Oscyloskopy

Istnieje wiele różnych metod pomiaru napięć elektrycznych. Dla doświadczonego mechanika samochodowego często wystarczy zwykła lampa kontrolna, aby stwierdzić, czy dany kabel jest pod napięciem, czy nie. W ten sposób można szybko znaleźć przyczyny ciemnych reflektorów lub niedziałającego regulatora okien. Mechanicy, którzy chcą działać dokładniej, lubią korzystać z multimetrów cyfrowych. Dzięki tym przyrządom pomiarowym wartości napięcia są dokładnie wyświetlane. Jednak gdy przychodzi do wyświetlania szybko zmieniających się zmian napięcia lub stale powtarzających się sygnałów, nawet dobrze działające multimetry szybko okazują się niewystarczające. W tym przypadku pomocne mogą być oscyloskopy. Ponieważ te przyrządy pomiarowe mają ekran, na którym precyzyjnie wyświetlane są krzywe napięcia lub kształty sygnałów. Nawet jeśli te przyrządy pomiarowe wydają się początkowo dość skomplikowane ze względu na wiele elementów nastawczych, przełączników i regulatorów, to pomiar oscyloskopem jest w zasadzie dość prosty. Chętnie wyjaśnimy więcej na temat tych praktycznych, a teraz także niedrogich urządzeń pomiarowych.

Jak już wspomniano, oscyloskopy służą do bliższego badania krzywych napięciowych lub sygnałów. Kiedy mówimy o sygnałach w elektronice czy technice, nie mówimy o sygnałach świetlnych z sygnalizacji świetlnej. Mówimy raczej o zmianach napięcia, które zawierają informacje analogowe lub cyfrowe. W przypadku np. telewizora, eksperci mówią o sygnałach wideo, które służą do przekazywania informacji o obrazie. Z kolei sygnały dźwiękowe przekazują informację dźwiękową. Jeżeli mimo zwiększenia głośności nie słychać dźwięku w telewizorze, to dość łatwo można sprawdzić oscyloskopem, gdzie przerwana jest ścieżka sygnału. Można jednak mierzyć również zachowanie oscylacyjne oscylatorów, impulsy czujników lub nawet przesunięcia fazowe między dwoma sygnałami. Wymienione tu przykłady stanowią jednak tylko bardzo mały wycinek niemal nieograniczonych możliwości zastosowań oscyloskopów. Nawiasem mówiąc, ponieważ wyświetlanie wyniku pomiaru na ekranie często przypomina urządzenie rysujące krzywe na papierze, pierwsze oscyloskopy nazywano również oscylografami.

Lampa Brauna jest prawie próżniową lampą elektronową, która ma z przodu obszar w kształcie stożka. Obszar ten jest od wewnątrz pokryty materiałem, który jasno świeci, gdy uderzają w niego przyspieszone elektrony. Dzięki temu możliwe jest wyświetlanie punktów, a nawet linii i krzywych. Potrzebne do tego elektrony emitowane są przez rozgrzaną katodę. Katoda znajduje się w cylindrze Wehnelta, który dzięki swojemu ujemnemu ładunkowi wiąże elektrony w centrum i uwalnia je przez otwór w kierunku wiązki. Elektrody w kształcie pierścienia (anoda) zapewniają niezbędne przyspieszenie dla uciekających elektronów. Anody również mają otwór w środku. Dlatego przyspieszone elektrony mogą lecieć dalej do warstwy luminescencyjnej. Aby elektrony spotkały się tam w jednym punkcie, elektrody ogniskowe zapewniają skupienie wiązki elektronów. Ponieważ jednak nie tylko jeden punkt ma być reprezentowany, wiązka elektronów musi być odchylona w prawo i w lewo, a także w górę i w dół. Odchylenie to jest realizowane przez płytki, do których przyłożone jest napięcie. Dwie pionowe płyty odchylają wiązkę elektronów poziomo od lewej do prawej (oś X), a dwie poziome płyty odchylają wiązkę w pionie (oś Y).

Schematyczne przedstawienie z podgrzewaną katodą (1); cylinder Wehnelta (2); elektrody anodowe (3); elektrody ogniskujące (4); płytki odchylania pionowego (5); płytki odchylania poziomego (6); strumienie elektronów (7); warstwa luminescencyjna (8).

Ze względu na długość konstrukcyjną tuby, oscyloskopy analogowe mają stosunkowo duże obudowy i są przeznaczone przede wszystkim do pracy stacjonarnej.

Nad ekranem umieszczona jest siatka z cienkimi liniami. Dzięki temu wiązka elektronów może być starannie wyrównana. Ponadto można sformułować konkretne stwierdzenia dotyczące poziomu napięcia i częstotliwości mierzonego sygnału.

Jeżeli odstępy między liniami wynoszą jeden centymetr, to skale odpowiednich pokręteł regulacyjnych są oznaczone jedną wartością na centymetr, np. 5 mV/cm lub 0,1 s/cm. Jeśli odległość linii ma wartości odbiegające od normy, w oznakowaniu stosuje się np. 5 mV/DIV. (DIV. dla division - działka/dzielnik).

Aby zmierzyć częstotliwość i amplitudę oscylatora, na przykład, wiązka elektronów musi być najpierw odchylona od lewej do prawej. Dla tego odchylenia poziomego oscyloskop posiada wewnętrzny generator, który podaje sygnał wyjściowy w postaci piłokształtnej. To napięcie piłokształtne jest wzmacniane wewnętrznie i przełączane na płytki pionowe. Dzięki rosnącej zmianie napięcia (od t0 do t1) plamka świetlna przesuwa się od lewej krawędzi ekranu do prawej ze stałą prędkością. W czasie t1 napięcie odchylania przeskakuje od maksymalnej wartości dodatniej do maksymalnej wartości ujemnej. Powoduje to odchylenie wiązki elektronów z prawej strony z powrotem do lewej i przy kolejnym zwiększeniu napięcia może ponownie przesunąć się w prawo. Aby uniknąć zakłóceń obrazu, wiązka elektronów jest skanowana w ciemności podczas powrotu na lewą stronę.

Częstotliwość napięcia piłokształtnego można zmieniać za pomocą przełącznika obrotowego o kilku pozycjach przełączania. Jeśli na tym przełączniku, zwanym bazą czasową, ustawiona jest duża wartość, np. 2 sekundy na dzielnik (2s/DIV.), dla prędkości odchylania, podświetlona kropka przesuwa się bardzo powoli z lewej do prawej. Im krótszy jest ustawiony czas na dzielnik, tym szybciej przesuwa się piksel.  Od wartości 2 ms/DIV. lub krótszej, kropka jest tak szybka, że ludzkie oko postrzega już linię poziomą. Efekt ten jest również wspierany przez czas trwania poświaty warstwy luminescencyjnej.

Pionowe odchylenie wiązki elektronów następuje poprzez wejście pomiarowe lub poprzez mierzony sygnał. Ponieważ do płytek musi być przyłożone stosunkowo wysokie napięcie, aby w ogóle odchylić wiązkę, wejście pomiarowe jest również podłączone do wewnętrznego wzmacniacza. Oznacza to, że nawet stosunkowo niskie napięcia w zakresie 1/1000 V mogą być mierzone bez żadnych problemów.

Jeżeli oprócz opisanego już odchylenia poziomego występuje również odchylenie pionowe spowodowane sygnałem wejściowym, to zamiast linii poziomej wyświetlana jest krzywa napięcia mierzonego sygnału.

W celu wyświetlania prawidłowego sygnału, wejście pomiarowe posiada przełącznik wyboru odchylenia pionowego, za pomocą którego można ustawić stopniowe wzmocnienie sygnału pomiarowego. Pozwala to na ustawienie optymalnego widoku sygnału pomiarowego.

Zanim jednak rozpocznie się pomiar, należy najpierw sprawdzić zestrojenie wiązki elektronów. W oscyloskopach analogowych zazwyczaj bezpośrednio przy gnieździe wejściowym znajduje się przełącznik, za pomocą którego można przełączyć wejście na masę lub uziemienie. Dzięki temu wiązka elektronów nie jest odchylana w pionie. Teraz wiązka elektronów może być zgrabnie ustawiona do linii zerowej siatki za pomocą obrotowej regulacji pozycji Y. W zależności od rodzaju mierzonego napięcia, przełącznik wyboru wejścia musi być następnie ustawiony z masy na napięcie zmienne (AC) lub napięcie stałe (DC). Oscyloskopy cyfrowe również posiadają takie opcje ustawień. Ustawienie nie odbywa się jednak za pomocą przełącznika, lecz poprzez menu urządzenia pomiarowego, które różni się nieznacznie w zależności od producenta.

Określenie poziomu napięcia

W przedstawionym przykładzie przełącznik wyboru odchylenia pionowego został ustawiony na 0,1 V/DIV. co daje wartość 0,4 Vpp lub 400 mVpp dla sygnału fali kwadratowej o wysokości sygnału czterech pól.

Określenie częstotliwości

Czas trwania impulsu załączającego i następującego po nim impulsu wyłączającego to również dwa pola. Przełącznik wyboru prędkości odchylenia lub bazy czasowej był ustawiony na 0,5 mS/DIV. w celu wykonania pomiaru. Oznacza to, że jeden okres sygnału fali kwadratowej trwa 1 milisekundę (T = 1 mS). Częstotliwość można wtedy obliczyć z odwrotności czasu trwania okresu. W przedstawionym przykładzie napięcie o fali kwadratowej ma częstotliwość 1 kHz.

Jednak coraz więcej oscyloskopów cyfrowych cieszy się większym zainteresowaniem. W oscyloskopie cyfrowym analogowy sygnał pomiarowy jest digitalizowany, zapisywany i wyświetlany za pomocą konwertera. Dzięki temu, przy odpowiednim wyzwalaniu, możliwa jest precyzyjna analiza nawet jednorazowych zdarzeń, które mają miejsce np. podczas ręcznie uruchomionego procesu przełączania.

Ale nawet rurka Brauna jest już przestarzała. Obecnie nowoczesne oscyloskopy wyposażone są w kolorowe wyświetlacze. Te elektroniczne wyświetlacze oferują wiele dodatkowych informacji, które są wyświetlane razem z sygnałem pomiarowym. Ze względu na kompaktową budowę, nowoczesne oscyloskopy wymagają znacznie mniej miejsca na stole pomiarowym i mogą być używane nawet w terenie jako przenośne oscyloskopy ręczne. Alternatywą są oscyloskopy USB lub oscyloskopy PC. Te urządzenia pomiarowe nie posiadają własnego wyświetlacza, lecz złącze USB. Ich obsługa odbywa się po prostu na komputerze z odpowiednim oprogramowaniem, przy czym monitor służy do wyświetlania wyniku pomiaru. Urządzenia te często posiadają kilka kanałów analogowych i cyfrowych i są idealne do celów szkoleniowych.