanál A nebo B

Obecný popis panelu dvoukanálového osciloskopu:

2. Digitální osciloskopy Základními parametry digitálních osciloskopů jsou nejen šířka pásma, napěťová citlivost jako u analogových osciloskopů, ale také vzorkovací frekvence, vertikální rozlišovací schopnost (počet bitů A/D převodníku) a velikost paměti. Čím vyšší je vzorkovací frekvence, tím rychlejší signály je možné zaznamenat. Čím větší je počet bitů A/D převodníku, tím menší změny signálu lze zachytit. Čím větší je kapacita číslicové paměti, tím delší časový interval lze zobrazit.

Výhody digitálních osciloskopů: - možnost zachycení jednorázových přechodných jevů - nastavitelná velikost „záporného zpoždění“ (možnost sledování signálu před příchodem spouštěcího impulsu – pretrigger mode) - lepší přesnost - automatický výpočet řady parametrů - tisk a archivace naměřených hodnot - číslicové zpracování výsledků – spektrální analýza - vytvoření pracovišť pro automatizované měření- často se opakující měření- např. výstupní kontrola výrobků. Současné osciloskopy s číslicovou pamětí obsahují zabudovaný mikropočítač. Digitalizovaný signál se již nepřevádí zpět do analogové formy. Je možné jej nahrát do PC a archivovat nebo vytisknout. K zobrazování se používají LCD displeje. Oproti obrazovce to umožnilo výrazné zmenšení rozměrů a váhy přístroje. Rovněž se snížila jeho spotřeba, napájení z baterií není problémem. Osciloskop je tak možné využívat i k servisním činnostem mimo laboratoř. Blokové schéma digitálního osciloskopu VZ- vertikální zesilovač, MUXmultiplexer (přepínač vstupů), A/D – vzorkovač s převodníkem, ČP- číslicová paměť

Druhy a provedení digitálních osciloskopů příklady: 1. Digitální osciloskop TEKTRONIX se šířkou pásma 50 MHz a 2 kanály             

Reálná vzorkovací rychlost 1 GS/s Vertikální citlivost 2 mV/div… 5 V/div s rozlišením 8 bitů Horizontální rozlišení 5 ns/div… 50 s/div Detekce špičky ≥ 12 ns. Délka záznamu 2500 vzorek pro každý kanál Barevný LC displej s úhlopříčkou 145 mm a rozlišením 320x240 bodů TV synchronizace NTSC, PAL a SECAM Rychlá zkouška sondy pro vyloučení problémů při použití Možnost vyvolání pomocné funkce HELP podle kontextu Zabudované rozhraní USB pro přenos dat na PC Provozní teplota 0…50°C Rozměry (ŠxVxH) 326,3 x 158,0 x 124,1 mm Hmotnost samostatného přístroje 2,0 kg

2. Bateriové osciloskopy s galvanicky oddělenými vstupy Bateriové osciloskopy, někdy také nazývané "osciloskopy s galvanicky oddělenými vstupy" umožňují měření na různých napěťových úrovních. Nezávislost na síťovém napětí umožňuje měření v terénu.

3. Grafické multimetry - osciloskop s možností připojení k PC přes USB port               

DC napětí: 400mV / 4V / 40V / 400V / 1000V, přesnost: +/- (0.8%). AC napětí: 4V / 40V / 400V / 750V, přesnost: +/- (1%). DC proud: 400uA / 4000uA / 40mA / 400mA / 4A / 10A, přesnost: +/- (1%). AC proud: 400uA / 4000uA / 40mA / 400mA / 4A / 10A, přesnost: +/- (1.5%). Odpor: 400ohm / 4kohm / 40kohm / 400kohm / 4Mohm / 40Mohm, přesnost: +/- (1%). Kapacita: 40nF / 400nF / 4uF / 40uF / 100uF, přesnost: +/- (3%). Kmitočet: 10Hz ~ 10MHz, přesnost: +/- (0.1%). Vstupní citlivost: 20mV / div-500V / div (1-2-5). Vstupní impedance pro DC: 10Mohm. Šířka pásma: 8MHz. Střída: 0.1% ~ 99.9%. Reálný čas po skocích: 40MS / s. Vertikální přesnost: +/- (5%). Horizontální přesnost: +/- (0.01%). Rozměry: 200 x 100 x 48mm. Hmotnost: 498g.



Napájení: 4x 1.5V bat. (AA). Indikátor baterie. Sleep mód. Test diod, akustický test. Trigger types: volně / normálně / skokově. Paměť: po 10 sec. start. Nastavení jasu a kontrastu. Podsvícení displeje. USB připojení Max. displej 3999 (160 x 160, jednobarevný)

     

4. PC osciloskopy

USB osciloskop disponuje dvěma kanály, kterými je možno snímat signály až do 60 MHz. Plocha obrazovky věrně simuluje obvyklý osciloskop.

             

Funkce automatického nastavení pro automatickou úpravu nastavení na právě měřený signál Měření kurzoru, rozsáhlé trigger funkce FFT analýza (funkce spektrálního analyzátoru) Linie kurzoru s indikací hodnot k měření amplitudy nebo frekvence. Měřící vstupy: Dva oddělené kanály CH1 a CH2 Napájení přes USB kabel Max. vstupní napětí: 32 Vef, vstupní impedance: 1 MOhm. / 50 pF Vstupní vazba: DC – AC – GND Vertikální šířka pásma: 60 MHz. Vzorkovací kmitočet: 150 MS/s Max. kapacita paměti: 32 000 měření (2 kanály) nebo 64 000 měření (1 kanál) Horizontální zobrazení: Auto, Norm, Single Provozní teplota: 0 °C až + 40 °C (rel. vlhkost vzduchu 80 %, nekondenzující Systémové předpoklady - Windows 98 SE nebo vyšší verze (XP), Pentium s min. 640 kB RAM, VGA, CD-ROM, USB 2.0, 40 MB volného místa na pevném disku Rozměry - 208 x 100 x 33 mm, hmotnost 280 g

Měření na osciloskopu 1. Měření napětí Při měření napětí nesmějí být překročeny mezní hodnoty uvedené výrobcem osciloskopu. Při měření napětí rozlišujeme především: • měření stejnosměrného napětí, • měření střídavého napětí, • měření nesinusového napětí • měření vyšších napětí, např. 600 V, s poměrovou sondou. Stejnosměrné napětí: vstupní volič nastavíme na DC (Direct Current = stejnosměrný proud). Citlivost vertikálního zesilovače nastavíme na velký rozsah, např. 20 V/ div (divit = dílek) popř. 20 V/cm. V závislosti na polaritě se elektronový paprsek vychýlí nahoru nebo dolů (obr. 1). Pokud je vychýlení elektronového paprsku příliš malé, nastavíme napětí na dílek (převrácenou hodnotu citlivosti) na nižší hodnotu, např. 2 V/div (tím zvýšíme citlivost). Velikost změřeného napětí se vypočítá násobením výchylky (v dílcích) a citlivosti.

Obr. 1: Měření stejnosměrného napětí

Obr. 2: Měření střídavého napětí

Střídavé napětí: elektronový paprsek je v základní poloze vždy ve středu obrazovky. Vstupní volič nastavíme na AC (alternating current = střídavý proud). Je možno tak číst přímo špičkovou hodnotu, jak kladné půlperiody, tak i záporné půlperiody. Efektivní hodnotu musíme vypočítat.

Obr. 3: Měření nesinusového napětí

Obr. 4: Připojení poměrové sondy k osciloskopu

Měření nesinusového napětí: toto měření je nutné většinou u usměrňovačů. Zde se jedná o napětí, které je tvořeno dvěma složkami, složkou stejnosměrného napětí Ud a střídavou složkou UP. Elektrické oddělení obou napětí provádíme vstupním voličem. Pokud je nastaven na „AC", uzavře kondenzátor na vstupu osciloskopu cestu stejnosměrné složce napětí. Nastavení DC: měření celkového nesinusového napětí Nastavení AC: měření střídavé složky napětí Aby bylo střídavé napětí možno dobře změřit (obr. 3), je třeba nastavit napětí na dílek na menší hodnotu, např. 0,1 V/div. Měření s děličem napětí: jestliže je na osciloskopu nastavena největší citlivost 20 V/cm, je možno na obrazovce 8 cm naměřit maximální napětí 8 cm • 20 V/cm = 160 V. Při vyšších napětích než 160 V je nutné na osciloskop připojit poměrovou sondu, která funguje jako dělič napětí. Sonda na obr. 4 dělí např. napětí v poměru 10:1. Pak změříme napětí nejvýše 1O * 160 V = 1600 V, aniž bychom překročili mezní hodnoty udané výrobcem. Použitím poměrové sondy se zvětší vstupní odpor osciloskopu, např. u sondy 10:1 na desetinásobek. Sondu je třeba porovnat s údaji výrobce. Měření fázového posunu: K znázornění dvou měřených veličin, např. při měření fázového posunu mezi vstupním a výstupním napětím nízkofrekvenčního zesilovače nebo mezi proudem a napětím indukčního spotřebiče, se používá dvoukanálový osciloskop. Měřená veličina U } je zobrazena kanálem I, měřená veličina U 2 kanálem II. Volič na vstupu pro kanály la II je v poloze AC. Stisknutím tlačítka „duál" se na osciloskopu zobrazí dvě stopy. Elektronický přepínač přepíná rychle mezi kanálem I a II, takže vidíme dva nepřerušené průběhy.

Měření v režimu x-y: v tomto režimu se na stínítku osciloskopu objeví Lissajoussův obrazec. Podle jeho tvaru určíme nejen poměr frekvence signálů, ale i jejich vzájemný fázový posuv. Nejjednodušší obrazec – elipsa – vznikne při shodném kmitočtu obou signálů, podle jejího sklonu a poměru velikostí v obou osách určíme fázový posuv:

Ukázky průběhů:

Měření na usměrňovači: Schéma zapojení jednocestného usměrňovače:

Průběh vstupního napětí:

Průběh výstupního napětí:

Schéma zapojení dvoucestného usměrňovače:

Průběh napětí:

Schéma zapojení usměrňovacího můstku:

Průběh napětí:

Skutečný průběh napětí jednocestného usměrňovače s kapacitním filtrem: