Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii 2. Osciloscopul

Transcript

1 2. Osciloscopul 2.5 Canalul Y

2 Rolul şi funcţiunile canalului Y Asigură impedanţa de intrare de valoare ridicată a osciloscopului; Realizează amplificarea în tensiune pentru sistemului de deflexie (osciloscopul analogic) sistemului de conversie CAN (osciloscopul numeric); Amplificare calibrată

3 Rolul şi funcţiunile canalului Y Face trecerea de la intrarea de regulă nesimetrică şi ieşirea simetrică; Asigură protecţia la supratensiuni; Permite extragerea semnalului pentru sincronizare internă; Permite realizarea unor reglaje şi selecţii pentru vizualizarea şi încadrarea convenabilă pe ecran a imaginii

4 Reglaje şi selecţii în canalul Y Selecţia modului de cuplaj al semnalului de intrare Cuplaj în curent continuu (CC) Cuplaj în curent alternativ (AC); Conectarea la masă a intrării (GND ground) U c componenta continuă a) CC b) CA c) GND

5 Reglaje şi selecţii în canalul Y Coeficientul de deflexie pe verticală C y = U n y y Valorile calibrate întâlnite la majoritatea osciloscoapelor sunt: Cy= mv/div, V/div.

6 Reglaje şi selecţii în canalul Y Exemplu: C y = 1V/div A = 1,5V U c = 2,5V U c componenta continuă a) CC b) CA c) GND

7 Reglaje şi selecţii în canalul Y Coeficientul de deflexie pe verticală reglare continuă a C y Atenţie! În cazul osciloscoapelor numerice, scările calibrate pot fi uneori mai dese, Reglajul continuu poate fi înlocuit cu unul fin (în trepte foarte dese, de exemplu 1 : 1,1 : 1,2 : etc.)

8 Reglaje şi selecţii în canalul Y Poziţia (deplasarea) pe verticală a imaginii -POZ Y tensiune continuă poate conduce la erori în măsurarea tensiunilor continue suprapuse peste semnal evitarea erorilor: comutatorul modurilor de cuplaj pe GND Ajustarea pozitiei spotului din POZ Y

9 Reglaje şi selecţii în canalul Y Selecţia polarităţii imaginii +/ y sau y Selecţia modului de vizualizare simultană a semnalelor de pe cele două (sau mai multe) intrări. Pentru un osciloscop cu două canale avem opţiunile: CH1 CH2 ALT CHOP ADD

10 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y Sensibilitatea osciloscopului 1/C ym pentru osciloscoapele obişnuite C ym = 5 sau 10 mv/div Limitarea inferioară cauzată de existenţa zgomotului Pentru trepte mai coborâte, (1 sau 2 mv/div) reducere a lărgimii de bandă a osciloscopului (la 5-10 MHz) pe acele trepte (FTJ)

11 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y Amplificarea în tensiune a canalului la frecvenţe joase A 0 În cazul osciloscopului analogic: Cunoscând sensibilitatea deflexiei pe verticală S y0 şi C ym A 0 = 1 S C y0 ym EXEMPLU: Pentru S y0 = 0,1div/V şi C ym = 10mV/div, rezultă A 0 = 10 3

12 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y Amplificarea în tensiune a canalului la frecvenţe joase A 0 În cazul unui osciloscop numeric: Cunoscând tensiunea maximă la intrarea CAN, U M care corespunde tensiunii necesare pentru acoperirea întregului ecran pe treapta de C ym A 0 U = NC y M ym

13 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y Caracteristicile de frecvenţă ( ) ( ) ( ) A jω = A jω e ϕω = A ω jω + ω j Modulul amplificării: A jω ( ) A ω = = ω + ω A ω 1+ ω 2 0

14 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y A(jω) caracteristica amplitudine frecvenţă caracteristică constantă în toată banda redare fără distorsiuni a semnalului constatăm însă o scădere cu frecvenţa A jω ( ) = A 0 2 ω 1+ ω 2 0

15 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y Caracteristica amplitudine frecvenţă a canalului Y în db: 2 ω A( jω) = 20log ( ) db 10 A jω = 20log10 A0 10log ω0 A(jω) [db] A 0 [db] ω A jω ( ) = A 0 2 ω 1+ ω 2 0

16 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y se considere acceptabilă o scădere la 1 0,707, în db: 2 = 1 20log10 = 10log10 2 = 3dB 2 Aceasta apare la ω = ω 0 lărgimea de bandă la 3dB a canalului Y şi implicit a osciloscopului: A ω ( ) 0 A jω = 0 2 f3db = f0 = ω 2π 1+ ω 2 0

17 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y reprezentare aproximativă: ( ω) A j db 2 = 20log10 A0 10log10 1+ ω 2 ω0 A 0 = 0dB -3dB A(jω) [db] Pentru frecvenţe ω << ω 0 A jω 20log A ( ) 10 0 db ω 0 ω

18 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y Pentru frecvenţe ω >> ω 0 A ω jω 20log db 10 A0 20log10 ω 0 ( ) ( ω) A j db 2 = 20log10 A0 10log10 1+ ω 2 ω0 A 0 = 0dB -3dB A(jω) [db] dreaptă, având o scădere de -20dB/decadă ω 0 ω

19 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y Răspunsul la impuls treaptă În mod ideal: A I t A O t intrare t 0 ieşire

20 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y Două distorsiuni în cazul real oscilaţii amortizate în vecinătatea tranziţiei (pot fi evitate printr-o proiectare şi realizare adecvată) timp de creştere (durata frontului) A I t A O t

21 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y Semnalul la intrare: Funcția de transfer a canalului: Semnalul de ieşire: y(t) x(t)=σ(t) xt () = σ () t ( ) ( ) 0 = ω σ ( ) yt A e t 0 1 t 0 0 ( ω) = A j A ω jω+ ω 0 1 A 0 0,9A 0 0,1A 0 Durata frontului va fi: t t 1 t 2 t t = t t f 2 1

22 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y yt = A 1 e = 0,1A ( ) ( t ) 1 ω 0 t = ln ω 0,9 0 yt = A 1 e = 0,9A ( ) ( t ) 2 ω 0 t = t f ln ω 0,1 0 = 1 2,2 2,2 0,35 ln9 ω = ω = 2π f = f yt = A e σ t y(t) A 0 0,9A 0 0,1A 0 ( ) ( ω ) ( ) t t 1 t 2 t

23 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y Ex: f 0 = 100MHz t f = 3,5ns semnal la intrare cu t s semnal vizualizat cu t = t + t 2 2 v s f

24 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y Dacă t s >> t f t v t s Dacă însă t s şi t f sunt apropiați: t = t + t t = t t v s f s v f

25 Caracteristici şi performanţe ale canalului Y Impedanţa de intrare Ri Zi = Ri Ci = 1 + jωrc În mod frecvent, R = 1 M Ω, C = pf i i La f mari, C i șuntează R i Z i devine puternic dependentă de f De aceea, osciloscoapele destinate funcţionării la f mari (peste 100 MHz) au uneori şi o intrare de impedanţă mică (50 sau 75 ohmi). i i R i C i

26 CC SINCR Y A GND CA ACY PAY CC ADY C y [V/div] C y POZ Y INV Y B S-a considerat cazul unui osciloscop cu două canale (YA, YB)

27 CC SINCR Y A GND CA ACY PAY CC ADY C y [V/div] C y POZ Y INV Y B Comutatorul modurilor de cuplaj (CC, AC, GND) Atenuatorul calibrat (ACY) Preamplificatorul canalului Y (PAY) Comutatorul de canale (CC) Amplificatorul de deflexie pe verticală (ADY)

28 Comutatorul modului de cuplaj U c componenta continuă a) CC b) CA c) GND

29 Atenuatorul calibrat permite modificarea în trepte calibrate a Cy Dacă se doreşte realizarea unui atenuator cu treptele Cy= mv/div, V/div, vor fi necesare atenuările din tabel Cy 10 mv/div 20 mv/div 50 mv/div 100 mv/div 200 mv/div 500 mv/div Atenuare 1/1 1/2 1/5 1/10 1/20 1/50 1/100 1/200 1/500 1 V/div 2 V/div 5 V/div

30 patru atenuatori elementari (1/2, 1/5, 1/10, 1/100) Ex: A = 1/50 = 1/10 * 1/5 Cy 10 mv/div 20 mv/div 50 mv/div 100 mv/div 200 mv/div 500 mv/div Atenuare 1/1 1/2 1/5 1/10 1/20 1/50 1/100 1/200 1/500 1 V/div 2 V/div 5 V/div

31 atenuatorul - divizor rezistiv realizat cu rezistoarele R 1 şi R 2 şi având drept sarcină impedanţa Z ip (ω). R 1 U 1 R 2 R ip C ip U 2 H ω ( ) U ( ) 2 R2 Zip ω = = U R + R Z ω ip ( )

32 Z ip (ω) scade cu f din cauza C b, H(ω) scade pentru a compensa C a în paralel cu R a, care să favorizeze trecerea frecvenţelor înalte R a U 1 C a R b C b U 2

33 R a U 1 C a R b C b U 2 H ω ( ) U 2 Z ω = = U Z Z 1 a ( ) b ( ω) + ( ω) b

34 R a U 1 C a R b C b U 2 Z a ω ( ) = R a 1 jωc a = Ra Ra = 1 + jωrc 1 j, τ = + ωτ 1 R ( ) b Rb Z ω = R = =, τ = RC jωc 1+ jωr C 1+ jωτ b b b b b b b b b a a a a a a RC

35 H ω ( ) La frecvenţe joase U 2 Rb 1+ jωτ = = = U R + R + j R + R 1 ( ) a ω( τ τ ) a b a b b a Rb 1+ jωτ a = Ra + Rb Raτb+ Rbτ a 1+ jω Ra R + b H 0 b ( ) = R k R + R = a b

36 H ω ( ) = Este de dorit ca funcţia de transfer să nu depindă de frecvenţă, ceea ce se întâmplă dacă τ ceea ce implică Rb 1+ jωτ a Ra + Rb Raτb+ Rbτ a 1+ jω Ra R + b a Rτ R a b b a = = a + Rτ + R b τ = τ = τ a b τ τ τ = RC a a a = RC b b b

37 condiţia de compensare perfectă a atenuatorului: τ = τ = τ a b Este foarte important ca această condiţie să fie îndeplinită constanţa atenuării cu frecvenţa răspunsul atenuatorului la un semnal compus nu este distorsionat. De exemplu, răspunsul atenuatorului compensat la u 1 (t) = σ(t) va fi kσ(t)

38 τ τ În cazul în care a b, atenuarea nu mai este constantă cu frecvenţa vor apărea erori în măsurarea amplitudinii unor semnale sinusoidale semnalele cu o formă mai complexă vor fi distorsionate Exemplu: impuls treaptă aplicat la intrare la ieşirea atenuatorului: t ( ) ( ) a b τ u2 t = kσ t + e σ t ( C )( ) b + Ca Rb + Ra τ τ ( )

39 Sunt posibile două situaţii: τ b > τ a atenuator subcompensat; în acest caz atenuatorul defavorizează semnalele de frecvenţe mari, iar în răspunsul la treaptă, termenul al doilea este negativ, având la efect o distorsionare a frontului. 1 x(t) = σ(t) y(t) t τ b >τ a - subcompensat τ b =τ a - compensat t

40 Sunt posibile două situaţii: τ b < τ a atenuator supracompensat; atenuatorul favorizează semnalele de frecvenţe înalte, iar în răspunsul la treaptă, termenul al doilea este pozitiv, conducând la o supracreştere. 1 x(t) = σ(t) y(t) τ b <τ a - supracompensat t τ b >τ a - subcompensat τ b =τ a - compensat t

41 EXEMPLU: Atenuator compensat Atenuator subcompensat Atenuator supracompensat

42 CC SINCR Y A GND CA ACY PAY CC ADY C y [V/div] C y POZ Y INV Y B

43 Preamplificatorul canalului Y Realizează o bună parte din funcţiunile specifice canalului Y: o primă amplificare a semnalului de la ieşirea ACY intrarea asimetrică ieşire simetrică (diferenţială) impedanţă de intrare mare (R in =1MΩ, C in =10 80pF); protecţia la supratensiuni aplicate

44 Comutatorul de canale osciloscopul cu mai multe canale dacă osciloscopul nu are decât un singur fascicol de electroni, nu pot fi afişate mai multe imagini simultan.

45 Comutatorul de canale pentru vizualizare simultană a semnalelor de pe mai multe canale rolul de a multiplexa semnalele care trebuie vizualizate Exisă două moduri de vizualizare a mai multor canale: modul alternat (ALT) modul comutat (chopped - CHOP)

46 Modul alternat Semnale afişate alternat. La fiecare cursă un semnal De exemplu, în cazul unui osciloscop cu două canale, la cursele impare este afişat semnalul de pe canalul 1, la cursele pare este afişat semnalul de pe canalul 2. T d perioada desfăşurărilor. imaginea corespunzătoare unuia dintre canale este afişată cu o perioadă de 2T d. Dacă t p > 2T d, ochiul percepe cele două imaginii ca fiind afişate simultan

47 Modul alternat frecvenţe mari (perioadă mică). perioada de afişare este mică şi implicit alternarea celor două imagini este foarte rapidă la frecvenţe joase, este posibil să nu mai fie îndeplinită relaţia anterioară şi imaginea apare pâlpâitoare, alternarea devenind vizibilă.

48 Modul comutat Pe ecran eşantioane (fragmente) din cele două imagini CC comută de la o imagine la alta cu f de ordinul sutelor de khz Dacă această comutare se face cu o frecvenţă suficient de mare, mai precis cu o perioadă T c << T d, discontinuitatea imaginilor afişate pe ecran nu este sesizată de ochi.

49 Modul comutat frecvenţe joase, unde inegalitatea de mai sus poate fi uşor îndeplinită. prescurtarea CHOP (de lb. Engleză chopped)

50 Cursa n Cursa n Cursa n+1 Cursa n Modul ALT Modul CHOP

51 Amplificatorul de deflexie Amplificator diferenţial de bandă largă Are amplificare fixă Funcţionează la nivel mare