Oscilloskop
Från Rilpedia
Oscilloskop (av latin oscillo, svänga och grekiska skop, se, betrakta) är ett elektriskt mätinstrument som visar hur en elektrisk spänning varierar över tiden, eller hur två elektriska spänningar varierar i förhållande till varandra.
Innehåll |
Funktion
Ett oscilloskop har en bildskärm där en ljuspunkt förflyttar sig över ytan. Punktens position i horisontell led representeras av tiden och i vertikal led av den spänning vars variation man vill visa. Uppritningen börjar till vänster och allt eftersom tiden förflyter flyttas punkten allt mer till höger. När ljuspunkten nått högra kanten är uppritningen klar och kan börja om.
Tack vare ögat/hjärnan är långsam och att ytan man lyser på har en så kallad eftersläpning kommer vi att uppfatta punken som ett streck. Nu är emellertid efterlysningen och hjärnans tröghet inte större än att linjen måste ritas om ganska snart för att den skall synas.
På grund av det sätt som punkten skapas kallas denna oftast för stråle, vilket är den benämning som kommer att användas hädanefter.
Eftersom linjen som strålen bildar måste ritas om gång på gång så är det två saker som traditionellt sett måste uppfyllas.
- Den signal som avbildas måste vara repetitiv, d.v.s. samma förändring av spänningen skall ske gång på gång. Detta är ett krav som inte oscilloskopet själv kan förverkliga.
- Uppritningen måste ske av samma utsnitt av signalen varje gång. Detta löses genom att oscilloskopet är utrustat med en så kallad trigger.
För att kunna visa signaler som varierar olika fort är alla oscilloskop utrustade med en variabel tidbas. Detta innebär att man kan välja hur fort strålen förflyttas i sidled över skärmen. För att ge en möjlighet att använda det man ser till praktiska mätningar är oftast skärmen försedd med ett rutnät. Tidbasen är också graderad efter detta rutnät så att man väljer hur fort strålen skall röra sig i sekunder/ruta.
För att kunna mäta varierande signaler med olika amplitud är oscilloskopet utrustat med en variabel förstärkare som gör man kan välja hur stor amplitudvariation som skall kunna visas i höjdled på skärmen. Liksom för tidbasen är denna graderad i Volt/ruta så att man kan få en uppfattning om en spännings storlek.
En annan viktig funktion på ingången är möjligheten att välja om denna skall vara AC- eller DC-kopplad. Skillnaden är att när man valt AC-kopplad kommer eventuella likspänningskomponenter på insignalen inte att visas, medan i DC-läge är det hela spänningen som visas på skärmen. För mer information om när det ena är bättre än det andra, se användning nedan.
Trigger
Som tidigare nämndes måste signalen ritas om oupphörligen för att inte försvinna från skärmen. Om man startar denna omritning omedelbart när den föregående är klar kommer det att bli ett enda brett band över skärmen. För att undvika detta måste omritningen starta (trigga) när något speciellt villkor är uppfyllt. Det vanligaste är att man väljer en viss spänningsnivå (level) och riktning på spänningsförändringen (slope/edge). Mera avancerade oscilloskop kan vara utrustade med fler villkor som skall uppfyllas innan omritningen startar. Rätt justerad ger triggern en stabil kurva över skärmen.
Många oscilloskop är utrustade med en extra ingång för en extern triggsignal som gör det möjligt att starta omritningen på grund av något helt annat än variationer i den spänning man visar på skärmen.
Användning
Oscilloskop används för att studera snabba förlopp, ofta i elektronisk apparatur. Två-kanals-oscilloskop är särskilt lämpade för att jämföra tidsförlopp av spänningar på olika punkter i elektriska kretsar. Oscilloskopbilden kan användas för finjustering och trimning av ny apparatur, eller vid felsökning för att diagnostisera problem.
Minnesoscilloskop
Som tidigare beskrivits kan oscilloskopet bara visa repetitiva förlopp. Ibland vill man dock se något som inträffar mycket sällan eller bara när vissa villkor är uppfyllda. För att klara detta använder man ett oscilloskop med minnesfunktion. I ett sådant finns ett minne som gör att signalen endera kan ritas om automatiskt, eller faktiskt hänger kvar på skärmen även efter en lång stund. Det finns tre principer:
I ett oscilloskop med analogt skiftregister spelas signalen in i ett minne som kommer ihåg analoga spänningar. När minnet är fyllt spelas signalen upp igen gång på gång och ritas på traditionellt sätt upp på skärmen.
I oscilloskop med minnesskärm ritas signalen upp en enda gång och det är den fysiska konstruktionen av katodstråleröret som gör att det uppritade signalen kvarstår.
I oscilloskop med digitalt minne spelas signalen in med hjälp av en analog-digital-omvandlare och lagras i ett digitalt minne. Ur det digitala minnet kan sedan signalen spelas upp på traditionellt sätt. Dagens digitala oscilloskop använder inte alls den traditionella metoden att rita på skärmen så någon omvandling från digital till analog behöver inte ske i dessa. För mer information om detta se teknisk beskrivning nedan.
Lissajousfigurer
Ibland vill man se hur två spänningar förhåller sig till varandra. I dessa fall kan oscilloskopets tidbas kopplas bort och man låter istället den ena signalen som tidigare styra strålens position i höjdled, men den andra signalen får styra strålen i sidled. Om signalerna är lika stora och i fas kommer ett streck i 45graders vinkel att uppstå på skärmen. Beroende på signalernas form och fasläge så kommer olika figurer att visas på skärmen. Om exempelvis två olika sinusformade spänningar med 90 graders fasförskjutning matas in fås en cirkel.
Mätning av annat än spänningsvariationer
Oscilloskopet används normalt endast för att mäta spänningar som varierar över tiden. Vill man mäta något annat som varierar över tiden måste man omvandla den mätta storheten till en spänning med en givare.
Teknisk funktion
Det klassiska oscilloskopet fungerar så att det genereras en elektronstråle från en glödkatod i ett vacuumrör. Strålen acceleras med hjälp av en accelerationsnod som har en mycket hög positiv spänning (till exempel 2000 V) och därigenom kraftigt attraherar elektronerna genom (katodstråleröret). Katodstråleröret i oscilloskopet skiljer sig från katodstålerör i bildskärmar och TV-apparater genom att avlänkningen i oscilloskopet sker genom ett elektriskt fält. Genom att variera spänningen över två par med plattor ändras strålens riktning i vertikal respektive horisontell led. Skärmen är täckt av ett rutnät, ca 10 x 10 rutor i centimeterstorlek, som är ett hjälpmedel för att avläsa värden på skärmen. När elektronstrålen träffar skärmen kommer den att excitera ett fluorescerande eller fosforescerande ämne på skärmens insida. I ett oscilloskop är det vanligare att man använder fluorescens då dessa är snabbare att återgå till normalt tillstånd än vad fosforescens är.
Förflyttningen av strålen i horisontell led sköts normalt av en svepgenerator som åstadkommer en spänning över det horisontella plattparet som stiger med konstant hastighet. Detta får elektronstrålen att röra sig med en konstant hastighet över skärmen. När sedan en viss spänning uppnåtts, och strålen nått skärmens andra kant, börjar svepet om från början. Svepets hastighet kan normalt varieras, från i storleksordningen flera sekunder ner till nanosekunder, beroende på hastigheten på det förlopp man vill studera. Svephastigheten (Sweep time) brukar man ställa in med hjälp av en ratt i enheten "tid per ruta" (time per division).
Förflyttningen av strålen i vertikal led görs genom att man låter insignalen via en förstärkare styra spänningen över det andra plattparet. Även denna förstärkning är ställbar i enheten volt per ruta (Volt per division), oftast mellan någon millivolt och några tiotal volt per ruta.
Elektrodstrålen kommer således att träffa skärmen i en viss punkt beroende på spänningen över avlänkningsplattorna. Eftersom den förflyttas horisontellt med konstant hastighet, och vertikalt beroende på insignalen, kommer den att rita en kurva på skärmen som bestriver insignalen som funktion av tiden.
Sedan början av 1990 talet tar digitala oscilloskop över allt mer. I ett sådant ritas inte kurvan på traditionellt sätt utan hör omvandlas signalen så fort som möjligt till digitalt format för att visas på en skärm mycket likt en TV eller datorskärm. Denna utveckling har lett till att oscilloskopet drastiskt ändrat form och storlek. Ledare i denna utveckling var Tektronix som i mitten på 1990 talet kom med en serie oscilloskop där katodstråleröret helt bytts mot en LCD-skärm. Det analoga oscilloskopet har vissa fördelar vad gäller signaler med många olika frekvenskomponenter som till exempel sammansatta videosignaler (PAL, NTSC, SECAM).
Historik
Oscilloskopet bygger på katodstråleröret, som uppfanns i slutet av 1800-talet. Karl Ferdinand Braun visade 1897 upp det första kända oscilloskopet som en teknisk kuriositet. Genom att lägga en periodisk referenssignal på X-plattorna och en mätsignal på Y-plattorna kunde han visa vågformer på fosforskärmen. Tidigare hade skrivande mätinstrument med pappersremsa bara kunnat registrera långsammare händelseförlopp. Under 1930- och 1940-talen utvecklades oscilloskopet som mätinstrument. De äldsta svenska texterna använder det tyska lånordet katodstråleoscillograf, men efter andra världskriget blev det engelska lånordet oscilloskop dominerande. Det första oscilloskopet med två Y-kanaler konstruerades i England i slutet av 1930-talet. Det första triggande oscilloskopet var Tektronix 511 från 1946, som lade grunden för tillverkaren Tektronix. Flera förbättringar gjordes under 1950- och 1960-talen, men framför allt blev oscilloskopen vanligare och mer avancerade och noggranna. De var dock stora och otympliga, eftersom kraven på miniatyrisering inte var lika stora som för konsumentprodukter. På 1970-talet kom transistorerade modeller och på 1980-talet digitala modeller där mätkretsar digitaliserar signalen, lagrar den i ett datorminne och gör den tillgänglig för bearbetning och beräkning i en dator innan den visas. Oscilloskop kan nu ha formen av ett PC-instickskort eller en USB-anslutning i stället för en egen bildskärm. En vidareutveckling är logikanalysatorn som samtidigt mäter ett stort antal digitala signaler från en dator och utför logisk analys av dem.
