3. Osciloscopul 3.1 Prezentare generală
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); f 0 =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
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) Intensitate (Y) Tensiune Tensiune (X) Timp (Z) Intensitate Timp
Prezentare generală O altă utilizare - vizualizarea dependenţei unui semnal funcţie de alt semnal - Y(X). Y(t) T/2 T t T/2 T X(t) t
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.
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.
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 Electrice şi Electronice 2 3. Osciloscopul 3.2 Schema bloc generală
Schema bloc a osciloscopului Y A Y B TRG EXT Canal Y Sistem de sincronizare şi bază de timp Sistem de afişaj
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 Y A şi Y B ), le prelucrează pentru a produce tensiunea necesară sistemului de deflexie pe verticală livrează şi un semnal pentru sincronizarea internă pentru baza de timp (BT).
Schema bloc a osciloscopului Sistem de sincronizare şi bază de timp asigură sincronizarea imaginii Imagine nesincronizată Imagine sincronizată
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.
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 Electrice şi Electronice 2 3. Osciloscopul 3.3 Osciloscopul analogic. Schema bloc
Schema bloc a osciloscopului analogic YA YB TRG EXT Canal Y Tub catodic TK BT Canal X ADX X EXT PAX Z EXT CS AZ Surse şi alimentare TK
Tubul catodic Tun electronic Zona de focalizare Zona de deflexie Zona de P postaccelerare F K G A1 A2 A3 DY DX APA
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 (A 1 ) este polarizat la o tensiune înaltă (300-5000V) de obicei fixă în raport cu catodul. K F Tun electronic Zo foc G A1 A2
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 F în anumite porţiuni ale ecranului). K G Tun electronic Zona de focalizare Z d A1 A2 A3 DY
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 F de deflexie situate în afara tubului, K este folosită la tuburile catodice din televizoare. G Tun electronic Zona de focalizare la osciloscoape - deflexia electrostatică deoarece se poate lucra la frecvenţe mari. A1 A2 A3 DY Zona de deflexie DX p
Deflexia pe verticală Funcţionarea sistemului de deflexie se bazează pe mişcarea electronului în câmp electrostatic. viteza: v z momentul: t = 0 y tensiunea între plăci: u y Câmpul electric: d u y α y(l+l) z E y u d y l E y L
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: tg dy q U y l dz m d v z l 2 z d y l u y E y α L y(l+l) z Măsurări Electrice şi Electronice 2
Deflexia electrostatică; sensibilitatea y u y y(l+l) d α z E y l L Paranteză: definiţia sensibilităţii unui aparat de măsură S y0 = y(l+l)/u y S 0 în regim static pentru u y =ct=u 0 S y0 ll 2dU AC
Deflexia pe verticală S y0 ll 2dU AC 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 A 1 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. Măsurări Electrice şi Electronice 2
Deflexia pe verticală S y0 ll 2dU AC 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: poligonale trapezoidale paraboidale Măsurări Electrice şi Electronice 2
Deflexia pe verticală S y0 ll 2dU AC 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 Măsurări Electrice şi Electronice 2
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 (5 15 kv). Acest anod se realizează printr-o depunere metalică de formă elicoidală şi cu rezistenţă foarte mare (de ordinul sute de MΩ) Zona de Zona de deflexie pe suprafaţa tronconică a tubului. Tun electronic focalizare Depunerea fiind elicoidală se formează suprafeţe F echipotenţiale sferice, care nu modifică traiectoria electronului K în zona de postaccelerare. G A1 A2 A3 DY DX Zona de P postaccelerare APA
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.
Tensiune Graticula (caroiajul) Grilă gradată în diviziuni şi subdiviziuni, pe orizontală şi pe verticală. În mod frecvent, sunt: N x =10 diviziuni pe orizontală N y = 8 diviziuni pe verticală. Timp
Schema bloc a osciloscopului analogic YA YB TRG EXT Canal Y Tub catodic TK BT Canal X ADX X EXT PAX Z EXT CS AZ Surse şi alimentare TK
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
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
3. Osciloscopul 3.4 Schema bloc a osciloscopului digital
Schema bloc a osciloscopului digital Y A CS E/M CAN Y B TRG EXT Sistem de sincronizare şi bază de timp T S Calculator Monitor LCD CS este un bloc analogic de condiţionare a semnalelor de intrare
Schema bloc a osciloscopului digital Blocul de eşantionare/memorare (E/M). eşantionează semnalul analogic de intrare la intervale egale de timp (T S ) t T S
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).
Digitizarea semnalului 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 U M -U M 0000 0010 0100 0101 0110 0111 0110 0101 Pas de cuantizare
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 Electrice şi Electronice 2
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 T S cu care face eşantionarea blocul E/M.
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.