8. A KATÓDSUGÁR-OSZCILLOSZKÓP, MÉRÉSEK OSZCILLOSZKÓPPAL Célkiűzés: Az oszcilloszkóp min mérőeszköz felépíésének és kezelésének megismerése. Az oszcilloszkópos mérésechnika alapveő ismereeinek alkalmazása. I. Elmélei áekinés Az oszcilloszkópok feszülség vagy bármilyen feszülséggé áalakíhaó mennyiség időbeli válozásának vizsgálaára alkalmas mérőműszerek. Képernyőjükön a vizsgál feszülség érékének a függőleges irányú kiérés felel meg, míg az időengely meni válozás a vízszines kiérés képviseli. A jelalak kijelzésével az oszcilloszkópok sokkal öbb információ adnak a vizsgál jelről, min ami a számszerű mérési eredmény adó műszerek (pl. feszülségmérők vagy számlálók) eseében kaphaunk. 1. Az oszcilloszkóp felépíése Az oszcilloszkóp főbb egységei (1. ábra): CH1 függőleges erősíő 1. elekronikus kapcsoló függőleges végerősíő bemeneek CH Trig In szaggaó négyszögjel függőleges erősíő. indíó áramkör CHOP ALT CH1 CH eléríő generáor kaódsugárcső áramköre XY vízszines végerősíő 1. ábra 67
függőleges erősíők, feladauk a vizsgál jelek megfelelő erősíése; indíó áramkör, mely a megfelelő szinkronizáció végzi; eléríő generáor, amely a fűrészrezgés állíja elő; a kaódsugárcső és az az kiszolgáló áramkörök. Az oszcilloszkóp megjeleníő egysége a elevízióhoz hasonlóan az elekronsugárcső (kaódsugárcső), míg ugyanez a elevízió eseében képcsőnek nevezzük. Lényeges különbség a ké kijelző egység közö, hogy az oszcilloszkóp eléríése szine kivéel nélkül elekromos, míg a v-képcső mágneses eléríésű. A vizsgálandó, pl. U y () = U 0 sinω jele a függőleges eléríő bemeneére kapcsolva leoszás, illeve megfelelő erősíés uán az elekronsugárcső függőleges eléríőelekródáira vezejük ez vezérli az elekronsugár függőleges (Y) irányú eléríésé. Ekkor az ernyőn az előzőleg ponszerű fol függőleges vonallá húzódik szé, amelynek hossza U 0 -lal arányos. Ha az elekronsugárcső vízszines eléríőelekródáira (X) olyan U x () feszülsége viszünk, amely az idővel arányosan nő, majd hirelen nullára csökken, ezuán ismélődik (fűrészrezgés vagy Kipp-rezgés), akkor ennek egyedüli haására a fol balról jobbra vízszines irányban egyenleesen végigfu az ernyőn, majd visszaugrik, és ez a mozgás periodikusan ismélődik. Rákapcsolva mos az Y lemezpárra a vizsgálandó feszülsége, az ernyőn az U y () görbe lesz láhaó. Megfelelő szinkronizációval elérhejük, hogy az ernyőn álló képe kapjunk. 1.1. A kaódsugárcső Az oszcilloszkóp kijelzőegysége a kaódsugárcső (elekronsugárcső,. ábra), amely az időfüggő elekromos jeleke közvelenül láhaó formába alakíja á. függőleges vízszines uángyorsíás elekronopika eléríő lemezpár. ábra Fő részei: az elekronsugara előállíó riódaelrendezés, fókuszáló és előgyorsíó rész (elekronopika), függőleges és vízszines eléríő elekródák, uángyorsíó elekróda, valamin 68
az ernyő felüleén lévő fénypor bevona. Ez uóbbi a becsapódó elekronok haására fény emiál. A kaódsugárcsöve kiszolgáló kezelőszervek: inenziás, fókusz, aszigmaizmus. (Az aszigmaizmus szabályozó gomb segíségével lehe beállíani, hogy a kép egyszerre legyen függőlegesen és vízszinesen is éles. Beállíásá a fókusz állíásával együ kell végezni.) Minden eseben figyelni kell a fényerő helyes beállíására. Mivel a foszforbevonaok haásfoka kb. 10 %, ez az jeleni, hogy a sugáráram energiájának 90 %-a hővé alakul. Ebből adódóan a úl nagy sugáráram (azaz úl nagy fényerő) a foszforbevonao visszafordíhaalanul károsíhaja, kiégehei, a cső azon a helyen megvakul. Másrész a fényerő növelésével romlik a kép élessége. 1.. A függőleges erősíő Feladaa, hogy a bemenőjele oly mérékben erősíse (vagy csillapísa), hogy a kaódsugárcső érzékenységi muaójának megfelelően, az eljes mérékben kivezérelje. (A csillapíásról a bemenei oszó gondoskodik.) A függőleges erősíő egy öbb feladao elláó, sávszélességén belül frekvenciafüggelennek ekinheő erősíőlánc. (Véges sávszélessége kövekezében viszon az impulzusok fel- vagy lefuó élei orzíva jelennek meg a képernyőn.) I örénik a fényvonal függőleges pozicionálása is. A bemeneen válakozófeszülség (AC), egyenfeszülség (DC) és föld (GND vagy 0) közö lehe válaszani (3. ábra): erősíés CH1 vagy CH DC 1 MΩ AC GND V/div bemenei oszó erősíő pozíció 3. ábra AC csaolással leválaszjuk a mérendő jel egyenáramú összeevőjé, DC csaolás használaakor a bemenei csalakozóra vezee jelek válozás nélkül kerülnek a függőleges erősíő bemeneére, 69
a bemenei csalakozóegység GND vagy 0 állásában a függőleges erősíő bemenee földpoenciálra kerül anélkül, hogy a meghajógeneráor kimeneé (a vizsgálandó jel forrásá) rövidre zárná. Jól használhaó ez az állás pl. a referenciaszin beállíására. A három különböző állás eseén mérheő jelalakoka illuszrálja a 4. ábra. U be 0 0 AC 0 0 DC 0 0 GND 0 0 4. ábra A bemenei oszóegység segíségével az oszcilloszkóp függőleges erősíőjének érzékenysége ennek állíására szolgáló körkapcsolóval válozahaó. Az érzékenysége VOLTS/DIV (vagy VOLT/oszás) egységekben állíhajuk be. A kapcsoló melle álalában egy szabályozó poencioméer is alálhaó, amellyel az érzékenység folyamaosan állíhaó 70
(VARIABLE). A poencioméer egyik szélső helyzeé CAL jelzéssel különbözeik meg, ebben az állásban ekinheő hielesnek a beállío érzékenység. 1.3. A vízszines eléríőrendszer A vízszines eléríőrendszer (5. ábra) feladaa, hogy a görbé rajzoló képpono vízszinesen az idővel arányosan mozgassa. rigger bemene TIME/DIV 0 V 50 Hz függőleges erősíő INT komparáor EXT K LINE fűrészjel generáor impulzus generáor + TRIG. LEVEL _ indíó jel kivilágíó jel K 1 végerősíő elekronsugárcső vízszines bemene bemenei erősíő XY-mód 5. ábra Az oszcilloszkópnak ké alapveő üzemmódja van. Az egyik, rikábban használ üzemmódja az, amelyben ké különböző jele vezeünk az X és Y eléríő-lemezekre, így azok egymás függvényében vizsgálhaók (X-Y üzemmód). A másik, a gyakorlaban leggyakrabban használ üzemmódban a vizsgál jelek időbeli lefuásá vizsgáljuk. Ebben az eseben az elekronsugár vízszines (X) irányú eléríésére időben lineárisan válozó feszülsége, ún. fűrészfeszülsége használunk (6. ábra). A fűrészjele, amelynek felfuási szakaszának időarama haározza meg az oszcilloszkópernyőn láhaó jelrészle időaramá, a vízszines eléríőrendszerhez arozó fűrészjel-generáor állíja elő. A fűrészjelen három aromány különbözeünk meg, az ún. felfuás, a visszafuás és a kivárás. A felfuásnak lineárisnak, a visszafuásnak minél rövidebb idejűnek kell lennie. Az ún. kivárási idő az áramköri elemek nyugalmi helyzebe örénő visszaállásá, a fűrészjel alaphelyzeből örénő indulásá bizosíja (a kivárás ala várakozunk az indíójelre). A fűrészjel generáor vezérli a kivilágíó jelkelő, amely az elekronsugara a visszafuás és a kivárás ideje ala kiolja. 71
U kivárás felfuás visszafuás 6. ábra Az eléríési idő, amely az eléríő fűrészjel lineárisan felfuó élének idejével azonos, a K 1 kapcsoló INT állásában, az oszcilloszkóp előlapján lévő forgókapcsolóval válozahaó. Ezzel az idő/oszás (TIME/DIV) érékben kalibrál kapcsolóval válaszhajuk ki a vizsgálandó jelnek legjobban megfelelő eléríési sebessége. Az idő/oszás kapcsoló melle ez az egység is rendelkezik az eléríési sebessége folyamaosan szabályozó (VARIABLE), valamin az elekronsugár vízszines pozicionálásá bizosíó poencioméerekkel, amelyek funkciója hasonló az 1.. ponban leírakéhoz. Tekineel arra, hogy az elekronsugár álal kele fény csak rövid ideig áll fenn, és a vizsgálandó jelek (feszülségek) igen gyorsan váloznak, hogy az jól láhassuk, szükséges a periodikus jeleke újból és újból felrajzolani. Ha ezek az egymás uán felrajzol jelek nem fedik egymás, a képernyőn jobbra vagy balra fuó képe láhaunk, ami az ábrá kiérékelheelenné eszi. Tehá arra van szükség, hogy az időeléríő fűrészjel a vizsgálandó jelnek mindig ugyanabban a pillanaában induljon. Ez a szinkronizálás az indíó-, vagy más néven a riggeráramkör feladaa. U be rigger szin bemenei jel U i indíó impulzusok U f eléríő fűrészjel U k 7. ábra kivilágosíó jel 7
A 7. ábrán láhaó a függőleges jel álal indío fűrészjel lefuása. Az ábrából az is láhajuk, hogy az indíójel uán elindul fűrészjeleke nem lehe befolyásolni, az lefu és vár a kövekező riggerimpulzus érkezéséig. Az indíójel különböző forrásokból származha. Belső indíásnál (INT.TRIG) az indíójel magából a vizsgálandó jelből származik. Külső indíás (EXT.TRIG) akkor használunk, ha van olyan külső indíójel, amely kijelöli a vizsgálni kíván szakasz kezdeé. Hálózai indíásnál (LINE.TRIG) az indíójel a hálózai 50 Hz-es válakozófeszülségből kelekezik. A megfelelő riggerforrás kiválaszása melle az indíás üzemmódjá, a riggerüzemmódo is meg kell válaszani. Egyszerű indío üzemmódban (NORM) az indíási szin megválaszása döni el, hogy az eléríő fűrészjel a vizsgál jel melyik ponjáról (mekkora feszülség elérésekor) indul. Az indíási szin szabályozó álalában közös áramkörben van a +/ ákapcsolóval, amely meghaározza, hogy a jel poziív vagy negaív polariású (felfuó él/lefuó él) része indíson. A 8. ábrán különböző indíási szinekhez arozó ernyőképek láhaók. U felfuó él lefuó él U indíási szin 8. ábra Abban az eseben, ha a vízszines eléríés ideje hosszabb a vizsgál jel ismélődési idejénél, akkor csak azok az indíójelek haásosak, amelyek a vízszines eléríőgeneráor alapállapoban alálják (l. 7. ábra). Háránya ennek az üzemmódnak, hogy az indíójel hiánya vagy helyelen indíási szin beállíása eseén nem indul az elekronsugár. Auomaikusan indío üzemmódban (AUTO) az eléríő fűrészjel indíásáról riggerjel hiányában egy billenőáramkör gondoskodik. Ennek az üzemmódnak az előnye, hogy bemenő jel hiánya eseén is láhaó vízszines vonal az ernyőn. Ha van indíójel, a legöbb oszcilloszkóp AUTO üzemmódban ugyanúgy viselkedik, minha NORM módban lenne. 1.4. A kécsaornás elekronkapcsoló 73
A függőleges eléríő rendszer álalában ké erősíő bemenee aralmaz, leheővé éve ezálal ké jel egyidejű vizsgálaá egyelen ernyőn. Ez meggyorsíja az egyes jelek idő- és ampliúdóérékeinek összehasonlíásá. A valódi késugaras oszcilloszkópok ké függőleges eléríőrendszer aralmaznak, és a ké jelalako ké elekronsugár rajzolja fel az ernyőre. A ké jel egyidejű vizsgálaára alkalmas oszcilloszkópok öbbségében egyszerű, egysugaras elekronsugárcsöve használnak kijelzésre. Az ilyen oszcilloszkópok függőleges eléríőrendszerében egy elekronikus kapcsoló felválva kapcsolja az Y 1, Y bemeneekre vezee jeleke a függőleges végerősíő bemeneére (9. ábra). Az elekronikus kapcsoló vagy egy szabadonfuó nagyfrekvenciás oszcilláor, vagy a vízszines eléríőrendszerből jövő impulzus vezérli. Az előbbi szaggao (chopped) üzemmódban az elekronsugár 1 MHz körüli frekvenciával szaggava kis szegmensekből rajzolja fel a ké jelalako (10.a ábra). A másik, válakozó (alernae) üzemmódban az elekronsugár először az egyik jelalako, majd a kövekező eléríési periódus ala a másika rajzolja ki az ernyőre (10.b ábra). Y 1 Y függőleges végerősíő kaódsugárcső elekronkapcsoló muliplexer 9. ábra U U sugár 1 visszafuás visszafuás sugár visszafuás a b 10. ábra A legöbb oszcilloszkóp egyarán használhaó szaggao és válakozó üzemmódban: 74
ha az eléríés sebessége kisebb, min 10 ms/oszás, akkor a válakozó üzemmódban kelekező villódzás zavarja a szeme (ilyen kis eléríési sebességeknél a szaggao üzemmód használaa bizosí megfelelő ernyőképe); 10 ms/oszás és 0,1 ms/oszás eléríési sebességek közö eszés szerin bármelyik üzemmód használhaó; ha a vízszines eléríés gyorsabb, min 0,1 ms/oszás, akkor a válakozó üzemmód használaa célszerű, mer ekkor a szaggaás már zavaró lehe, különösen, ha a vizsgál jel és a szaggaójel frekvenciája közel van egymáshoz. A függőleges végerősíő bizosíja a ké csaornára érkező jel algebrai összegzésének (ADD) leheőségé is, ilyenkor az elekronikus kapcsoló nem működik. A bemenő jel polariásá megválozaó inveráló kapcsolóval ellenées polariású összegzés (kivonás) is leheséges. 1.5. Hielesíő áramkörök Hielesíő áramkörök segíségével az oszcilloszkóp működése ellenőrizheő. A modernebb oszcilloszkópok eseében álalában közös hielesíő jelforrás alkalmaznak. Ezek válozahaó de hieles ampliúdójú és fix frekvenciájú négyszöghullámo állíanak elő. Így mind a feszülségmérés, mind az időmérés hielesíheő. II. Oszcilloszkópos mérések Az oszcilloszkópos mérésechnikában alapveően ké jellemző lehe mérni: feszülsége és idő. A kövekezőkben feszülség- és időmérés melle frekvencia- valamin fázisszög mérésével is foglalkozunk..1. Feszülségmérés Periodikusan ismélődő jelek ampliúdójának mérése nem jelen nehézsége. Álalában csúcsól csúcsig erjedő feszülsége (U cs-cs ) szokás mérni. A mér feszülség: U Y = y, (1) oszás cs cs ahol Y/oszás a függőleges eléríés érzékenysége (V/oszás, mv/oszás) a folyamaos oszó hieles (CAL) állásában, y a függőleges oszások száma, azaz a jel alsó és felső csúcsa közi ávolság ernyőskála oszásokban mérve. (Oszáson a négyzeháló négyzeeinek oldala érendő.) 75
.. Időmérés Időméréskor a vizsgál jelnek az időengelyen megjelöl ké ponja közöi időaramá mérjük: X = x, () oszás ahol X/oszás az eléríési idő (s/oszás, ms/oszás, µs/oszás egységben) a TIME/oszás kapcsoló hieles (CAL) állásában, x a leolvaso vízszines oszások száma..3. Frekvenciamérés.3.1. Periodikus jelek frekvenciájának mérése ekineel arra, hogy a periódusidő és a frekvencia közö az 1 f = (3) T összefüggés áll fenn időmérésre vezeheő vissza..3.. A Lissajous-ábrák felhasználásával közvee, összehasonlíó módszerrel mérheünk frekvenciá. Ekkor, a külső vízszines eléríéssel működee oszcilloszkóp függőleges (Y) bemeneére az ismerelen frekvenciájú szinuszos mérendő jele, a vízszines (X) bemeneére a válozahaó frekvenciájú, kalibrál skálájú szinuszgeneráor jelé vezejük. Az ernyőn megjelenő Lissajous-görbékből a 11. ábra segíségével meghaározhajuk az ismerelen frekvenciá. f x = 3f y f x = fy f x = fy f x = fy 3 f x = f 11. ábra y.4. Fázisszögmérés.4.1. Az oszcilloszkóppal végze fázisszögmérések egy része időmérésre vezeheő vissza, és számíással kell a kapo időérékeke fázisszög érékké ászámíani. Fáziskülönbsége legegyszerűbben késugaras oszcilloszkóppal lehe mérni. Az egyik csaorna bemeneére visszük az a jele, amelyhez képes a mérés végezzük, a másik csaornára pedig a vizsgálandó. 76
A ényleges fázisszöge (1. ábra) a eljes periódus idejének megfelelő ávolság és a ké jel közöi időkülönbségnek megfelelő ávolság arányaiból lehe meghaározni: T T = ϕ 360. (4) o 1. csaorna (referencia) T T. csaorna 1. ábra.4.. További leheőség XY üzemmódban a fázisviszonyok mérése Lissajous-görbe segíségével. Ha a ké egyenlő frekvenciájú jel közö fáziskülönbség van, a görbe álalában ellipszis (13. ábra). Legyen az elekronsugár vízszines kiérése y Y y 0 x X 13. ábra 77
x = X sinω, (5) függőleges kiérése y = Ysin( ω + ϕ ). (6) A szögek összegképleé felhasználva: y = Y x cosϕ + 1 X x X sinϕ. (7) Y A (7) alai ellipszis egyenessé fajul, ha ϕ =0, illeve ϕ = 180. (Ekkor y = x, illeve y = x.) Ezzel a módszerrel rezonanciafrekvenciá keresheünk meg. X Y X X=Y-nál és ϕ = 90, illeve ϕ = 70 eseén kör lesz az ernyőn megjelenő ábra. Más szögek eseében x = 0-nál y = y' figyelembevéelével kapjuk a sinϕ =± y' (8) Y összefüggés, amelyből a kerese fázisszög meghaározhaó(l. 13. ábra). A ± előjel a fázissieésre, illeve késésre ual, ugyanis a görbe alakja nem különbözik azonos nagyságú fáziskésés, illeve sieés eseén, csak az elekronsugár-fol körülfuási iránya ellenées..4.3. A fázisszög meghaározás még egy ovábbi leheőségé egyirányú és egyenlő frekvenciájú harmonikus rezgések összegének és különbségének differenciál- vagy inveráló erősíővel örénő képzése szolgálaja. Legyen és y1 = a1sinω (9) y = a sin( ω + ϕ ) (10) alakú harmonikus rezgés. Képezzük az y + = y 1 + y és y = y 1 y érékeke. Egyszerű rigonomeriai áalakíással az eredő rezgés ampliúdójára az kapjuk, hogy: és Ha a 1 = a, akkor 1 a + = a + a + a a cosϕ, (11) 1 1 a = a + a a a cosϕ. (1) 1 78
a + a = 1 cosϕ ϕ = g, (13) 1+ cosϕ ahonnan ϕ = arcg a a. (14) A (14) összefüggés alapján ha bizosíjuk a VOLTS/DIV és a CAL gombok használaával az elekronsugárcső képernyőjén megjelenő ké jel ampliúdójának egyenlőségé a ké jel különbsége és összege ampliúdóinak hányadosából a fázisszög egyszerűen meghaározhaó. + Feladaok: 1. Az elmélei áekinésben leírak és a gyakorlahoz mellékel használai uasíás áanulmányozása uán ismerkedjen meg az oszcilloszkóp kezelő szerveivel! Különböző frekvenciájú jelekkel vizsgálja meg a szaggao és a válakozó üzemmód használaá!. Inegráló áramkörrel állíson elő ké, egymásól különböző fázisú szinuszjele, és az előzőekben ismeree módszerekkel haározza meg a fáziskülönbség éréké! Mely fáziskülönbség-arományokban alkalmazhaók opimálisan az egyes módszerek? 3. Vizsgálja meg az inegráló körre kapcsol egyre kisebb periódusú négyszög- és háromszögjel alakválozásá. Rajzolja le az oszcilloszkóp képernyőjén láhaó jelalakoka. 4. Oszcilloszkóp segíségével rajzolassa fel egy Zener dióda feszülség-áramerősség karakeriszikájá és haározza meg a leörési feszülsége! (Kérje a gyakorlavezeő úmuaásá és segíségé!) Kérdések: 1. Milyen főbb egységeke aralmaz az oszcilloszkóp?. Mely eseekben használhajuk az oszcilloszkóp szaggao és válakozó üzemmódjai? 3. Milyen indíási (szinkronizálási) leheőségeke ismer? Melyek ezek jellemzői? 4. Vizsgálhaó-e oszcilloszkóppal nagy feszülségű jelszinre szuperponál kis válakozó feszülségű jel? Indokolja válaszá! 5. Milyen előnyökkel rendelkezik a késugaras oszcilloszkóp az egysugarassal szemben? 79
Ajánlo irodalom: 1. Radnai R.: Oszcilloszkópos mérések, Műszaki Könyvkiadó, Budapes, 1985.. Hevesi I.: Elekromosságan, Nemzei Tankönyvkiadó, 1998. 3. Budó Á. - Pócza J.: Kísérlei Fizika I., Tankönyvkiadó, Budapes, 196. 80