Oscilloskop

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 14 november 2021; kontroller kräver 5 redigeringar .

Oscilloskop ( latinsk  oscillo  - jag svingar + grekiska γραφω  - jag skriver) - en enhet utformad för att studera (observera, spela in, mäta) amplitud- och tidsparametrarna för en elektrisk signal som matas till dess ingång och visuellt visas (visualisering) direkt på skärm eller inspelad på fotoband .

Historik

Den elektriska oscillerande processen fixades till en början manuellt på papper. De första försöken att automatisera inspelningen gjordes av Jules François Joubert 1880, som föreslog en steg-för-steg halvautomatisk metod för att spela in en signal [1] . Utvecklingen av Joubert-metoden var den helautomatiska Hospitalier-ondografen [2] . 1885 skapade den ryske fysikern Robert Colli en oscillometer, och 1893 uppfann den franske fysikern André Blondel ett magnetoelektriskt oscilloskop med en bifilär suspension [3] .

De rörliga inspelningsdelarna i de första oscilloskopen hade en stor tröghet och tillät inte inspelning av snabba processer. Denna brist eliminerades 1897 [4] av William Duddell , som skapade ett ljusstråleoscilloskop med en liten ljusspegel som mätelement. Inspelningen gjordes på en ljuskänslig platta [5] . Höjdpunkten för utvecklingen av denna metod var i mitten av 1900-talet flerkanalsbandoscilloskop.

Nästan samtidigt med Duddell använde Karl Ferdinand Brown det kineskop som han uppfann för att visa signalen [6] . 1899 modifierades enheten av Jonathan Zenneck, som lade till ett horisontellt svep, vilket gjorde att den liknade moderna oscilloskop. Browns kinescope på 1930-talet ersatte Zworykins kinescope , vilket gjorde enheter baserade på det mer tillförlitliga [7] .

I slutet av 1900-talet ersattes analoga enheter med digitala. Tack vare utvecklingen av elektronik och tillkomsten av snabba analog-till-digital-omvandlare tog de på 1990-talet en dominerande ställning bland oscilloskop.

Enhet

Ett oscilloskop med en CRT -baserad display består av följande huvuddelar:

Innehåller även hjälpenheter: ljusstyrkekontrollenhet, varaktighetskalibrator, amplitudkalibrator.

Digitala oscilloskop använder oftast LCD-skärmar .

Skärm

Oscilloskopet har en skärm A som visar grafer över ingångssignalerna. För digitala oscilloskop visas bilden på displayen (monokrom eller färg) i form av en färdig bild, för analoga oscilloskop används ett oscilloskop katodstrålerör med en elektrostatisk avvikelse som skärm. Ett koordinatnät appliceras vanligtvis på skärmen från insidan av kolven.

Signalingångar

Oscilloskop är uppdelade i enkanaliga och flerkanaliga (2, 4, 6 och fler kanaler med vertikal avvikelse). Flerkanaliga oscilloskop låter dig samtidigt observera flera signaler på skärmen, mäta deras parametrar och jämföra dem med varandra.

Insignalen för varje kanal matas till dess ingång "Y" och förstärks av dess vertikala avböjningsförstärkare till den nivå som är nödvändig för driften av CRT-avböjningssystemet (tiotals volt) eller analog-till-digital-omvandlaren . Den vertikala avböjningsförstärkaren är nästan alltid byggd enligt DC-förstärkaren (DCA ) , det vill säga den har en lägre driftsfrekvens på 0 Hz. Detta gör att du kan mäta den konstanta komponenten av signalen, korrekt visa asymmetriska signaler i förhållande till nolllinjen och mäta DC-spänningen. Detta driftläge kallas öppet inmatningsläge .

Men om det är nödvändigt att stänga av DC-komponenten (till exempel är den för stor och avleder strålen utanför skärmens gränser och små signalförändringar krävs för att studeras), kan förstärkaren växlas till slutet ingångsläge (ingångssignalen matas till UPT via en kopplingskondensator ).

Svepkontroll

De flesta oscilloskop använder två grundläggande sveplägen:

Vissa modeller har ett annat läge:

Automatiskt svep

Med automatiskt svep fungerar svepgeneratorn i självoscillerande läge, därför, även i frånvaro av en signal, i slutet av svepcykeln - cykeln för svepets sågtandsspänningsgenerator, startar den igen, detta låter dig att observera bilden på skärmen även i frånvaro av en signal eller när en konstant vertikal avvikelse appliceras på ingångsspänningen. I detta läge, för många modeller av oscilloskop, fångas svepgeneratorns frekvens av signalen som studeras, medan svepgeneratorns frekvens är ett helt antal gånger lägre än frekvensen för signalen som studeras.

Standby-svepläge

I standby-svepläget, tvärtom, om det inte finns någon signal eller dess nivå är otillräcklig (eller om synkroniseringsläget är felaktigt konfigurerat), finns det inget svep och skärmen blir tom. Svepet startar när signalen når en viss nivå som ställts in av operatören, och du kan konfigurera starten av svepet både på den stigande flanken av signalen och på den fallande flanken. Vid studiet av impulsprocesser, även om de är icke-periodiska (till exempel icke-periodisk, ganska sällsynt effektexcitering av en oscillerande krets), säkerställer standby-läget visuell orörlighet av bilden på skärmen.

I standby-läge triggas svepet ofta inte av själva signalen som studeras, utan av någon synkron signal, vanligtvis före själva processen, till exempel en signal från en pulsgenerator som exciterar processen i kretsen som studeras. I detta fall tillförs triggersignalen till hjälpingången på oscilloskopet - svep triggeringång  - synkroniseringsingång .

Enda körning

I singelläget "spänns" svepgeneratorn av en extern åtgärd, till exempel genom att trycka på en knapp och väntar sedan på start på samma sätt som i standbyläget. Efter start utförs svepet endast en gång; för att starta om svepgeneratorn är det nödvändigt att "krana" den igen. Detta läge är bekvämt för att studera icke-periodiska processer, såsom logiska signaler i digitala kretsar, så att efterföljande svep längs signalkanterna inte "skräpar ner" skärmen.

Nackdelen med detta svepläge är att den lysande punkten går över skärmen en gång. Detta gör det svårt att observera under snabba svep, eftersom ljusstyrkan på bilden i det här fallet är liten. Vanligtvis i dessa fall används fotografering av skärmen. Behovet av fotografering på film eliminerades tidigare genom användning av oscilloskoprör med bildlagring, i moderna digitala oscilloskop lagras processen digitalt i oscilloskopets digitala minne ( RAM ).

Synkronisering av svepet med signalen som studeras

För att få en stillbild på skärmen måste varje efterföljande bana för strålen på skärmen i svepcykler löpa längs samma kurva. Detta tillhandahålls av svepsynkroniseringskretsen, som utlöser svepet på samma nivå och kant av signalen som studeras.

Exempel. Låt oss säga att du undersöker en sinusvåg och tidskretsen är inställd för att utlösa ett svep när sinusvågen stiger när dess värde är noll. Efter start drar strålen en eller flera, beroende på den konfigurerade svephastigheten, sinusvågor . Efter slutet av svepet startar inte synkroniseringskretsen om svepet, som i automatiskt läge, utan väntar på nästa passage av nollvärdet av sinusvågen på den stigande flanken. Uppenbarligen kommer den efterföljande passagen av strålen över skärmen att upprepa banan för den föregående. Vid svepupprepningshastigheter över 20 Hz , på grund av synens tröghet och efterglödningen av skärmfosforen, kommer en stillastående bild att synas.

Om utlösningen av svepet inte är synkroniserad med den observerade signalen, kommer bilden på skärmen att se "rinnande" ut eller till och med helt utsmetad. Detta beror på att i det här fallet visas olika delar av den observerade signalen på samma skärm.

För att få en stabil bild innehåller alla oscilloskop ett system som kallas en synkroniseringskrets , som i utländsk litteratur ofta inte helt korrekt kallas en trigger .

Syftet med tidsschemat är att fördröja starten av svepet tills någon händelse inträffar. I exemplet var händelsen passagen av en sinusform genom noll på en stigande kant.

Därför har synkroniseringsschemat minst två inställningar tillgängliga för operatören:

Korrekt inställning av dessa kontroller säkerställer att svepet alltid utlöses på samma plats på vågformen, så att vågformsbilden verkar stabil och stilla på vågformen.

I många modeller av oscilloskop finns det ett annat organ för att styra synkroniseringskretsen - "STABILITY" mjuka justeringsratten, genom att ändra dess position, okänslighetstiden för svepgeneratorn till den utlösande händelsen ("dödtid" för svepgeneratorn) ändras. I ett ytterläge växlas svepgeneratorn till självoscillerande läge, i det andra ytterläget - till standbyläge, i mellanlägen ändrar den svepstartfrekvensen. Vanligtvis har oscilloskop som är utrustade med denna justering inte en "STANDBY/AUTO" sveplägesomkopplare.

Som nämnts tillhandahålls nästan alltid en extra svepsynkroniseringsingång, medan det finns en "EXTERNAL / INTERNAL" sveptriggeromkopplare, när "EXTERNAL"-läget appliceras på ingången till svepsynkroniseringskretsen, inte själva signalen, utan spänning från synkroniseringsingången.

Ofta finns det en omkopplare för synkronisering från elnätet (i europeiska länder och Ryssland - 50 Hz, i vissa andra länder - 60 Hz), vid synkronisering från elnätet appliceras spänning med nätfrekvensen på ingången till synkroniseringskretsen. Sådan synkronisering är praktiskt för att observera signaler med nätfrekvensen eller signaler som är multiplar av denna frekvens, till exempel nätstörningar vid mätning av parametrar för nätfilter, likriktare, etc.

Specialiserade oscilloskop har också speciella synkroniseringslägen, till exempel svepstartläget i början av linjen som anges av operatören i TV-signalramen, vilket är praktiskt när man mäter parametrarna för TV-vägen och dess individuella steg i TV- system .

I andra specialiserade oscilloskop som används för att studera digitala (till exempel mikroprocessorer ) enheter, kompletteras synkroniseringskretsen med en kodkomparator och svepet startas när den binära koden (ordet) som specificeras av operatören matchar koden på bussen . till exempel på adressbussen . Detta är bekvämt för att hitta orsaken till fel vid skrivning/läsning av en viss minnescell och annan diagnostik.

Klassificering

Enligt operationslogiken och syftet kan oscilloskop delas in i tre grupper [8] :

Kontinuerliga sveposcilloskop för inspelning av en kurva på ett fotografiskt band (stubboscilloskop).

Genom antalet strålar: enkelstråle, dubbelstråle, etc. Antalet strålar kan nå 16 eller fler (ett n -stråleoscilloskop har n signalingångar och kan samtidigt visa n grafer av ingångssignaler på skärmen).

Oscilloskop med ett periodiskt svep är indelade i: universell (konventionell), höghastighets, stroboskopisk, minne och speciell; digitala oscilloskop kan kombinera möjligheten att använda olika funktioner.

Det finns oscilloskop (oftast bärbara) kombinerade med andra mätinstrument ( t.ex. multimeter ). Sådana instrument kallas skopometrar . Under andra hälften av 2010-talet dök det upp tabletoscilloskop på marknaden, det vill säga enheter med full touch-kontroll på en färgskärm.

Ett oscilloskop kan också existera inte bara som en separat enhet, utan också som en set-top-box till en dator - i form av ett expansionskort eller anslutet via någon extern datorport; vanligast är USB , tidigare användes även LPT .

Anpassning

De flesta oscilloskop har en inbyggd kalibreringsanordning (kalibrator), vars syfte är att generera en styrsignal med kända och stabila parametrar. Vanligtvis är en sådan signal i form av en fyrkantvåg med en amplitud på 1 V med en frekvens på 1 kHz och en arbetscykel på 2 ( 50 % arbetscykel), parametrarna för kalibratorsignalen är vanligtvis undertecknade bredvid utsignalen från kalibratorsignalen. Vid behov kan användaren ansluta mätsonden för instrumentets vertikala eller horisontella avvikelsekanal till kalibratorns utgång och se kalibratorns signal på oscilloskopskärmen. Om den observerade signalen skiljer sig från den som anges på kalibratorn, vilket är typiskt för analoga oscilloskop, kan användaren genom att justera känsligheten för kanalerna korrigera ingångsegenskaperna för sonden och/eller förstärkarna på oscilloskopet så att signalen matchar kalibratorns data.

Digitala oscilloskop har vanligtvis inga trimmers, eftersom signalen bearbetas digitalt, men vanligtvis har de automatisk kanalinställning enligt kalibratorn, medan ett speciellt verktyg anropas genom oscilloskopmenyn, vars lansering automatiskt kalibrerar oscilloskopet enligt känsligheten av kanalerna.

Jämförelse av analoga och digitala oscilloskop

Både digitala och analoga oscilloskop har sina egna fördelar och nackdelar:

Fördelar med analoga oscilloskop

Nackdelar med analoga oscilloskop

Fördelar med digitala oscilloskop

Nackdelar med digitala oscilloskop

Applikation

En av de viktigaste enheterna inom radioelektronik. De används för tillämpade, laboratorie- och forskningsändamål , för att övervaka / studera och mäta parametrarna för elektriska signaler - både direkt och erhållna genom verkan av olika enheter / media på sensorer som omvandlar dessa effekter till en elektrisk signal eller radiovågor.

Observation av Lissajous-figurerna

I oscilloskop finns det ett läge där inte en sågtandssvepspänning appliceras på de horisontella avböjningsplattorna, utan en godtycklig signal som appliceras på en speciell ingång ("X"-ingång). Om du applicerar signaler med nära frekvenser till ingångarna "X" och "Y" på oscilloskopet, kan du se Lissajous-siffror på skärmen . Denna metod används ofta för att jämföra frekvenserna för två signalkällor och för att ställa in en källa till frekvensen för en annan.

Markörmätningar

Moderna analoga och digitala oscilloskop har ofta ett extra servicesystem som gör att du bekvämt kan mäta vissa parametrar för signalen som undersöks av oscilloskopet. I sådana oscilloskop visas bilder av markörer i form av horisontella eller vertikala räta linjer, eller i form av ömsesidigt vinkelräta räta linjer, på observationsskärmen för signalen som studeras.

Koordinaterna för markörlinjerna i termer av amplitud och tid visas i decimal digital form, vanligtvis på oscilloskopskärmen eller på ytterligare digitala indikatorer.

Operatören har, med hjälp av markörpositionskontrollerna, möjligheten att peka markören på den intressanta punkten till signalbilden, medan markörsystemet kontinuerligt digitalt visar koordinaterna för denna punkt - spänningsnivån eller tidpunkten längs tidsaxeln och amplitudaxeln.

Många oscilloskop har flera typer av markörer, medan digitala indikatorer kan visa skillnaden i värdena på markörtickarna mellan ett par vertikala markeringar och tidsintervallet mellan ett par horisontella markörtickar. I nästan alla typer av sådana oscilloskop visar indikatorerna automatiskt digitalt det reciproka av tidsintervallet mellan markörskårorna, vilket omedelbart ger frekvensen för den studerade periodiska signalen när markörerna svävar längs tidsaxeln på intilliggande signalfronter.

Vissa oscilloskop ger automatisk positionering av markörer på signaltoppar, vilket i de flesta fall är syftet med amplitudmätningar. Således gör markörmätningar det möjligt att förenkla mätningen av signalparametrar av en person, vilket eliminerar behovet av att visuellt läsa antalet celler som markerar skalan på oscilloskopskärmen och multiplicera data som erhålls på detta sätt med de vertikala och horisontella divisionsvärdena .

Matematiska funktioner

I vissa flerkanalsoscilloskop är det möjligt att utföra matematiska funktioner på signalerna som mäts av olika kanaler och mata ut den resulterande signalen istället för eller utöver de uppmätta originalsignalerna. De vanligaste funktionerna är addition, subtraktion, multiplikation och division. Detta gör det t.ex. möjligt att subtrahera från den studerade signalen för kanal nr 1 synkroniseringssignalen som anländer till kanal nr 2, varigenom den studerade signalen frigörs från synkroniseringssignaler. Eller, till exempel, är det möjligt att kontrollera kvalitetsfaktorn för den analoga signalförstärkningsenheten genom att subtrahera insignalen från utsignalen.

Fånga en TV-signalsträng

I moderna digitala oscilloskop, såväl som i vissa specialiserade katodstråleröroscilloskop, finns det ett speciellt synkroniseringsläge - tv. Detta läge låter dig visa en eller flera specificerade TV-linjer från en komplex videosignal. Till skillnad från ett konventionellt oscilloskop, vars synkroniseringsenhet stabilt endast kan visa den första raden efter synkpulsen, är det möjligt att observera vilken del av TV-bilden som helst på specialiserade oscilloskop. Sådana oscilloskop används vanligtvis i tv- och kabelstudior och låter dig styra de tekniska parametrarna för sändnings- och inspelningsutrustningen.

Videospel

Oscilloskopskärmen användes som display för ett av de första videospelen , Tennis For Two , som är en virtuell version av tennis. Spelet kördes på en analog dator och styrdes av en speciell paddel [9] spelkontroller .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Woodward, Gordon. Joubert, Jules François  //  Biographical Dictionary of the History of Technology / Allmänna redaktörer Lance Day och Ian McNeil. - Routledge, 2002. - S. 670 . — ISBN 9781134650200 .
  2. ↑ Hawkins, 1917 , s. 1849-1851.
  3. ↑ De första oscilloskopen . Hämtad 30 maj 2015. Arkiverad från originalet 31 maj 2015.
  4. ↑ Illustrerad krönika över upptäckter och uppfinningar, sid. 145
  5. ↑ Hawkins, 1917 , s. 1857-1862.
  6. ↑ Hawkins, 1917 , s. 1852-1854.
  7. ↑ Kularatna, Nihal. Kapitel 5: Fundamentals of Oscilloscopes // Digital och analog instrumentering: testning och mätning  (engelska) . - Institutionen för teknik och teknik, 2003. - S. 165-208. — ISBN 978-0-85296-999-1 .
  8. ↑ Grön, 2007 , 15.3 Oscilloskopet.
  9. ↑ Evgeny Zolotov. Spelet som förändrade världen  // Computerra  : magazine. - 2004. - 13 april. Arkiverad från originalet den 31 januari 2012.

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
 Elektriska mätinstrument