Osciloskop

Osciloskop je elektronický merací prístroj určený na meranie časových priebehov veličín, ktoré sa dajú previesť na elektrické napätie, prípadne na meranie závislosti dvoch takýchto veličín. V technickej praxi je veľmi užitočný a všestranný.

Rozdelenie

analógové (klasické)
pamäťové (analógové)
vzorkovacie (analógové)
digitálne (plnia funkcie pamäťových/vzorkovacích)

Bloková schéma

Úlohy jednotlivých blokov

Osciloskop musí zabezpečiť:

zobrazenie priebehu (blok obrazovky)
úpravu (prispôsobenie) vstupného signálu (vstupné obvody)
voľbu rýchlosti vychyľovania, časovú lupu (blok časovej základne)
stabilitu obrazu (blok synchronizácie)
zobrazenie viac priebehov súčasne (elektronický prepínač)

Popis blokov osciloskopu

Blok obrazovky

Časti obrazovky:

Hrdlo obrazovky
Zdroj elektrónov
Vákuová banka
Elektrónové delo
Vychylovací systém
Tienidlo - luminofor

Zosilňovače v bloku obrazovky prispôsobujú signály na úrovne požadované obrazovkou. Horizontálny zosilovač zároveň umožňuje nastavenie posunutia obrazu vo zvislom smere. Oneskorovacia linka umožňuje posunutie signálu, napríklad pre zobrazenie ostrých hrán signálu v okamihu synchronizácie.

Súčasťou bloku obrazovky je aj zdroj vysokého napätia, ktoré je potrebné pre funkciu vákuovej obrazovky (CRT).

Obrazovka vo svojej podstate zobrazuje jeden bod, ktorý je vychyľovaný rôzne v oboch smeroch, vďaka zotrvačnosti luminoforu to pozorovateľ vníma ako súvislý obraz.

Vstupné obvody (vertical inputs)

Prepínač väzby vstupov (A/D coupling) pomocou pripojenia kondenzátora (v režime AC) umožňuje oddeliť od vstupného signálu striedavú zložku. Spôsobí to však určitú zmenu frekvenčnej charakteristiky vstupného obvodu, čo znižuje presnosť merania. V režime DC sa prenáša aj jednosmerná zložka signálu.

Prepínač rozsahov (delič) pomocou delenia vstupného napätia umožňuje nastaviť, aké napätie zodpovedá jednému dieliku obrazovky (v jednotkách V/div - voltov na dielik). Toto delenie sa obvykle vykonáva otočným prepínačom, ktorý je kombinovaný s potenciometrom (pre jemné spojité nastavenie, s aretáciou v nulovej polohe). Zosilňovač následne signál zosilňuje a zároveň zabezpečuje dostatočný vstupný odpor (bežne 1 MΩ).

Vertikálny posun signálu sa vykonáva potenciometrom pre každý kanál osobitne (ide o primiešavanie vhodnej jednosmernej zložky).

Časová základňa (time base)

Blok časovej základne zabezpečuje generovanie pílovitého napätia pre vychyľovanie zobrazovacieho bodu v horizontálnom smere (narastanie napätia spôsobuje pohyb zľava doprava, náhly pokles pílovitého napätia "presunie" zobrazovací bod späť na ľavý okraj obrazovky).

Rýchlosť pohybu bodu sa nastavuje otočným prepínačom (ciachovaným v jednotkách sec/div - sekúnd na dielik obrazovky). Časová základňa zabezpečuje aj časovú lupu, teda roztiahnutie obrazu vo vodorovnom smere)

Blok synchronizácie

Blok synchronizácie - principiálna schéma

Tento blok zabezpečuje spúšťanie časovej základne.

Režimy synchronizácie časovej základne:

AUTO (časová základňa beží svojou rýchlosťou) - nutné pri meraní jednosmerného napätia
NORM (pri synchronizačnom impulze sa generuje 1 píla)

Synchronizácia môže byť:

interná - synchronizuje sa priamo meraným (zobrazovaným) signálom z kanálu I, II alebo ich súčtu (I + II; neodporúča sa používať - ovplyvňuje fázové pomery)
externá - synchronizačné impulzy sa privádzajú zo samostatného vstupného konektora (nezávisle od vstupného signálu)

Elektronický prepínač

Elektronický prepínač signálu z viacerých kanálov slúži na súčasné zobrazenie viacerých signálov na obrazovke. Môže pracovať v nasledovných režimoch (platí pre typický dvojkanálový osciloskop):

Režim CHOP

I - zobrazený je signál len z kanálu I
II - len kanál II
ALT (alternácia) - jeden celý beh časovej základne (pohyb lúča cez celú obrazovku zľava doprava) sa zobrazuje jeden kanál, druhý beh druhý kanál. Režim je vhodný pre signály vysokej frekvencie.
CHOP (sekanie) - určitý krátky úsek z obrazu sa kreslí jeden signál, potom druhý a tak dookola (pozri obrázok). Režim je vhodný pri signáloch s nízkou frekvenciou.
SUM (sumácia) - zobrazuje sa jedna stopa, a to súčet signálov oboch kanálov.

Špeciálne režimy

Režim X-Y na osciloskope Tektronix 2205 (prístroj priemerných parametrov, šírka pásma 20 MHz)

Režim X-Y - signál z kanála I vychyľuje lúč v horizontálnom smere, z kanála II vo vertikálnom. Využíva sa pri zobrazovaní závislosti dvoch signálov (resp. veličín prevedených na vstupné signály osciloskopu)
využitie vstupu Z - prídavný vstup (prítomný len na niektorých prístrojoch) umožňuje kvázi vychyľovanie v treťom rozmere - pomocou jasovej modulácie (podľa signálu na vstupe Z sa mení intenzita lúča na obrazovke)

Frekvenčný rozsah

Každý osciloskop má obmedzené frekvenčné pásmo, v ktorom môže pracovať s rozumnou presnosťou. Frekvenčný rozsah sa pri osciloskopoch udáva ako $f_{hr}$ - hraničná frekvencia sústavy 1. rádu, teda frekvencia, kde zobrazená úroveň signálu poklesne o 3 dB (teda asi o 30%).

Aby sme mohli pracovať s rozumnou presnosťou (relatívna chyba do 1%), nemôžeme sa so spracúvanou frekvenciou signálu k hraničnej frekvencii ani priblížiť, a mali by sme sa pohybovať maximálne do sedminy až pätiny hraničnej frekvencie.

Hraničná frekvencia ovplyvňuje aj zobrazenú nábežnú dobu signálu (napr. obdĺžnikový signál nebude mať na obrazovke zvislú, ale šikmú nábežnú a dobežnú hranu - súvisí s obmedzením frekvencie, pozri Fourierovu transformáciu jednotkového skoku).

Nábežná doba osciloskopu (zobrazená nábežná doba zvislej hrany): $t_{n_{osc}}=0.35/f_{hr}\left[\mu s,{MHz}\right]\,$

Ak signál má už určitú nábežnú dobu, zobrazená nábežná doba je: $t_{n_{obr}}={\sqrt {t_{n_{sig}}^{2}+t_{n_{osc}}^{2}}}\,$ , používa sa korekcia: $t_{n_{sig}}={\sqrt {t_{n_{obr}}^{2}-t_{n_{osc}}^{2}}}\,$ .

Aby mal výpočet korekcie zmysel, musí byť nábežná doba osciloskopu malá v porovnaní s nábežnou dobou zobrazenou na obrazovke.

Vstupné sondy

Na vstupy osciloskopu sa nemusí pripájať signál priamo, ale cez vstupné sondy. Tieto môžu byť rôznych druhov:

pasívne napäťové sondy - signál nezosilňujú, často obsahujú deliaci odpor (zväčšuje vstupnú impedanciu - bežne na 10 MΩ, 15 pF)
aktívne napäťové sondy - hlavne na meranie rýchlych dejov (vysoké frekvencie), prispôsobujú impedanciu osciloskopu k impedancii meranej sústavy (napr. 50 Ω, 3 pF)

Poznámka: vstupná impedancia závisí od frekvencie (klesá), hlavný vplyv na túto zmenu má vstupná kapacita.

vysokonapäťové sondy - pre bezpečné meranie napätí nad rozsahom povolených napätí osciloskopu, zoslabujú signál v definovanom pomere
prúdové sondy - prevodníky prúd/napätie
- jednosmerné
- striedavé

Špeciálne pamäťové osciloskopy

Pamäťové analógové osciloskopy

Využívali sa na meranie jednorazových dejov. Pre trvalé zachovanie jednorazového priebehu sa využívala pamäťová obrazovka.

V dnešnej dobe sa už takmer nepoužívajú, boli nahradené číslicovými.

Vzorkovacie analógové osciloskopy

Používali sa na zobrazenie veľmi rýchlych periodických dejov, využívali takzvanú analógovú transformáciu času. Podobne ako pamäťové boli nahradené digitálnymi.

Iné projekty

Commons ponúka multimediálne súbory na tému Osciloskop

Externé odkazy

Výklad k používaniu osciloskopu Archivované 2018-03-05 na Wayback Machine (po anglicky)