Osciloskop

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 14. listopadu 2021; kontroly vyžadují 5 úprav .

Osciloskop ( latinsky  oscilo  - švihám + řecky γραφω  - píšu) - zařízení určené ke studiu (pozorování, záznamu, měření) amplitudových a časových parametrů elektrického signálu přiváděného na jeho vstup a vizuálně zobrazovaného (vizualizace) přímo na obrazovce nebo zaznamenané na fotografickou pásku .

Historie

Elektrický oscilační proces byl zpočátku zaznamenáván ručně na papír. První pokusy o automatizaci záznamu provedl Jules François Joubert v roce 1880, který navrhl postupnou poloautomatickou metodu záznamu signálu [1] . Vývojem Joubertovy metody byl plně automatický ondograf Hospitalier [2] . V roce 1885 vytvořil ruský fyzik Robert Colli oscilometr a v roce 1893 francouzský fyzik Andre Blondel vynalezl magnetoelektrický osciloskop s bifilárním závěsem [3] .

Pohyblivé záznamové části prvních osciloskopů měly velkou setrvačnost a neumožňovaly zaznamenávat rychlé procesy. Tento nedostatek odstranil v roce 1897 [4] William Duddell , který vytvořil osciloskop se světelným paprskem využívající jako měřicí prvek malé světelné zrcadlo. Záznam byl pořízen na fotocitlivou desku [5] . Vrcholem vývoje této metody byly v polovině 20. století vícekanálové páskové osciloskopy.

Téměř současně s Duddellem použil Karl Ferdinand Brown jím vynalezený kineskop k zobrazení signálu [6] . V roce 1899 bylo zařízení upraveno Jonathanem Zenneckem, který přidal horizontální rozmítání, čímž se podobalo moderním osciloskopům. Brownův kinescope ve 30. letech 20. století nahradil Zworykinův kinescope , díky čemuž byla zařízení na něm založená spolehlivější [7] .

Na konci 20. století byla analogová zařízení nahrazena digitálními. Díky rozvoji elektroniky a nástupu rychlých analogově-digitálních převodníků zaujaly v 90. letech mezi osciloskopy dominantní postavení.

Zařízení

Osciloskop s CRT displejem se skládá z následujících hlavních částí:

Obsahuje také pomocné jednotky: jednotka řízení jasu, kalibrátor doby trvání, kalibrátor amplitudy.

Digitální osciloskopy nejčastěji používají LCD .

Obrazovka

Osciloskop má obrazovku A , která zobrazuje grafy vstupních signálů. U digitálních osciloskopů je obraz zobrazován na displeji (monochromatický nebo barevný) ve formě hotového obrazu, u analogových osciloskopů se jako stínítko používá katodová trubice osciloskopu s elektrostatickou odchylkou. Zevnitř baňky se na síto obvykle aplikuje souřadnicová mřížka.

Signálové vstupy

Osciloskopy se dělí na jednokanálové a vícekanálové (2, 4, 6 a více kanálů vertikální odchylky). Vícekanálové osciloskopy umožňují současně sledovat několik signálů na obrazovce, měřit jejich parametry a vzájemně je porovnávat.

Vstupní signál každého kanálu je přiveden na jeho vstup "Y" a zesilován jeho vertikálním vychylovacím zesilovačem na úroveň potřebnou pro provoz CRT vychylovacího systému (desítky voltů) nebo analogově-digitálního převodníku . Vertikální vychylovací zesilovač je téměř vždy postaven podle obvodu stejnosměrného zesilovače (DCA ) , to znamená, že má nižší pracovní frekvenci 0 Hz. To umožňuje měřit konstantní složku signálu, správně zobrazovat asymetrické signály vzhledem k nulové čáře a měřit stejnosměrné napětí. Tento provozní režim se nazývá režim otevřeného vstupu .

Pokud je však nutné odříznout stejnosměrnou složku (například je příliš velká a odvádí paprsek za hranice obrazovky a je třeba studovat malé změny signálu), lze zesilovač přepnout do režimu uzavřeného vstupu (vstupní signál je přiváděn do UPT přes vazební kondenzátor ).

Ovládání rozmítání

Většina osciloskopů používá dva základní režimy rozmítání:

Některé modely mají jiný režim:

Automatické zametání

S automatickým rozmítáním pracuje generátor rozmítání v samooscilačním režimu, takže i při nepřítomnosti signálu na konci cyklu rozmítání - cyklus generátoru pilového napětí rozmítání se spustí znovu, to vám umožní pro pozorování obrazu na obrazovce i při nepřítomnosti signálu nebo při konstantní vertikální odchylce vstupního napětí. V tomto režimu je u mnoha modelů osciloskopů frekvence generátoru rozmítání zachycována studovaným signálem, zatímco frekvence generátoru rozmítání je o celé číslo nižší než frekvence studovaného signálu.

Pohotovostní režim zametání

Naopak v pohotovostním režimu rozmítání, pokud není signál nebo je jeho úroveň nedostatečná (nebo je nesprávně nakonfigurován režim synchronizace), nedochází k rozmítání a obrazovka zhasne. Rozmítání se spustí, když signál dosáhne určité úrovně nastavené operátorem, a zahájení rozmítání můžete nakonfigurovat jak na vzestupné hraně signálu, tak na sestupné hraně. Při studiu impulsních procesů, i když jsou neperiodické (například neperiodické, spíše vzácné nárazové buzení oscilačního obvodu), pohotovostní režim zajišťuje vizuální nehybnost obrazu na obrazovce.

V pohotovostním režimu je rozmítání často spouštěno nikoli samotným zkoumaným signálem, ale nějakým synchronním signálem, obvykle před samotným procesem, například signálem z pulzního generátoru , který budí proces ve zkoumaném obvodu. V tomto případě je spouštěcí signál přiveden na pomocný vstup synchronizačního vstupu osciloskopu  – spouštěcího vstupu rozmítání .

Jediný běh

V jednoduchém režimu je generátor rozmítání „natažen“ externí akcí, např. stisknutím tlačítka a poté čeká na spuštění stejným způsobem jako v pohotovostním režimu. Po spuštění se rozmítání provede pouze jednou, pro restart generátoru rozmítání je nutné jej znovu „natáhnout“. Tento režim je vhodný pro studium neperiodických procesů, jako jsou logické signály v digitálních obvodech, takže následné rozmítání podél okrajů signálu „nerozhází“ obrazovku.

Nevýhodou tohoto režimu rozmítání je to, že světelný bod jednou projede obrazovkou. To ztěžuje pozorování během rychlých pohybů, protože jas obrazu je v tomto případě malý. Obvykle se v těchto případech používá fotografování obrazovky. Potřeba fotografování na film byla dříve eliminována použitím osciloskopových trubic s ukládáním obrazu, u moderních digitálních osciloskopů se proces ukládá digitálně do digitální paměti ( RAM ) osciloskopu.

Synchronizace rozmítání se zkoumaným signálem

Pro získání statického obrazu na obrazovce musí každá následující trajektorie paprsku na obrazovce v cyklech rozmítání probíhat podél stejné křivky. To zajišťuje obvod synchronizace rozmítání, který spouští rozmítání na stejné úrovni a hraně studovaného signálu.

Příklad. Řekněme, že zkoumáte sinusovku a časovací obvod je nastaven tak, aby spustil rozmítání, když sinusovka stoupne, když je její hodnota nula. Po spuštění paprsek nakreslí jednu nebo více, v závislosti na nakonfigurované rychlosti rozmítání, sinusových vln . Po skončení rozmítání synchronizační obvod nerestartuje rozmítání jako v automatickém režimu, ale čeká na další průchod nulové hodnoty sinusovým průběhem na náběžné hraně. Je zřejmé, že následný průchod paprsku přes obrazovku bude opakovat trajektorii předchozího. Při frekvenci opakování rozmítání nad 20 Hz bude v důsledku setrvačnosti vidění a dosvitu luminoforu na obrazovce viditelný nehybný obraz.

Pokud není spuštění rozmítání synchronizováno s pozorovaným signálem, bude obraz na obrazovce vypadat „běžící“ nebo dokonce úplně rozmazaný. V tomto případě se totiž na stejné obrazovce zobrazují různé úseky pozorovaného signálu.

Pro získání stabilního obrazu obsahují všechny osciloskopy systém zvaný synchronizační obvod , který se v zahraniční literatuře často ne zcela správně nazývá spoušť .

Účelem časového schématu je oddálit začátek rozmítání, dokud nenastane nějaká událost. V příkladu byl událostí průchod sinusoidy nulou na vzestupné hraně.

Proto má schéma synchronizace k dispozici operátorovi alespoň dvě nastavení:

Správné nastavení těchto ovládacích prvků zajišťuje, že rozmítání je vždy spuštěno na stejném místě křivky, takže obraz křivky vypadá stabilně a nehybně na křivce.

V mnoha modelech osciloskopů existuje další orgán pro ovládání synchronizačního obvodu - knoflík pro plynulé nastavení „STABILITY“, změnou jeho polohy se mění doba necitlivosti generátoru rozmítání na spouštěcí událost („mrtvý čas“ generátoru rozmítání) se změnilo. V jedné krajní poloze je generátor rozmítání přepnut do samooscilačního režimu, ve druhé krajní poloze - do pohotovostního režimu, v mezipolohách mění spouštěcí frekvenci rozmítání. Osciloskopy vybavené tímto nastavením obvykle nemají přepínač režimu rozmítání „STANDBY/AUTO“.

Jak již bylo zmíněno, téměř vždy je k dispozici další vstup pro synchronizaci rozmítání, zatímco je zde spouštěcí spínač rozmítání „EXTERNAL / INTERNAL“, kdy je na vstup synchronizačního obvodu rozmítání přivedena poloha „EXTERNAL“, nikoli signál samotný, ale napětí ze synchronizačního vstupu.

Často je zde přepínač pro synchronizaci ze sítě (v evropských zemích a Rusku - 50 Hz, v některých jiných zemích - 60 Hz), při synchronizaci ze sítě je na vstup synchronizačního obvodu přivedeno napětí se síťovou frekvencí. Taková synchronizace je vhodná pro pozorování signálů s frekvencí sítě nebo signálů, které jsou násobky této frekvence, například rušení sítě při měření parametrů síťových filtrů, usměrňovačů atd.

Specializované osciloskopy mají také speciální režimy synchronizace, například režim sweep start na začátku řádku zadaný operátorem v rámci televizního signálu, což je výhodné při měření parametrů televizní cesty a jejích jednotlivých stupňů v televizních systémech .

U jiných specializovaných osciloskopů používaných při studiu digitálních (například mikroprocesorových ) zařízení je synchronizační obvod doplněn komparátorem kódů a rozmítání se spustí, když se binární kód (slovo) zadaný operátorem shoduje s kódem na sběrnici , například na adresové sběrnici . To je výhodné pro nalezení příčiny poruch při zápisu/čtení určité paměťové buňky a další diagnostiku.

Klasifikace

Podle logiky činnosti a účelu lze osciloskopy rozdělit do tří skupin [8] :

Kontinuální rozmítací osciloskopy pro záznam křivky na fotografickou pásku (stub osciloskop).

Podle počtu paprsků: jednopaprskový, dvoupaprskový atd. Počet paprsků může dosáhnout 16 i více ( n - paprskový osciloskop má n signálových vstupů a může současně zobrazit n grafů vstupních signálů na obrazovce).

Osciloskopy s periodickým rozmítáním se dělí na: univerzální (konvenční), vysokorychlostní, stroboskopické, paměťové a speciální; digitální osciloskopy mohou kombinovat schopnost používat různé funkce.

Existují osciloskopy (většinou přenosné) kombinované s jinými měřicími přístroji ( např . multimetr ). Takové přístroje se nazývají skopometry . V druhé polovině 10. let se na trhu objevily tabletové osciloskopy, tedy zařízení s plně dotykovým ovládáním na barevném displeji.

Osciloskop může existovat také nejen jako samostatné zařízení, ale také jako set-top box k počítači - ve formě rozšiřující karty nebo připojený přes nějaký externí port počítače; nejpoužívanější je USB , dříve se používal i LPT .

Přizpůsobení

Většina osciloskopů má vestavěné kalibrační zařízení (kalibrátor), jehož účelem je generovat řídicí signál se známými a stabilními parametry. Typicky je takový signál ve formě obdélníkové vlny s amplitudou 1 V s frekvencí 1 kHz a pracovním cyklem 2 ( 50% pracovní cyklus), parametry signálu kalibrátoru jsou obvykle podepsány vedle výstup signálu kalibrátoru. V případě potřeby může uživatel připojit měřicí sondu kanálu vertikální nebo horizontální odchylky přístroje k výstupu kalibrátoru a sledovat signál kalibrátoru na obrazovce osciloskopu. Pokud se pozorovaný signál liší od signálu uvedeného na kalibrátoru, což je typické pro analogové osciloskopy, pak úpravou citlivosti kanálů může uživatel korigovat vstupní charakteristiky sondy a/nebo zesilovačů osciloskopu tak, aby signál odpovídal data kalibrátoru.

Digitální osciloskopy obvykle nemají trimry, protože signál je zpracováván digitálně, ale obvykle mají automatické ladění kanálů podle kalibrátoru, přičemž přes menu osciloskopu je vyvolána speciální utilita, jejíž spuštění automaticky zkalibruje osciloskop podle citlivosti kanálů.

Porovnání analogových a digitálních osciloskopů

Jak digitální, tak analogové osciloskopy mají své výhody a nevýhody:

Výhody analogových osciloskopů

Nevýhody analogových osciloskopů

Výhody digitálních osciloskopů

Nevýhody digitálních osciloskopů

Aplikace

Jedno z nejdůležitějších zařízení v radioelektronice. Používají se pro aplikační, laboratorní a výzkumné účely , pro sledování / studium a měření parametrů elektrických signálů - a to jak přímo, tak získaných působením různých zařízení / médií na senzory , které převádějí tyto efekty na elektrický signál nebo rádiové vlny.

Pozorování postav Lissajous

V osciloskopech existuje režim, ve kterém není na vodorovné vychylovací desky přiváděno pilovité napětí, ale libovolný signál přiváděný na speciální vstup (vstup „X“). Pokud přivedete signály blízkých frekvencí na vstupy „X“ a „Y“ osciloskopu, můžete na obrazovce vidět Lissajousovy postavy . Tato metoda je široce používána pro porovnání frekvencí dvou zdrojů signálu a pro naladění jednoho zdroje na frekvenci druhého.

Měření kurzoru

Moderní analogové a digitální osciloskopy často disponují pomocným servisním systémem, který umožňuje pohodlně měřit některé parametry signálu zkoumaného osciloskopem. U takových osciloskopů se na pozorovací obrazovce sledovaného signálu navíc zobrazují obrazy kurzorů ve formě vodorovných nebo svislých přímek nebo ve formě vzájemně kolmých přímek.

Souřadnice kurzorových čar z hlediska amplitudy a času jsou zobrazovány v desítkové digitální formě, obvykle na obrazovce osciloskopu nebo na doplňkových digitálních indikátorech.

Operátor pomocí ovladačů polohy kurzoru má možnost nasměrovat kurzor na bod zájmu k obrazu signálu, zatímco kurzorový systém průběžně digitálně zobrazuje souřadnice tohoto bodu - úroveň napětí nebo časový bod podél časové osy a osa amplitudy.

Mnoho osciloskopů má několik typů kurzorů, zatímco digitální indikátory mohou zobrazovat rozdíl v hodnotách tiků kurzoru mezi párem vertikálních dílků a časovým intervalem mezi párem horizontálních kurzorových dílků. Téměř u všech typů takových osciloskopů indikátory automaticky digitálně zobrazují převrácenou hodnotu časového intervalu mezi zářezy kurzoru, což okamžitě udává frekvenci studovaného periodického signálu, když se kurzory pohybují podél časové osy na sousedních frontách signálu.

Některé osciloskopy poskytují automatické polohování kurzorů na špičkách signálu, což je ve většině případů účel měření amplitudy. Kurzorová měření tedy umožňují zjednodušit měření parametrů signálu osobou, odpadá nutnost vizuálního odečítání počtu buněk označujících měřítko obrazovky osciloskopu a násobení takto získaných dat hodnotami vertikálního a horizontálního dělení. .

Matematické funkce

U některých vícekanálových osciloskopů je možné provádět matematické funkce na signálech měřených různými kanály a vydávat výsledný signál namísto nebo navíc k naměřeným původním signálům. Nejběžnější funkce jsou sčítání, odčítání, násobení a dělení. To umožňuje například odečíst od studovaného signálu kanálu č. 1 synchronizační signál přicházející na kanál č. 2, a tím osvobodit zkoumaný signál od synchronizačních signálů. Nebo je například možné zkontrolovat faktor kvality jednotky zesílení analogového signálu odečtením vstupního signálu od výstupního signálu.

Zachycení řetězce televizního signálu

V moderních digitálních osciloskopech, stejně jako v některých specializovaných osciloskopech s katodovými trubicemi, existuje speciální režim synchronizace - televize. Tento režim umožňuje zobrazit jeden nebo více specifikovaných TV řádků z komplexního video signálu. Na rozdíl od klasického osciloskopu, jehož synchronizační jednotka dokáže stabilně zobrazit pouze první řádek po synchronizačním impulsu, je možné na specializovaných osciloskopech pozorovat jakoukoli část televizního obrazu. Takové osciloskopy se obvykle používají v televizních a kabelových studiích a umožňují ovládat technické parametry vysílacího a záznamového zařízení.

Videohry

Obrazovka osciloskopu byla použita jako displej pro jednu z prvních videoher Tennis For Two , což je virtuální verze tenisu. Hra běžela na analogovém počítači a byla řízena speciálním paddle [9] herním ovladačem .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ Woodward, Gordon. Joubert, Jules François  //  Biografický slovník dějin techniky / Generální redaktoři Lance Day a Ian McNeil. - Routledge, 2002. - S. 670 . — ISBN 9781134650200 .
  2. ↑ Hawkins, 1917 , pp. 1849-1851.
  3. ↑ První osciloskopy . Získáno 30. 5. 2015. Archivováno z originálu 31. 5. 2015.
  4. ↑ Ilustrovaná kronika objevů a vynálezů, str. 145
  5. ↑ Hawkins, 1917 , pp. 1857-1862.
  6. ↑ Hawkins, 1917 , pp. 1852-1854.
  7. ↑ Kularatna, Nihal. Kapitola 5: Základy osciloskopů // Digitální a analogová instrumentace: testování a měření  (anglicky) . - Inženýrský a technologický ústav, 2003. - S. 165-208. — ISBN 978-0-85296-999-1 .
  8. ↑ Green, 2007 , 15.3 Osciloskop.
  9. ↑ Jevgenij Zolotov. Hra, která změnila svět  // Computerra  : magazín. - 2004. - 13. dubna. Archivováno z originálu 31. ledna 2012.

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
 Elektrické měřicí přístroje