Ak. god. 2009/2010 1
Na kraju sata student treba biti u stanju: Nabrojati osnovne dijelove osciloskopa Objasniti i opisati principe rada pojedinih dijelova osciloskopa Objasniti kompenzaciju mjerne sonde Izračunati vrijeme porasta signala 2
Omogućuje: 2-D prikaz trenutnih vrijednosti promjenjivih električnih veličina u ovisnosti o vremenu Mjerenje U, I, P, F, itd. Analogni i digitalni 2-D: mjereni signal i pilasti napon Slika se generira pomoću snopa elektrona Osnovni dijelovi: Katodna cijev (dual beam, dual trace) Sustav za vertikalni otklon Sustav za horizontalni otklon Izvor napajanja 3
blok shema 4
Katodna cijev Vakumirani stakleni balon Elektrode: Katoda Upravljačka elektroda (Wehneltov cilindar) Anode: Za predubrzavanje Za ubrzavanje Za fokusiranje 5
Faktor otklona E y U y = ; F d y = q E y = U q d y Horizontalna brzina: Vertikalna brzina a y Fy = ; v m Vertikalan otklon: z Otklonska osjetljivost (mm/v): y du a Faktor otklona: 1/S y = a y D = L tgα = D S = U = 2 t = v L v Ll v z q U y y m d q U = 2 m =... = l v z LlU 2dU y a a Ovisi o omjeru l/d 6
Primjer Priključenjem pravokutnog izmjeničnog napona na ulaz pojačala za vertikalni otklon osciloskopa, uz isključenu vremensku bazu, dobiven je pravac duljine 9 cm. Prethodno smo ustanovili da priključak točno poznatog istosmjernog napona od 2 V daje vertikalni pomak zrake od 12 mm. Kolika je efektivna vrijednost mjerenog napona? 7
Svjetlina mrlje i zaslon Svjetlina mrlje i S suprotni zahtjevi na U a Anoda za naknadno ubrzavanje Zaslon, osnovno svojstvo materijala: Persistencija vrijeme potrebno da se svjetlina mrlje smanji na 10%; 1 % ili 0,1 % (P31) Fluorescencije isijavanje svjetlosti pri udaru elektrona Fosforescencija isijavanje svjetlosti nakon udara elektrona Učinkovitosti 10 % (opasnost pregrijavanje) Oznake na zaslonu 8
blok shema 9
Sustav za vertikalni otklon - djelilo AC-GND-DC preklopka Djelilo: frekvencijski neovisno τ =τ R = 1 R2 R1C 1 R2C2 Od mv do V, u koracima 1-2-5 Mogućnost neprekinutog ugađanja (nekalibrirano) 10
Sonda Nesimetrični ulaz (jedan kraj uzemljen) Suosni kabel + BNC konektor Pasivne i aktivne (FET) sonde, strujne s. Mogućnost smanjenja napona dodavanjem predotpora R s x1; x10; x100 Kompenzacija mjerne sonde pomoću trimer kondenzatora C s i pomoćnog pravokutnog napona τ o =τ s s s o ( C C ) R R R C = R + o k 11
Primjer Na osciloskop, ulaznog otpora 1 MΩ i njemu paralelnog kapaciteta 20 pf, priključuje se sonda 10:1. Koliki mora biti kapacitet sonde da bi ona bila frekvencijski kompenzirana ako je kapacitet koaksijalnog kabela sonde 75 pf? 12
Pretpojačalo Za postizanje odgovarajućeg otklona i svjetline mrlje Pojačanje od 1000-5000 Frekvencijski opseg: DC f g uzrokuje Izobličenje signala konačno vrijeme porasta signala, za pojačalo prvog reda: 2 2 τ f = 0,35 RP g τ = τ + τ RO RS RP 13
Primjer om koji ima gornju graničnu frekvenciju 25 MHz, izmjerili smo vrijeme porasta nekog signala t ro = 64 ns. Koliko je stvarno vrijeme porasta tog signala? Sinusni napon frekvencije 20 MHz dovodi se iz naponskog izvora na ulaz osciloskopa granične frekvencije f g = 20 MHz. Kolika je efektivna vrijednost napona ako je ukupna visina slike na zaslonu, pri isključenoj vremenskoj bazi i pri faktoru otklona 0,5 V/cm, 6 cm? 14
Pojačalo i linija za kašnjenje Pojačalo: Simetričan izlaz Napaja kapacitivno opterećenje Linija za kašnjenje: Omogućuje prikaz prvog dijela signala Ljestvičasti niz LC kombinacije (v=sqrt(lc)) Suosni kabel (distribuirani LC) 15
Elektronička preklopka Omogućuje prikaz dva signala Dva načina rada Sinkrono (ALT alternate mode) Problemi s malim frekvencijama Asinkrono (CHOP chopped mode) Problemi s velikim frekvencijama 16
blok shema 17
Sustav za horizontalni otklon okidni sklop Omogućuje SINKRONIZACIJU promatranog signala i pilastog napona Upravlja stvaranjem pilastog napona Poticanje mjerenim signalom, signalom dovedenim izvana ili naponom mreže Mogućnost podešenja nagiba i razine okidanja (level/slope) 18
Sustav za horizontalni otklon generator pilastog napona Osnovna karakteristika: linearan porast nabijanje kondenzatora stalnom strujom Vrijeme porasta (rise time), pada (fall time i zadržavanja (hold off) Vrijeme porasta od 10-8 s do 1 s (1-2-5 omjeri) Horizontalno pojačalo: Uži frekvencijski pojas od vertikalnog p. Omogućuje rastezanje signala 10x 19
Primjer Na zastoru katodne cijevi osciloskopa dobivene su preko čitave širine (10 cm) 4 periode sinusoide. Kolika je frekvencija promatrane pojave ako je preklopka vremenske baze u položaju 0,2ms/cm? 20
Prednja ploča osciloskopa 21
Digitalni osciloskopi Podjela: DSO: digital storage oscilloscope Uzorkovanje u stvarnom vremenu Uzorkovanje u ekvivalentnom vremenu DPO: digital phosphor oscilloscope SO: sampling oscilloscope 22
DSO blok shema Uzorkovanje Vertikalno razlučivanje: 8 bita Brzina uzorkovanja: 20 MS/s do 5 GS/s Memorija Memorija za prihvat podataka, za prikaz podataka Cirkularno polje, podaci se zapisuju u memoriju dok se ne zadovolje okidni uvjeti 23
DSO horizontalni sustav i rekonstrukcija signala Horizontalni sustav Brzina otklona ovisi o trajanju vremenske baze (s/div) Promjena s/div mijenja f S zaslon: 512 S, 50 S/DIV 10,24 DIV Rekonstrukcija signala Nyquist: f S > 2 f max : za rekonstrukciju signala f S mora biti veća Ovisi o rekonstrukcijskom filtru Bez rekonstr.: dot mode Linearna, sinusna (sinx/x) 24
DSO načini uzorkovanja Real time Podaci se uzimaju onim redoslijedom kojim se i pojavljuju na zaslonu Periodičko Podaci se uzimaju tijekom više uzastopnih perioda Slučajno precizno mjerenje razlike između tekućeg uzorka i okidne točke Slijedno na svaku slijedeću pilu dodaje se precizno Δt 25
DSO načini prikaza Refresh mode Roll mode: kao registracijski instrument, podaci se odmah kopiraju u memoriju za prikaz Envelope mode (Peak detect): Radi s f smax Pohranjuje min i max vrijednost Izbjegavanje aliasinga Average mode Single shot Pokaznici: CRT, LCD, magnetski otklon usrednjavanje 26
DPO i SO DPO Paralelni ustroj obrade podataka 3-D prikaz: amplituda, vrijeme i razdioba amplituda u vremenu SO Prvo uzorkovanje pa onda pojačavanje Uzorkovanje u ekvivalentnom vremenu Ograničeno dinamičko područje 27
Pitanja za provjeru Čemu služi osciloskop? Koji su osnovni dijelovi analognog osciloskopa? Kojoj se elektrodi mijenja potencijal pri ugađanju svjetline mrlje na zaslonu? Kojoj se elektrodi mijenja potencijal pri ugađanju oštrine? Čemu služi elektroda za naknadno ubrzavanje? Kako se na zaslonu katodne cijevi s jednim otklonskim sustavom mogu promatrati istodobno dva signala? Čemu služi okidni sklop? Što se postiže linijom za kašnjenje? Koji tipovi digitalnih osciloskopa postoje? 28
Literatura D. Vujević, B. Ferković: Osnove elektrotehničkih mjerenja II. dio, poglavlje 8.3, Školska knjiga Zagreb, 1996. D. Ilić, I. Kunšt: Mjerenja u elektrotehnici, Prilog predavanjima, Zagreb 2003. 29