Oscyloskop, przyrząd elektroniczny służący do badania przebiegów czasowych dla na ogół
szybkozmiennych impulsów elektrycznych. Oscyloskop został wynaleziony przez Thomasa Edisona. Podstawową częścią klasycznego oscyloskopu jest tzw. lampa oscyloskopowa. Jest to rodzaj lampy kineskopowej, w której wąski strumień elektronów odchylany jest w płaszczyźnie pionowej przez pole proporcjonalne do badanego sygnału, natomiast w płaszczyźnie poziomej odchylanie jest proporcjonalne do cyklicznego sygnału jednostajnie narastającego i następnie gwałtownie opadającego (tzw. przebiegu piłokształtnego). Powstająca na ekranie pokrytym luminoforem świecąca krzywa (oscylogram) przedstawia zmiany badanego sygnału zachodzące w danej, wybranej skali czasu.
Typowy schemat blokowy części elektronicznej oscyloskopu.
oscyloskop
analogowy
Główną częścią składową typowego oscyloskopu jest próżniowa lampa elektronowa.
Obwód żarzenia podgrzewa do wysokiej temperatury katodę, która emituje elektrony. Między katodą i anodą powstaje pole elektryczne, w którym ujemnie naładowane elektrony emitowane z katody są przyciągane do anody. Czym większe jest napięcie anody, tym silniej przyciągane są elektrony. Na drodze między katodą, a anodą elektrony nabierają prędkości, są skupiane w cienką wiązkę, po czym uderzają w ekran pokryty specjalną substancją zwaną luminoforem. Elektrony uderzając w luminofor tracą swą energię, a energia ta zamienia się na światło, zwykle koloru zielonego. Między katodą, a główną anodą umieszczone są dodatkowe elektrody, między innymi siatka, która umożliwiają regulację ilości elektronów biegnących do anody. Ewentualne dodatkowe anody tworzą tak zwane soczewki elektronowe, umożliwiające takie ukierunkowanie strumienia elektronów, inaczej mówiąc ich zogniskowanie, że trafiają one w jedno miejsce ekranu, tworząc świecący punkt (plamkę) o średnicy poniżej 1 milimetra. Na drodze elektronów między katodą a ekranem, umieszczone są kolejne elektrody o kluczowym znaczeniu. Są to dwie pary metalowych płytek. Jeśli między dwie płytki zostanie dołączone napięcie (stałe), to między płytkami powstanie pole elektryczne. Pole to oddziałuje na elektrony przechodzące między płytkami i w konsekwencji strumień elektronów jest odchylany w stronę płytki dodatniej. W lampie oscyloskopowej dwie pary takich płytek, zwanych płytkami odchylającymi, są umieszczone wzajemnie prostopadle. Podsumujmy: w lampie oscyloskopowej możemy za pomocą napięć doprowadzonego do siatek i anod regulować ilość elektronów docierających do ekranu, czyli jasność plamki na ekranie oraz uzyskać dobre zogniskowanie, czyli małą, ostrą, nie rozmytą plamkę. Normalnie plamka pojawia się na środku ekranu. Jeśli jednak doprowadzimy do płytek odchylających napięcie o odpowiednim kierunku i wartości, to plamkę można przesunąć w dowolny punkt ekranu. Każdy oscyloskop posiada pokrętła do regulacji jasności i ostrości, przesuwu obrazu w pionie i poziomie, a niektóre dodatkowo pokrętło podświetlenia skali i pokrętło umożliwiające rotację obrazu, czyli ustawienie linii na ekranie równolegle do linii skali. Starsze przyrządy miały też pokrętło umożliwiające korekcję astygmatyzmu, czyli uzyskanie ostrego obrazu na całym ekranie.
Z uwagi na sposób pomiaru dzieli się oscyloskopy analogowe na:
· oscyloskop jednostrumieniowy — może pracować także w systemie dwukanałowym, sygnały badane z zakresu 0 Hz do ok. 3 GHz;
· oscyloskop dwustrumieniowy — lampa oscyloskopowa o dwóch strumieniach elektronów, co pozwala na jednoczesne badanie dwóch sygnałów, posiadają jeden generator podstawy czasu;
· oscyloskop stroboskopowy (próbkujący) — z badanego przebiegu pobiera próbki przesunięte w czasie, a obwiednia jest zapisem sygnału, stosowany do badania przebiegów powtarzalnych;
· oscyloskop z pamięcią — pozwalają na pomiary różnych sygnałów, także aperiodycznych.
Typowe przebiegi wyświetlane przez oscyloskop dla sygnałów sinusoidalnych. Legenda: dwa przebiegi po lewej: mała/duża amplituda, dwa przebiegi po prawej: mała/duża częstotliwość.
Oscyloskop stosuje się do badania przebiegów szybkozmiennych, niemożliwych do bezpośredniej obserwacji przez człowieka. Jest podstawowym przyrządem pomiarowym w pracowni elektronika.
Pierwotnie oscyloskopy budowane były w oparciu o lampę oscyloskopową (oscyloskop analogowy). Obecnie dzięki rozwojowi elektroniki cyfrowej buduje się oscyloskopy cyfrowe. W oscyloskopie analogowym przebieg po wzmocnieniu steruje w płaszczyźnie pionowej plamką świetlną na ekranie oscyloskopu a w poziomie plamka jest sterowana albo z regulowanego generatora podstawy czasu (dzięki temu uzyskujemy obraz zmian napięcia sygnału w czasie), albo z sygnału odniesienia. Oscyloskop analogowy zazwyczaj nie posiadał możliwości zapamiętania przebiegu, więc w celu stałego wyświetlania go na ekranie oscyloskopu musiał być podawany cyklicznie, dlatego też w celu zobrazowania takich właśnie przebiegów najczęściej był używany (przebiegi prądu zmiennego). Wyjątek stanowią oscyloskopy analogowe z tak zwaną "lampą z długą poświatą" (zwaną inaczej "lampą pamiętającą" - ang. "storage CRT"). Specjalną konstrukcją wykorzystującą zjawisko wtórnej emisji elektronowej, dzięki której możliwe jest zachowanie przebiegu na ekranie. Tak "zapamiętany" przebieg mógł być następnie fotografowany. Zmieniło się to wraz z wprowadzeniem oscyloskopów cyfrowych, które potrafią „zapamiętać” przebieg sygnału i odtworzyć go na ekranie nawet po jego zaniku. Dzięki zastosowaniu układów pamięciowych i przetworników analogowo-cyfrowych w oscyloskopach cyfrowych, lampa oscyloskopowa stała się zbędna i została wyeliminowana przez mniejsze i bardziej uniwersalne wyświetlacze ciekłokrystaliczne.
Rozróżnia się 3 rodzaje oscyloskopów:
· Z odchylaniem ciągłym lub okresowym,
· Uniwersalne z odchylaniem ciągłym i wyzwalanym,
· Szybkie (bardzo dużej częstotliwości).
W zależności od technologii analizy sygnału wyróżnić można oscyloskopy:
· Analogowe z lampą oscyloskopową, na której obraz generowany jest w wyniku
oddziaływania obserwowanych przebiegów na układ odchylania wiązki elektronowej
· Cyfrowe z monitorem wyświetlającym obraz wygenerowany przez układ
mikroprocesorowy na podstawie analizy zdigitalizowanych sygnałów wejściowych.
· Oscyloskopy mogą występować, jako system wbudowany albo oprogramowanie.
Sposoby i rozwiązania zastosowane w oscyloskopach cyfrowych mogą być z powodzeniem użyte do skonstruowania użytecznych przystawek przekształcających jakikolwiek, nawet najtańszy, komputer w oscyloskop, czy jeszcze bardziej wszechstronny przyrząd pomiarowy zawierający dodatkowo multimetr, analizator stanów logicznych czy analizator widma. Rozwój elektroniki wskazuje też niedwuznacznie, że już niedługo właśnie oscyloskopy cyfrowe z ekranem ciekłokrystalicznym będą tańsze od oscyloskopów z lampą próżniową.
Jak wspomniano wcześniej, wprowadzenie nowoczesnej techniki cyfrowej do wnętrza oscyloskopu, ogromnie zwiększa jego możliwości. Przykładowo “w wolnych chwilach”, to znaczy pomiędzy kolejnymi przebiegami podstawy czasu, można coś narysować na ekranie. Już od dawna wykorzystuje się to do wprowadzenia na ekran znaków i napisów.
Względnie proste jest samo wprowadzanie takich znaków. Podczas wspomnianych przerw oscyloskop przełączany na pracę w trybie X−Y−Z i ze współpracującego układu cyfrowego wysyłane są przebiegi powodujące narysowanie na ekranie cyfr i liter. W niektórych oscyloskopach na ekranie podane są w postaci cyfrowej wartości współczynników wzmocnienia i czasu, wybrane w torach Y i X. Należy tu jasno powiedzieć, że nadal chodzi o zwykłe oscyloskopy analogowe, a jedyną funkcją cyfrową, szczerze mówiąc mało użyteczną, jest wyświetlanie na ekranie informacji o rodzaju pracy i współczynnikach wybranych pokrętłami i przełącznikami. Kolejnym krokiem w cyfryzacji oscyloskopu jest dodanie układu (częściowo analogowego, częściowo cyfrowego), który narysuje na ekranie znaczniki, zwane kursorami ułatwiające pomiary napięć i czasu. Kursory mogą mieć postać pionowych i poziomych linii, strzałek lub nawet rozjaśnionych kropek.
Dwa takie kursory można za pomocą pokrętła przesuwać po ekranie, a wspomniany układ automatycznie obliczy i wyświetli na ekranie w postaci cyfrowej odległość między nimi w pionie i w poziomie, czyli różnicę napięć i czas. Takią funkcję kursorów i cyfrowy odczyt nazywa się po angielsku Read Out. Jeszcze raz trzeba podkreślić, że jest to cyfrowy dodatek do klasycznych analogowych oscyloskopów. Przykładami oscyloskopów tej klasy są oscyloskopy produkcji GoldStara z rodziny OS−9000. Przykładowo model OS−9040RB ma pasmo przenoszenia 40MHz, wyposażony jest w układ podwójnej podstawy czasu i funkcję ReadOut, pozwalająca za pomocą kursorów mierzyć napięcie i czas.
Ceny oscyloskopów zaczynają się od około 200 zł, a kończą na około 30 000 zł.
Oscyloskop za ~30 000 zł
Oscyloskop za ~200 zł
Jaro070