Oscilloscoop

Oscilloscoop

Als U over zo een toestel beschikt zal U het veel gebruiken. Het is zowat als een stetoscoop van de dokter. Het laat toe die onzichtbare signalen te bekijken en te beoordelen.

Wat doen we met een osciloscoop ?
	In eerste instantie visualiseren we de signalen doorheen complexe kringen. Men kan meer door tevens metingen als amplitude en tijd uit te voeren. Allemaal gegevens voor de elektroniekers van groot belang.

Wat zien we eigenlijk ?
	Op een meestal groene achtergrond zien we signalen zoals deze zijn indien we geen fout maken bij het meten. U ziet de amplitude van spanning uitgezet in functie van de tijd. In het voorbeeld hier links gaat het om een sinusvormig signaal in verband gezet met de tijd. U merk tevens rechte lijnen zowel horizontaal als vertikaal. Dit zijn aanduidingen meestal gegraveerd in het plastiek voorzet scherm. Als U het verband van een eenheidsgradadie kent, kan U metingen doen. U vergelijkt de uitwijking van het signaal op het scherm en vergelijk met het aantal strepen om zowel amplitude als tijd te meten. In de tijd meet U het aantal cyclussen voor een aantal lijnen en rekent de zaak om.

Hoe werkt een oscilloscoop :
Als U ongeveer de werking van de oscilloscoop kent zal het wat eenvoudiger worden om het gebruik te doorgronden. We behandelen enkel maar de "analoge " oscilloscoop. Er bestaan dus ook "digitale" toestellen. Het principe van beeldvorming blijft het zelfde maar de werking is veel complexer. Digitale toestellen zijn (nog) duur en voor de modale gebruiker zelden binnen het bereik.

Het hart: de beeldbuis
Een beeldje als bij TV. U veronderstelt een elektronen straal (beam) vliegt vanaf haar oorsprong (kathodestraal) langs een set van platen. Op deze platen plaatsen we een bepaalde spanning. Dit doen we paar per paar , zie de figuur rechts. P1 staat met P2 enz. Van elektronen weet U nog dat deze onder invloed van potentialen van haar baan wordt afwijken. Het scherm zal bij inval van elektronen met voldoende snelheid gaan oplichten. Dus een elektron uit de kathode (elektronen kanon) wordt versneld en doet op het scherm in het invalspunt een lichtspot ontstaan. Dit zal gebeuren als op die set platen er geen spanningen voorkomen. Stel als voorbeeld dat we op P3 een bepaalde "positieve" spanning plaatsen en p4 aan massa leggen. Die positieve spanning zal de elektronenstroom aantrekken en bijgevold van haar baan doen afwijken. Ja , U ziet het voor U, de straal zal naar boven afwijken en op het scherm merkt U dat het inslaan van de electronen wat meer naar boven gebeurt. Hoeveel hangt van de spanning af.
Indien P3 negatief aangestuurd wordt gebeurt natuurlijk het omgekeerde. Het zelfde verhaal kunnen we voor het platen paar P1 en P2 doen. Doet U deze oefening maar. De inslag, ook spot genoemd, zal naargelang de spanning op deze platen naar links of naar rechts gebeuren.. In de praktijk zal U door de spanningen op die afbuigplaten in te stellen een voor de meting gewenste plaats van de spot bepalen. Indien te groot , ja dan is Uw spot gaan vliegen. U weet werkelijk niet waar die zich dan bevind. Zoeken maar.

Horisontale tijdbasis :
	Het komt er nu opaan om die verplaatsing zinvol te doen verlopen. Om een horizontale streep te bekomen moeten we de spanning op P1 en P2 beïnvloeden. Meestal (bijna altijd) wensen we de amplitide van een signaal in functie van de tijd te bekijken. De tijd is een lineair fenomeen. Het moet duidelijk zijn dat dan ook een lineair fenomeen op de afbuigplaten moet geplaatst worden. Dus, anders uitgedrukt, de spanning op dit stel platen moet lineair in de tijd geburen. Wenst U een signaal over een tjd van 1 sec te zien dan moet de spanning voor de afbuiging lineair in de tijd gebeuren.
We wensen ons signaal vanaf uiterst links op het scherm tot uiterst rechts te zien. Eigenlijk niet moeilijk. Eén en ander volgt hieronder:
Als U de spanning op P1 en P2 zoals hier rechts laat verlopen zal men het doel bereikt hebben. Maar wel voor de helft. Immers, bij spanning zoals de fig rechts bovenaan vertrekt de spot vanaf het middelpunt van het scherm. Er is geen spanning om de "beam" te beïnvloeden. Verschuiven we nu de zaagtand naar de negatieve kant dan verandert de toestand. De negatieve spanning duwt de elektronen naar de andere kant, en wel zo de de beam van uiterst links op het scherm vertrekt. Natuurlijk hebben we de spanningen aangepast opdat dit zo zou gebeuren. Na het bereiken van maxilaal positief (beam uiterst rechts) spring de spanning naar maximaal negatief (uiterst links voor de spot). Zie het onderste deel van de figuur. Enz.... enz....
De zaagtand tussen beide platen (hier P1 en P2 of horizontaal afbuiging) vormt de tijdbasis. U zal op een scoop steeds een regelknop vinden genaamd time base (of tijdbasis). Hiermee kan men de frequentie van de zaagtand generator instellen naar keuze maar in functie van de frequentie van het te onderzoeken signaal. Natuurlijk zal de generator in spanning onvoldoende niveau leveren. Versterken is de boodschap maar dan wel met minimaal vervorming. Deze versterker noemt men Horizontal Amplifier (horizontaal versterker). Meestal kan men deze ook regelen.

Vertikale versterker :
Een spot springende van links naar rechts zal ons niet veel bijbrengen. Van de vertikale beweging hopen we een beeld van het door ons onderzochte signaal te bekomen. De vertikale versterker kan niet eender wat zijn. We zullen de zaak bekijken door een variërende spanning vertikaal aan te leggen (een DC spanning zou wat eentonig zijn. Om de werking te begrijpen leggen we in eerste instantie een vierkantgolg van een bepaalde frequentie aan. Om in de tijd zinvol te zien moet de tijdbasis in verband staan met de frequentie van het te onderzoeken signaal. Men zegt dan gesynchroniseerd. Stel dat we een zeer traag in tijd veranderende spanning aanleggen. We kunnen dan duidelijk zien wat er gebeurt. We starten links van het beeld en nemen aan dat de vierkantgolf op dat moment NUL Volt is. De spot bevindt zich op de NULlijn en dit zolang de vierkantgolf NUL Volt bedraagt. Op een bepaald moment gaat de vierkantgolf naar max plus. De spot volgt op de tijdas (horizontale afbuiging) deze spanning, ttz schiet plots naar boven. Dit duurt zolang de golf max positief is. Niet moeilijk nu om in te zien van wat er verder in de tijd er gebeurt . U ziet het beeld op het scherm zoals de spanning van het aangelegd signaal (vierkantgolf). Een belangrijk besluit is dat de tijdbasis minstens één periode van het aangelegde signaal moet zijn opdat een volledige periode van de vierkantgolf te zien is. Is de tijd een veelvoud dan ziet men meerdere periodes. Is de tijd niet in direct verband dan verspringt het beeld (verder meer hierover).Tracht dit goed in te zien.

Zoals voor de horizontale afbuiging moet er in amplitude aangepast worden opdat het beeld niet buiten het scherm springt. Dit gebeurt met de "vertical Amplifier" .

De synchronisatie :
Dit aspect werd al even aangehaald. Ter verduidelijking nog dit. Beide signalen , ingang en tijdbasis moeten een zeker verband in de tijd hebben. U kan het zo zien: Vroeger in de tijd van de vynile muziek platen kon men de snelheid van de draaitafel regelen door gebruik van het stroboscopisch effect te maken. Streepjes op de tafel moesten bij regeling van de draaisnelheid zowat stil staan. De snelheid kon zo perfect geregeld worden. Dit stilstaan was gemakkelijk af te lezen.Bij de scoop gebeurt het zelfde maar toch verschillend. In dit geval zal de referentie zo geregeld worden dat deze in een geheel verband met het ingangssignaal staat. In elk geval de periode van de referentie (tijdbasis ) zal om één cyclus te kunnen zien gelijk moeten zijn aan de periode van het ingangssignaal. Het moet nu duidelijk zijn dat om twee cycli te kunnen zien de periode van de tijdbasis twee maal deze van het te meten signaal moet zijn. (frequentie, de helft) In beide gevallen is er synchronisatie. Bekijk de zaak eens met andere veelvouden tussen beide periodes. Tracht deze redenering goed te begrijpen voordat we verder gaan met de beschrijving van het blokschema van een oscilloscoop.

Hierboven het beest. Alle onderdelen zijn zoals gezien in het blokschema opgenomen. Merk dat het signaal door een verzwakker gevoerd wordt. Anders gezegd het niveau van dat signaal wordt geschikt gemaakt voor het afbeelden. Te weing verzwakt en U kan de versterker oversturen met het gevolg dat het beeld buiten de grensen van de beeldbuis valt of erger : beschadiging. Om bruikbare meting toe te laten moeten de waarden van verzwakking en verterking goed gekend en precies zijn. Anders zien we het signaal wel maar meten het niet.

Enkele eigenschappen :
Op de reklame folders zal U zeker het volgende zien: 2x20 MHz. Dit wil zeggen dat U te maken heeft met een toestel dat twee meetkanalen heeft. U kan dus twee signalen zichtbaar maken. Het moet U nu duidelijkzijn dat deze signalen een harmonisch verband moeten hebben. De synchronisatie kan maar op één van beide gebeuren. Indien dit niet zo is zal één beeld niet stabiel op het scherm staan. De 20 MHz verwijst naar de bandbreedte van de vertikale versterker. Het spreekt voor zich dat over het ganse frequentie band de eigenschappen van de versterker constant en gekend moeten zijn om te kunnen meten. Gaat het om signaalvormen te zien dan mag men zondigen en kan men signalen van een hogere frequentie nog bekijken. Hoe ver, dat moet U uitproberen. De kalibratie voor dit toestel zal maar gelden binnen deze normen. Zoals elk toestel heeft de scoop een ingangsimpedantie. Naarmaten deze groter is zullen we minder de te meten kring belasten en hierdoor fouten vermijden. Veelal vinden we 11 MΩ als waarden terug. Opgepast, te grote impedantie kan oorzaak zijn dat storende signalen zich bij het te meten signaal gaan voeden. U ziet eigenlijk iets wat er niet is op de te meten kring althans. De top klasse toestellen hebben veel meer eigenschappen zoals twee tijdbasissen als voorbeeld. Men kan met één de anderen vertragen en alzo complexe metingen gaan doen. Als amateur zullen we zelden dit soort metingen hoeven te doen.

Voor ons, de praktiche metingen :
Meten van spanningen zoals hierboven aangetoond maar binnen de limieten. De gekallibreerde verzwakker laat toe de gevoeligheid in te stellen. Voorbeeld 10 V/cm wil zeggen dat op het scherm 1 cm overeenkomt met 1 Volt. U telt het aantal cm tussen twee punten (piek tot piek of andere) en eenvoudig rekenen en U kent de spanning. Vb: 2,3 cm betekend 23 Volt in de werkelijkheid. De instelbare verzwakker moet correct afgelezen worden en zo ingesteld dat op het scherm het beeld zo groot mogelijk is. Meting van de frequentie kan ook. Het is maar een benadering maar meestal voldoende precies om bruikbaar te zijn. De selectie knop van de tijdbasis vertelt ons hoeveel tijd per cm horizontale as er gebruikt wordt. Het kan gaan om een aantal seconden per centimeter maar ook zelfs microseconden of minder. Uit Uw kennis van f=1/t bepalen we de frequentie. De versterking: U bekijkt de signalen aan IN en de UITgang en bepaalt de verhouding om de versterking te bepalen. Voor een verhouding kleiner dan één (1) ja dan gaat het om een verzwakker. Vooral de vorm van het signaal. Gaande van sinus vorm via vierkant, zaak ... of elk willekeurige vorm kan indien de frequentie van de harmonische voor Uw toestel niet te groot zijn. U kan hier ZIEN wat U zegt. Weet dat de harmonische van complexe signalen enkel bij middel van een spectrum analyser kunnen beoordeeld worden (elders in deze cursus) Door aan de ingang de frequentie te beïnvloeden kunnen we ook de frequentie responce van U meetopject gaan bepalen.
Een frequent gebruik en ervaring zullen U meer uit dit toestel kunnen doen halen.



Wat bijzonders :
Lissajous figuren, mooi om naar te kijken en het geeft indruk. Een tijdbasis hoeft niet altijd een zaagtand te zijn. Andere golfvormen kunnen. Ga eens na wat er gebeurt indien we EN aan de ingang, EN als tijdbasis we een sinusvormig signaal met gelijke frequentie aanleggen. Tracht na te gaan op welke manier de "spot" zich over het scherm beweegt. Indien beide IN faze EN gelijk op de afbuigplaten zijn dan bekomen we een schuine lijn onder 45 ° van uiterst links onder tot uiterst recht boven. (Uiters rechts en links indien de amplituden voor maximaal scherm is). Niet gemakkelijk maar probeer dit ook als F2 bv 2 maal F1 is, en zo maar verder (leuk ??) De kathode is de bron van de beam (spot). Hoe groter de kathodestroom des te helderder de spot. Indien U bij middel van een correcte aansturing deze stroom "gaat kappen" bij middel van een stuursignaal, dan zien we een intensiteitmodulatie op het scherm. Als de frequentie van dit "kap" signaal een juist veelvoud (geheel) is van de frequentie dan zien we in combinatie met de Lissajou figuur een vorm waarbij een veelvoud van gaten zit. Tel het aantal gaten en U kent de frequentie aan de ingang. U kan op deze manier frequentie metingen doen die ruim buiten de mogelijkheden van de scoop liggen. Zeer lage frequentie (1 op 100 of een honderste van een Hertz kan) en maakt van één van beide sugnalen blokgolven en U zal verast zijn hoe precies gemeten kan worden, zelfs op deze zeer lage frequentie. Weet dat U een vergelijking in frequentie doet en daarom de preciesie afhangt van dit van het vergelijk signaal (referentie) Nog dit : als een van beide stuur signalen blokvormig is bekomen we niet de figuren als hoger maar eerder een traag verspringend beeld. Wat duidelijker, U ziet bv eerst een vierkant en na wat tijd plots een zeer snel ompolen van dit vierkant . Dit is moeilijk onder woorden te brengen. Een demo zo veel licht doen aangaan. Daarom als de kans zich voordoet ga wat we hoger hebben gezien en toetsen aan de praktijk.


Vooral dit laatste zal niet eenvoudig te verteren zijn. De bedoeling hier is daarom eerder informatief en een uitnodiging om een en ander uit te proberen. U zal merken "spelen" met de scoop is plezant.

Terug naar RCL Home page.

Bewerking : ON4AWN, Herman Van Meerbeeck