Osciloscop

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 14 noiembrie 2021; verificările necesită 5 modificări .

Osciloscop ( latină  oscillo  - eu leagăn + greacă γραφω  - scriu) - un dispozitiv conceput pentru a studia (observa, înregistra, măsura) parametrii de amplitudine și timp ai unui semnal electric furnizat la intrarea sa și afișat vizual (vizualizare) direct pe ecran sau înregistrate pe bandă fotografică .

Istorie

Procesul oscilator electric a fost inițial înregistrat manual pe hârtie. Primele încercări de automatizare a înregistrării au fost făcute de Jules François Joubert în 1880, care a propus o metodă semiautomată pas cu pas pentru înregistrarea unui semnal [1] . Dezvoltarea metodei Joubert a fost ondograful complet automat Hospitalier [2] . În 1885, fizicianul rus Robert Colli a creat un oscilometru, iar în 1893, fizicianul francez Andre Blondel a inventat un osciloscop magnetoelectric cu suspensie bifilară [3] .

Părțile mobile de înregistrare ale primelor osciloscoape aveau o inerție mare și nu permiteau înregistrarea proceselor rapide. Acest neajuns a fost eliminat în 1897 [4] de William Duddell , care a creat un osciloscop cu fascicul de lumină folosind o mică oglindă de lumină ca element de măsurare. Înregistrarea s-a făcut pe o placă fotosensibilă [5] . Punctul culminant al dezvoltării acestei metode a fost la mijlocul secolului al XX-lea osciloscoapele cu bandă multicanal.

Aproape simultan cu Duddell , Karl Ferdinand Brown a folosit kinescopul inventat de el pentru a afișa semnalul [6] . În 1899, dispozitivul a fost modificat de Jonathan Zenneck, care a adăugat o măturare orizontală, care l-a făcut similar cu osciloscoapele moderne. Kinescopul lui Brown în anii 1930 a înlocuit kinescopul lui Zworykin , ceea ce a făcut ca dispozitivele bazate pe acesta să fie mai fiabile [7] .

La sfârșitul secolului al XX-lea, dispozitivele analogice au fost înlocuite cu cele digitale. Datorită dezvoltării electronicii și apariției convertoarelor analog-digitale rapide , până în anii 1990 au ocupat o poziție dominantă în rândul osciloscoapelor.

Dispozitiv

Un osciloscop cu un afișaj bazat pe CRT este format din următoarele părți principale:

Contine si unitati auxiliare: unitate de control al luminozitatii, calibrator de durata, calibrator de amplitudine.

Osciloscoapele digitale folosesc cel mai frecvent LCD -uri .

Ecran

Osciloscopul are un ecran A care afișează grafice ale semnalelor de intrare. Pentru osciloscoapele digitale, imaginea este afișată pe afișaj (monocrom sau color) sub forma unei imagini finite, pentru osciloscoapele analogice se folosește ca ecran un tub catodic osciloscop cu o deviație electrostatică . O grilă de coordonate este de obicei aplicată pe ecran din interiorul balonului.

Intrări de semnal

Osciloscoapele sunt împărțite în cu un singur canal și cu mai multe canale (2, 4, 6 și mai multe canale de abatere verticală). Osciloscoapele multicanal vă permit să observați simultan mai multe semnale pe ecran, să le măsurați parametrii și să le comparați între ele.

Semnalul de intrare al fiecărui canal este alimentat la intrarea lui „Y” și amplificat de amplificatorul său de deviere verticală la nivelul necesar pentru funcționarea sistemului de deviație CRT (zeci de volți) sau a convertorului analog-digital . Amplificatorul de deviație verticală este aproape întotdeauna construit în funcție de circuitul amplificatorului DC (DCA ) , adică are o frecvență de operare mai mică de 0 Hz. Acest lucru vă permite să măsurați componenta constantă a semnalului, să afișați corect semnalele asimetrice în raport cu linia zero și să măsurați tensiunea DC. Acest mod de operare se numește modul de intrare deschis .

Cu toate acestea, dacă este necesar să tăiați componenta DC (de exemplu, este prea mare și deviază fasciculul dincolo de limitele ecranului și trebuie studiate mici modificări ale semnalului), amplificatorul poate fi comutat în modul de intrare închis . (semnalul de intrare este alimentat la UPT printr-un condensator de cuplare ).

Sweep control

Majoritatea osciloscoapelor folosesc două moduri de bază de baleiaj:

Unele modele au un alt mod:

Măturare automată

Cu măturare automată, generatorul de măturare funcționează în modul auto-oscilant, prin urmare, chiar și în absența unui semnal, la sfârșitul ciclului de măturare - ciclul generatorului de tensiune dinți de ferăstrău al măturii, pornește din nou, acest lucru vă permite pentru a observa imaginea pe ecran chiar și în absența unui semnal sau când se aplică o abatere verticală constantă tensiunii de intrare. În acest mod, pentru multe modele de osciloscoape, frecvența generatorului de baleiaj este captată de semnalul studiat, în timp ce frecvența generatorului de baleiaj este de un număr întreg de ori mai mică decât frecvența semnalului studiat.

Modul de baleiaj standby

În modul standby sweep, dimpotrivă, dacă nu există semnal sau nivelul acestuia este insuficient (sau dacă modul de sincronizare este configurat incorect), nu există sweep și ecranul devine gol. Măturarea începe atunci când semnalul atinge un anumit nivel setat de operator și puteți configura începutul măturarii atât pe muchia ascendentă a semnalului, cât și pe muchia descendentă. În studiul proceselor de impuls, chiar dacă acestea sunt neperiodice (de exemplu, neperiodice, excitație de impact destul de rară a unui circuit oscilator), modul de așteptare asigură imobilitatea vizuală a imaginii pe ecran.

În modul de așteptare, măturarea este adesea declanșată nu de semnalul studiat în sine, ci de un semnal sincron, de obicei înaintea procesului în sine, de exemplu, un semnal de la un generator de impulsuri care excită procesul din circuitul studiat. În acest caz, semnalul de declanșare este aplicat la intrarea auxiliară a osciloscopului - intrarea declanșatorului de baleiaj  - intrarea de sincronizare .

O singură cursă

În modul unic, generatorul de măturare este „armat” printr-o acțiune externă, de exemplu, prin apăsarea unui buton și apoi așteaptă pornirea în același mod ca în modul de așteptare. După pornire, măturarea este efectuată o singură dată; pentru a reporni generatorul de măturare, este necesar să-l „armați” din nou. Acest mod este convenabil pentru studierea proceselor non-periodice, cum ar fi semnalele logice din circuitele digitale, astfel încât măturările ulterioare de-a lungul marginilor semnalului să nu „împrăștie” ecranul.

Dezavantajul acestui mod de baleiaj este că punctul luminos trece pe ecran o dată. Acest lucru face dificilă observarea în timpul măturărilor rapide, deoarece luminozitatea imaginii în acest caz este mică. De obicei, în aceste cazuri, se folosește fotografiarea ecranului. Necesitatea fotografierii pe film a fost eliminată anterior prin utilizarea tuburilor de osciloscop cu stocare a imaginii; în osciloscoapele digitale moderne, procesul este stocat digital în memoria digitală ( RAM ) a osciloscopului.

Sincronizarea sweep-ului cu semnalul studiat

Pentru a obține o imagine statică pe ecran, fiecare traiectorie ulterioară a fasciculului de pe ecran în cicluri de baleiaj trebuie să parcurgă aceeași curbă. Aceasta este asigurată de circuitul de sincronizare a baleiajului, care declanșează măturarea la același nivel și margine a semnalului studiat.

Exemplu. Să presupunem că examinați o undă sinusoidală și circuitul de sincronizare este configurat pentru a declanșa o baleiaj atunci când unda sinusoidală crește când valoarea sa este zero. După pornire, fasciculul atrage una sau mai multe, în funcție de viteza de măturare configurată, unde sinusoidale . După terminarea măturii, circuitul de sincronizare nu repornește măturarea, ca în modul automat, ci așteaptă următoarea trecere a valorii zero de către unda sinusoială pe frontul ascendent. Evident, trecerea ulterioară a fasciculului pe ecran va repeta traiectoria precedentului. La frecvențe de repetare a baleiajului de peste 20 Hz , din cauza inerției vizuale și a strălucirii ulterioare a fosforului ecranului, va fi vizibilă o imagine staționară.

Dacă declanșarea măturii nu este sincronizată cu semnalul observat, atunci imaginea de pe ecran va părea „în curs de funcționare” sau chiar întinsă complet. Acest lucru se datorează faptului că, în acest caz, pe același ecran sunt afișate diferite secțiuni ale semnalului observat.

Pentru a obține o imagine stabilă, toate osciloscoapele conțin un sistem numit circuit de sincronizare , care în literatura străină nu este adesea numit corect declanșator .

Scopul schemei de cronometrare este de a întârzia începutul măturii până când are loc un eveniment. În exemplu, evenimentul a fost trecerea unei sinusoide prin zero pe o muchie ascendentă.

Prin urmare, schema de sincronizare are cel puțin două setări disponibile operatorului:

Setarea corectă a acestor comenzi asigură că baleiajul este întotdeauna declanșat în același loc pe forma de undă, astfel încât imaginea formei de undă pare stabilă și nemișcată pe forma de undă.

În multe modele de osciloscoape, există un alt organ pentru controlul circuitului de sincronizare - butonul de reglare netedă „STABILITATE”, prin schimbarea poziției sale, timpul de insensibilitate al generatorului de baleiaj la evenimentul de declanșare („timpul mort” al generatorului de măturare) s-a schimbat. Într-o poziție extremă, generatorul de baleiaj este comutat în modul auto-oscilant, în cealaltă poziție extremă - în modul de așteptare, în pozițiile intermediare schimbă frecvența de pornire a măturarii. De obicei, osciloscoapele echipate cu această reglare nu au un comutator pentru modul de baleiaj „STANDBY/AUTO”.

După cum sa menționat, aproape întotdeauna este furnizată o intrare suplimentară de sincronizare a baleiajului, în timp ce există un comutator de declanșare a baleiajului „EXTERN / INTERN”, atunci când poziția „EXTERN” este aplicată la intrarea circuitului de sincronizare a baleiajului, nu semnalului în sine, ci tensiune de la intrarea de sincronizare.

Adesea, există un comutator pentru sincronizarea de la rețea (în țările europene și Rusia - 50 Hz, în alte țări - 60 Hz), la sincronizarea de la rețea, tensiunea cu frecvența rețelei este aplicată la intrarea circuitului de sincronizare. O astfel de sincronizare este convenabilă pentru observarea semnalelor cu frecvența rețelei sau a semnalelor care sunt multipli ai acestei frecvențe, de exemplu, interferența rețelei la măsurarea parametrilor filtrelor de rețea, redresoarelor etc.

Osciloscoapele specializate au, de asemenea, moduri de sincronizare speciale, de exemplu, modul de pornire a baleiajului la începutul liniei specificate de operator în cadrul semnalului de televiziune, care este convenabil atunci când se măsoară parametrii traseului televiziunii și etapele sale individuale în sistemele de televiziune .

În alte osciloscoape specializate utilizate în studiul dispozitivelor digitale (de exemplu, microprocesor ), circuitul de sincronizare este completat de un comparator de cod și scanarea este pornită atunci când codul binar (cuvântul) specificat de operator se potrivește cu codul de pe magistrală , de exemplu, pe magistrala de adrese . Acest lucru este convenabil pentru a găsi cauza defecțiunilor la scrierea / citirea unei anumite celule de memorie și alte diagnostice.

Clasificare

Conform logicii funcționării și scopului, osciloscoapele pot fi împărțite în trei grupe [8] :

Osciloscoape cu baleiaj continuu pentru înregistrarea unei curbe pe o bandă fotografică (osciloscop stub).

După numărul de fascicule: cu un fascicul, cu fascicul dublu etc. Numărul de fascicule poate ajunge la 16 sau mai mult (un osciloscop cu n fascicule are n intrări de semnal și poate afișa simultan n grafice ale semnalelor de intrare pe ecran).

Osciloscoapele cu măturare periodică sunt împărțite în: universale (convenționale), de mare viteză, stroboscopice, de memorie și speciale; osciloscoapele digitale pot combina capacitatea de a utiliza diferite funcții.

Există osciloscoape (în mare parte portabile) combinate cu alte instrumente de măsură (de exemplu , multimetru ). Astfel de instrumente se numesc scopometre . În a doua jumătate a anilor 2010 au apărut pe piață osciloscoapele pentru tablete, adică dispozitive cu control total tactil pe un afișaj color.

Un osciloscop poate exista, de asemenea, nu numai ca un dispozitiv separat, ci și ca un set-top box la un computer - sub forma unei plăci de expansiune sau conectat printr-un port extern al computerului; cel mai des folosit este USB , anterior era folosit și LPT .

Personalizare

Majoritatea osciloscoapelor au încorporat un dispozitiv de calibrare (calibrator), al cărui scop este generarea unui semnal de control cu ​​parametri cunoscuți și stabili. De obicei, un astfel de semnal este sub forma unei unde pătrate cu o amplitudine de 1 V cu o frecvență de 1 kHz și un ciclu de lucru de 2 ( ciclu de lucru de 50%), parametrii semnalului de calibrare sunt de obicei semnați lângă ieșirea semnalului de calibrare. Dacă este necesar, utilizatorul poate conecta sonda de măsurare a canalului de deviație vertical sau orizontal al instrumentului la ieșirea calibratorului și poate vedea semnalul calibratorului pe ecranul osciloscopului. Dacă semnalul observat diferă de cel indicat pe calibrator, care este tipic pentru osciloscoapele analogice, atunci prin ajustarea sensibilității canalelor, utilizatorul poate corecta caracteristicile de intrare ale sondei și/sau amplificatoarelor osciloscopului, astfel încât semnalul să se potrivească datele calibratorului.

Osciloscoapele digitale de obicei nu au trimmere, deoarece semnalul este procesat digital, dar de obicei au reglare automată a canalului în funcție de calibrator, în timp ce o utilitate specială este apelată prin meniul osciloscopului, a cărui lansare calibrează automat osciloscopul în funcție de sensibilitate. a canalelor.

Comparația osciloscoapelor analogice și digitale

Atât osciloscoapele digitale, cât și cele analogice au propriile avantaje și dezavantaje:

Avantajele osciloscoapelor analogice

Dezavantajele osciloscoapelor analogice

Avantajele osciloscoapelor digitale

Dezavantajele osciloscoapelor digitale

Aplicație

Unul dintre cele mai importante dispozitive din electronica radio. Sunt utilizate în scopuri aplicative, de laborator și de cercetare , pentru monitorizarea/studiul și măsurarea parametrilor semnalelor electrice - atât direct, cât și obținute prin acțiunea diferitelor dispozitive/medii asupra senzorilor care transformă aceste efecte într-un semnal electric sau unde radio.

Observarea figurilor Lissajous

În osciloscoape, există un mod în care nu este aplicată o tensiune de măturare cu dinți de ferăstrău plăcilor de deviere orizontale, ci un semnal arbitrar aplicat unei intrări speciale (intrare „X”). Dacă aplicați semnale de frecvențe apropiate intrărilor „X” și „Y” ale osciloscopului, atunci puteți vedea cifrele Lissajous pe ecran . Această metodă este utilizată pe scară largă pentru a compara frecvențele a două surse de semnal și pentru a regla o sursă la frecvența alteia.

Măsurătorile cursorului

Osciloscoapele moderne analogice și digitale au adesea un sistem de service auxiliar care vă permite să măsurați în mod convenabil unii parametri ai semnalului examinat de osciloscop. În astfel de osciloscoape, imaginile cursoarelor sub formă de linii drepte orizontale sau verticale sau sub formă de linii drepte reciproc perpendiculare sunt afișate suplimentar pe ecranul de observare a semnalului studiat.

Coordonatele liniilor cursorului în termeni de amplitudine și timp sunt afișate în formă digitală zecimală, de obicei pe ecranul osciloscopului, sau pe indicatori digitali suplimentari.

Operatorul, folosind comenzile de poziție a cursorului, are capacitatea de a îndrepta cursorul în punctul de interes pentru imaginea semnalului, în timp ce sistemul cursorului afișează continuu digital coordonatele acestui punct - nivelul de tensiune sau punctul de timp de-a lungul axei timpului și axa amplitudinii.

Multe osciloscoape au mai multe tipuri de cursoare, în timp ce indicatorii digitali pot afișa diferența dintre valorile bifurilor cursorului dintre o pereche de bifături verticale și intervalul de timp dintre o pereche de bifături orizontale ale cursorului. În aproape toate tipurile de astfel de osciloscoape, indicatorii afișează automat digital inversul intervalului de timp dintre crestăturile cursorului, ceea ce oferă imediat frecvența semnalului periodic studiat atunci când cursorii sunt plasați de-a lungul axei timpului pe fronturile de semnal adiacente.

Unele osciloscoape asigură poziționarea automată a cursoarelor pe vârfurile semnalului, ceea ce în majoritatea cazurilor este scopul măsurătorilor de amplitudine. Astfel, măsurătorile cursorului fac posibilă simplificarea măsurării parametrilor de semnal de către o persoană, eliminând necesitatea citirii vizuale a numărului de celule care marchează scara ecranului osciloscopului și înmulțirea datelor obținute în acest fel cu valorile diviziunii verticale și orizontale. .

Funcții matematice

În unele osciloscoape multicanal, este posibil să se realizeze funcții matematice pe semnalele măsurate de diferite canale și să emită semnalul rezultat în locul sau în plus față de semnalele originale măsurate. Cele mai comune funcții sunt adunarea, scăderea, înmulțirea și împărțirea. Aceasta face posibilă, de exemplu, scăderea din semnalul studiat al canalului nr. 1 a semnalului de sincronizare care ajunge la canalul nr. 2, eliberând astfel semnalul studiat de semnalele de sincronizare. Sau, de exemplu, este posibil să se verifice factorul de calitate al unității de amplificare a semnalului analogic scăzând semnalul de intrare din semnalul de ieșire.

Captarea unui șir de semnal TV

În osciloscoapele digitale moderne, precum și în unele osciloscoape specializate cu tub catodic, există un mod special de sincronizare - televiziunea. Acest mod vă permite să afișați una sau mai multe linii TV specificate dintr-un semnal video complex. Spre deosebire de un osciloscop convențional, a cărui unitate de sincronizare poate afișa stabil doar prima linie după pulsul de sincronizare, este posibil să se observe orice parte a imaginii de televiziune pe osciloscoape specializate. Astfel de osciloscoape sunt utilizate de obicei în studiourile de televiziune și cablu și vă permit să controlați parametrii tehnici ai echipamentului de transmisie și înregistrare.

Jocuri video

Ecranul osciloscopului a fost folosit ca afișaj pentru unul dintre primele jocuri video , Tennis For Two , care este o versiune virtuală a tenisului. Jocul rula pe un computer analog și era controlat de un controler de joc cu paletă specială [9] .

Vezi și

Note

  1. ↑ Woodward, Gordon. Joubert, Jules François  //  Dicționar biografic al istoriei tehnologiei / Editorii generali Lance Day și Ian McNeil. - Routledge, 2002. - P. 670 . — ISBN 9781134650200 .
  2. ↑ Hawkins, 1917 , pp. 1849-1851.
  3. ↑ Primele osciloscoape . Preluat la 30 mai 2015. Arhivat din original la 31 mai 2015.
  4. ↑ Cronica ilustrată a descoperirilor și invențiilor, p. 145
  5. ↑ Hawkins, 1917 , pp. 1857-1862.
  6. ↑ Hawkins, 1917 , pp. 1852-1854.
  7. ↑ Kularatna, Nihal. Capitolul 5: Fundamentele osciloscoapelor // Instrumentație digitală și analogică: testare și măsurare  (engleză) . - Instituţia de Inginerie şi Tehnologie, 2003. - P. 165-208. — ISBN 978-0-85296-999-1 .
  8. ↑ Green, 2007 , 15.3 Osciloscopul.
  9. ↑ Evgheni Zolotov. Jocul care a schimbat lumea  // Computerra  : revista. - 2004. - 13 aprilie. Arhivat din original la 31 ianuarie 2012.

Literatură

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
 Instrumente electrice de masura