MSURRI N ELECTRONIC I TELECOMUNICAII

12

12

2 Osciloscopul

2.1 Prezentare general Osciloscopul este un instrument avnd ca funcie principal

vizualizarea i msurarea semnalelor electrice n domeniul timp. Semnalul este reprezentat pe un ecran, ca un grafic bidimensional, avnd pe axa orizontal (X) timpul, iar pe axa vertical (Y) tensiunea. Acesta este modul cel mai frecvent de utilizare a osciloscopului, Y(t).

O alt utilizare a osciloscopului const n vizualizarea dependenei unui semnal funcie de alt semnal - funcionarea n modul Y(X).

Exist n prezent pe pia o varietate destul de mare de osciloscoape. O prim clasificare le poate mpri n dou categorii:

Osciloscoape fr memorie. Acestea sunt folosite n principal pentru vizualizarea semnalelor periodice, care pot genera o imagine stabil pe ecran, sau pentru a urmri evoluia unor semnale cu variaie foarte lent;

Osciloscoape cu memorie, care permit nregistrarea unui semnal ntr-o singur apariie i memorarea lui pentru a fi vizualizat ulterior.

n funcie de modul n care se face prelucrarea semnalelor osciloscoapele pot fi:

analogice (osciloscopul clasic); digitale. Semnalul este digitizat (transformat n form numeric), iar

apoi poate fi stocat, prelucrat, afiat. n acest caz, osciloscopul este implicit cu memorie.

Domeniul de frecven acoperit este pn la cteva sute de MHz pentru osciloscoapele obinuite (numite i de timp real), dar poate ajunge pn la zeci de GHz n cazul osciloscoapelor cu eantionare, care se bazeaz pe caracterul repetitiv al semnalelor vizualizate.

Osciloscopul

13

13

2.2 Schema bloc general O schem bloc foarte general, valabil att pentru un osciloscop

analogic ct i pentru unul digital, este dat n figura 2.1. Se pun n eviden trei blocuri principale: Canalul Y, al crui rol este de a realiza condiionarea (prelucrarea)

semnalelor studiate. Majoritatea osciloscoapelor existente permit vizualizarea a dou semnale, aplicate pe intrrile notate n schem cu YA, respectiv YB. Foarte frecvent ele sunt inscripionate pe ecran prin CH1 i CH2 (CH de la Channel). Exist i osciloscoape ce permit analiza simultan a mai multor semnale, de exemplu 4. n modul de lucru Y(X) intrarea YB i circuitele aferente pot fi comutate pentru a prelucra semnalul utilizat pentru axa X.

Canal Y

Sistem de sincronizare i baz de

timp

Sistem

de afiaj

Y

Y

TRG EXT

Figura 2.1. Schema bloc general a osciloscopului

Blocul intitulat Sistem de sincronizare i baz de timp ndeplinete o dubl funcionalitate:

o Pe de o parte, asigur sincronizarea imaginii. Cum s-a mai artat, osciloscopul fr memorie este frecvent utilizat pentru a vizualiza semnale periodice. Pe un ecran este reprezentat un segment de durat limitat al semnalului, iar afiarea se reia la anumite intervale de timp. Pentru a crea o imagine stabil, la fiecare reluare a afirii, ar trebui s fie reprezentat acelai coninut. Lucrul acesta este posibil, avnd n vedere periodicitatea semnalului, dac afiarea ncepe de fiecare dat n acelai moment de timp al perioadei semnalului. n figura 2.2 sunt reprezentate o imagine nesincronizat i una sincronizat. Pentru realizarea sincronizrii poate fi utilizat unul din cele dou semnale vizualizate, livrat de canalul Y (sincronizare intern), sau un semnal aplicat la borna trigger extern TRG EXT (sincronizare extern).

MSURRI N ELECTRONIC I TELECOMUNICAII

14

14

Imagine nesincronizat Imagine sincronizat Figura 2.2. Imagine nesincronizat/sincronizat pe ecranul osciloscopului

o Pe de alta parte, este necesar s se creeze o referin de timp pentru

a se putea realiza o scar de timp pe axa orizontal. Sistemul de afiaj este cel care trebuie s realizeze imaginea, pe un ecran

gradat, corelnd informaiile primite de la cele dou blocuri precedente. Uneori, n afar de imaginea propriu-zis mai pot fi afiate i unele informaii referitoare la semnalul vizualizat sau la setrile aparatului. Difer mult n funcie de tipul osciloscopului (n cazul osciloscopului analogic se utilizeaz un afiaj cu tub catodic, n timp ce n cazul osciloscopului numeric, afiajul este de fapt un monitor de calculator, realizat cu ecran cu cristale lichide (LCD))

2.3 Osciloscopul analogic. Schema bloc

Cum s-a artat, n acest caz vizualizarea se face utiliznd un tub catodic. Avnd n vedere rolul esenial pe care l are acesta n funcionarea aparatului, vom prezenta pe scurt structura i principiul de funcionare al acestuia.

2.3.1 Tubul catodic

Dispozitivul utilizat pentru afiarea imaginii n cazul osciloscopului analogic este tubul catodic (TK). Este constituit dintr-un ansamblu de electrozi situai ntr-o incint vidat de sticl, avnd o poriune cilindric i una tronconic (Figura 2.3).

Distingem 4 zone: Tunul electronic Zona de focalizare; Zona de deflexie; Zona de postaccelerare

Osciloscopul

15

15

Zona de postaccelerare

A1 A2 A3 DY

Tun electronic

Zona de focalizare

Zona de deflexie

APA

F

DX

K G

P

Figura 2.3. Tubul catodic al unui osciloscop

Tunul electronic

Are rolul de a genera un fascicol de electroni cu energii cinetice ridicate. Se compune din urmtoarele elemente:

Filament (F); Catod (K). Fiind nclzit de filament, genereaz fascicolul de electroni; Grila (G). Are rolul de a controla intensitatea fascicolului de electroni, i prin aceasta, strlucirea imaginii. Este polarizat la un potenial

negativ n raport cu catodul. Prin modificarea acestui potenial se regleaz strlucirea.

Anodul de accelerare ( 1A ). Are rolul de a accelera fascicolul de electroni, n care scop este polarizat la o tensiune nalt (300-5000V) de obicei fix n raport cu catodul.

Zona de focalizare

Dup ieirea din tunul electronic, fascicolul are tendina de mprtiere. Rolul acestei zone este de concentra fascicolul, obinndu-se o convergen la nivelul ecranului. Este constituit din doi anozi, avnd forma cilindric.

Anodul (A2) este polarizat la o tensiune mai mic dect anodul 1A (tipic 200-700V). Prin modificarea acestei tensiuni se realizeaz reglajul de focalizare.

Anodul (A3) este folosit pentru reglarea efectului de astigmatism (spotul devine oval n anumite poriuni ale ecranului). Acest fenomen se datoreaz n special diferenei de potenial ntre anodul A3 i potenialul mediu al plcilor de deflexie. n consecin potenialul anodului A3 se regleaz la potenialul mediu al plcilor de deflexie.

MSURRI N ELECTRONIC I TELECOMUNICAII

16

16

Potenialul acestui electrod este apropiat de al anodului de accelerare i este de obicei reglabil.

Zona de deflexie

Aceast zon este alctuit din perechile de plci de deflexie vertical i respectiv deflexie orizontal. Rolul su este de a realiza devierea fascicolului de electroni i n consecin deplasarea spotului la nivelul ecranului. Exist n principiu dou posibiliti de a realiza deflexia: cu ajutorul unui cmp magnetic sau al unui cmp electric. Prima soluie, presupunnd utilizarea unor bobine de deflexie situate n afara tubului, este folosit la tuburile catodice din televizoare sau monitoare TV.

n cazul osciloscoapelor se folosete deflexia electrostatic datorit posibilitii de a lucra la frecvene mari.

Se consider pentru exemplificare studiul sistemului de deflexie pe vertical, pentru sistemul de deflexie orizontal raionamentul fiind asemntor. Funcionarea sistemului de deflexie se bazeaz pe micarea electronului n cmp electrostatic. n figura 2.4 este prezentat micarea unui electron care intr, cu vitez vz la momentul t=0, n sistemul de deflexie. ntre plci se aplic tensiunea uy.

d

uy

l L

y(l+L)

Ey

z

y

Figura 2.4. Sistemul de deflexie pe vertical

Datorit aplicrii tensiunii uy ntre plci va exista un cmp electric

uniform:

yyu

Ed

= (1.1) Acesta va aciona asupra electronului cu o for:

y yF qE= (1.2)

Osciloscopul

17

17

yyu

F qd

= (1.3) Acceleraia imprimat pe direcia y va fi:

2

2yd yadt

= (1.4)

2

2y

y

ud yF m qdt d

= = (1.5) Pentru rezolvarea ecuaiei difereniale vom presupune condiiile

iniiale: ( ) ( )

0

0 0 , 0 0yt

dyy vdt =

= = = (1.6) Vom considera cazul n care tensiunea uy este constant i egal cu Uy. Prin rezolvarea ecuaiilor de micare, rezult:

( )( )

2

2y

z

Uq ty tm d

z t v t

==

(1.7)

sau eliminnd timpul ntre cele dou ecuaii se obine ( ) 222y z

Uq zy zm d v

= (1.8) Rezult c n interiorul sistemului de deflexie electronul se mic pe o

traiectorie parabolic. Dup ieirea din aceast zon, electronul i continu micarea n virtutea ineriei pe o traiectorie rectilinie, pe direcia tangentei la parabol, deci sub un unghi 2

y

z l z

Udy q ltgdz m d v=

= = (1.9) Ne intereseaz deplasarea la nivelul ecranului care va avea deci dou

componente:

( ) ( ) 2 2y zUq l ly L l y l Ltg L

m d v + = + = + (1.10)

Viteza vz este determinat de tensiunea de accelerare UAC, conform ecuaiei

22 2

2z AC

AC zmv qUqU v

m= = (1.11)

Se definete sensibilitatea sistemului de deflexie pe vertical n regim static

( )0 2 2 2y y AC ACy l L l l lLS L

U dU dU+ = = + (1.12)

MSURRI N ELECTRONIC I TELECOMUNICAII

18

18

Din relaia sensibilitii se observ urmtoarele: Mrirea tensiunii de accelerare are efect negativ asupra sensibilitii.

Rezult de aici necesitatea postaccelerrii deoarece accelerarea n zona anodului A1 nu poate fi mrit foarte mult.

Mrirea sensibilitii se poate face prin mrirea lui L, adic prin alungirea tubului. Deoarece se dorete o sensibilitate mai mare pentru sistemul de deflexie pe y, plcile de deflexie vertical se dispun naintea celor de deflexie orizontal.

Mrirea raportului l/d ar fi o cale pentru mrirea sensibilitii. Apare ns pericolul ca electronii sa loveasc plcile de deflexie.Aceast situaie se poate evita prin modificarea formei plcilor (figura 2.5).

poligonale trapezoidale paraboidale Figura 2.5. Plci de deflexie

De asemenea mrirea lui l conduce la creterea timpului de zbor al

electronilor n interiorul sistemului de deflexie. Aceast are un impact negativ asupra benzii de frecvene a tubului catodic (scade sensibilitatea la frecvene nalte). Zona de postaccelerare

n cazul tuburilor destinate funcionrii la frecvene mai mari de 10 MHz, viteza de deplasare a fascicolului n planul ecranului este foarte mare, durata incidenei cu un anumit punct al ecranului i deci i energia cinetic transmis stratului luminiscent este mic, rezultnd o scdere a strlucirii imaginii.

Pentru a evita acest fenomen, este util o mrire suplimentar a energiei cinetice a electronilor dup sistemul de deflexie. Aceast se obine prin introducerea unui anod de postaccelerare (APA) polarizat cu o tensiune foarte nalt (515 kV).

Acest anod se realizeaz printr-o depunere metalic de form elicoidal i cu rezisten foarte mare (de ordinul sute de M) pe suprafaa tronconic a tubului. Forma electrodului este astfel aleas nct cmpul s prezinte suprafee echipoteniale sferice, care nu modific traiectoria electronului n zona de postaccelerare. Electrodul elicoidal se conecteaz la captul dinspre sistemul de deflexie la un potenial apropiat de cel al plcilor de deflexie, iar la captul dinspre ecran la potenialul de postaccelerare.

Osciloscopul

19

19

Ecranul Ecranul este format din stratul luminiscent P, depus pe faa interioar a

tubului. Rolul acestui strat este de a transforma energia cinetic a electronilor n energie luminoas cu un randament ct mai bun. Elementul de baz pentru realizarea ecranului l constituie fosforul.

Dou sunt fenomenele care stau la baza funcionrii ecranului: Fluorescen emisie luminoas pe durata bombardrii cu electroni; Fosforescen emisie luminoas care continu dup ncetarea

bombardamentului cu electroni. O caracteristic important a unui tub catodic, determinat de

proprietile stratului de fosfor, este persistena imaginii intervalul de timp n care luminozitatea scade de la 90% la 10% din cea iniial dup terminarea bombardamentului cu electroni. Cteva exemple:

Persisten redus (sub 1 ms) fosfor P11 (culoare albastr); Persisten medie (1ms2s) fosfor P31 (culoare galben verzuie)

foarte frecvent la osciloscoape; Persisten mare (mai mare ca 2 ms) fosfor P33 (culoare oranj)

pentru radare, analizoare de spectru, vobuloscoape. Graticula (caroiajul)

Pentru a putea msura nivele de tensiune sau intervale de timp, este necesar existena unei grile gradate n diviziuni i subdiviziuni, pe orizontal i pe vertical. n mod frecvent, sunt 10xN = diviziuni pe orizontal i

8yN = diviziuni pe vertical. Graticula poate fi: Intern (zgriat pe sticla ecranului); Extern (realizat pe o plac de plexiglas plasat n faa ecranului.

MSURRI N ELECTRONIC I TELECOMUNICAII

20

20

2.3.2 Schema bloc a osciloscopului analogic

BT

TRG EXT

Tub catodic TK

Canal X

Canal Y YA YB

PAX

ADX

X EXT

Z EXT AZ CS Surse i alimentare TK

Figura 2.6. Schema bloc a unui osciloscop analogic

Canalul Y - Acest bloc preia semnalele de la intrare (n figur s-a presupus un osciloscop cu dou canale, deci exist dou intrri notate cu YA i YB), pe care le prelucreaz pentru a produce tensiunea necesar sistemului de deflexie pe vertical. Totodat el livreaz i un semnal pentru sincronizarea intern pentru baza de timp (BT). Canalul X (baza de timp) Dac pe plcile de deflexie pe vertical s-a aplicat semnalul care se dorete a fi vizualizat, pe plcile de deflexie orizontal, n modul de lucru normal al osciloscopului (vizualizarea variaiei temporale a semnalului y(t)), trebuie aplicat un semnal care s asigure deplasarea pe orizontal a spotului. Deoarece pe orizontal se dorete s se msoare timpul, micarea spotului de electroni pe aceast direcie trebuie s se fac cu vitez constant (curgerea timpului este liniar). n consecin pe plcile de deflexie orizontal trebuie s fie aplicat o tensiune liniar variabil (cresctoare) pe durata unei curse directe. Blocul care genereaz aceast tensiune este baza de timp (BT). n ansamblu tensiunea generat de baza de timp are o form de tip dinte de fierstru. Baza de timp mai are de asemenea rolul de a asigura sincronizarea imaginii vizualizate, folosind drept semnal de sincronizare fie

Osciloscopul

21

21

semnalul care este vizualizat (sincronizare intern), fie un semnal extern, aplicat la borna TRG EXT (trigger extern). O alt funciune a bazei de timp const n generarea unui semnal care s asigure stingerea spotului pe durata cursei inverse (ntoarcerea spotului). Amplificatorul deflexiei pe orizontal (ADX) preia semnalul dat de BT n modul de lucru ( )y t sau pe acel dat de un preamplificator (PAX) n cazul cnd se lucreaz n modul ( )y x . PAX amplific semnalul aplicat la intrarea X EXT. Amplificatorul de luminozitate (A Z) Permite controlul strlucirii imaginii vizualizate prin reglarea tensiunii aplicate grilei tubului catodic. Circuitele de control al strlucirii (CS) O prim funciune obligatorie const n stingerea spotului pe durata cursei inverse, utiliznd semnalul furnizat de BT. n afar de aceasta, unele osciloscoape mai au i posibilitatea controlului strlucirii prin intermediul unui semnal extern, aplicat la borna Z EXT. Rolul CS const n combinarea celor dou tipuri de semnale. Deoarece din variaia intensitii imaginii vizualizate putem obine informaii despre semnal, intensitatea este vzut ca o a treia dimensiune (Z). n figura 2.7 este prezentat imaginea care apare pe ecranul osciloscopului cnd pe intrarea Z se aplic un semnal dreptunghiular, iar semnalul vizualizat este de tip sinusoidal.

Figura 2.7. Semnal dreptunghiular aplicat pe Z

MSURRI N ELECTRONIC I TELECOMUNICAII

22

22

2.4 Osciloscopul digital. Schema bloc

TS

CS

Sistem de sincronizare i baz de timp

Calculator

YA

YB

TRG EXT

E/M CAN

MonitorLCD

Figura 2.8. Schema bloc a unui osciloscop digital

O schem simplificat este dat n figura 2.8. n aceast schem CS

este un bloc analogic de condiionare a semnalelor de intrare. Funciunile sale sunt foarte asemntoare cu cele ale canalului Y din schema osciloscopului analogic. Urmeaz un bloc de eantionare/memorare (E/M). Acesta eantioneaz semnalul analogic de intrare la intervale egale de timp (TS) ca n figura 2.9.

TSt

Figura 2.9. Semnal eantionat Eantioanele astfel obinute sunt aplicate unui convertor analog

numeric (CAN). Acesta compar amplitudinea fiecrui eantion cu un pas de cuantizare. Raportul celor dou mrimi, rotunjit la un numr ntreg, este rezultatul conversiei. n acest fel semnalul va fi reprezentat printr-o succesiune de numere, scrise ntr-un cod binar. Se spune c semnalul este digitizat (exprimat n form numeric) i sub aceast form este aplicat unui microcalculator. Acesta mai primete i informaiile de timp i de sincronizare de la sistemul de sincronizare i baz de timp. Sistemul acesta lucreaz ca i n cazul osciloscopului analogic pornind de la semnalul de sincronizare analogic, dar funcionarea sa difer n multe privine de aceea a blocului

Osciloscopul

23

23

omolog din cazul precedent. Baza de timp furnizeaz i semnalul de tact TS cu care face eantionarea blocul E/M.

Microcalculatorul poate efectua operaii de memorare a unui numr de forme de und, prelucrri de semnal pentru mbuntirea calitii imaginii, calculul unor parametri ai semnalului (valorare maxim, minim, eficace, medie, frecvena de repetiie, poziiile cursorilor de timp sau de tensiune etc.), asigurarea operaiilor de interfa cu utilizatorul sau cu un calculator. Afiarea se face pe un monitor video cu cristale lichide monocrom sau color. Avnd n vedere posibilitile de afiare pe ecran, elementele de reglaj nu mai sunt de regul inscripionate pe panoul aparatului, ci sunt afiate direct pe ecran.

2.5 Canalul Y

Acest paragraf se refer la canalul Y al osciloscopului analogic, care preia semnalul de la intrrile YA , YB i livreaz tensiunea pentru sistemul de deflexie pe vertical, dar i la partea analogic a canalului Y al osciloscopului numeric, care furnizeaz tensiunea necesar sistemului de conversie analog numeric. 2.5.1 Rolul i funciunile canalului Y 1. Asigur impedana de intrare de valoare ridicat a osciloscopului; 2. Realizeaz amplificarea n tensiune, necesar pentru a putea aduce

tensiunea de intrare la valoarea necesar sistemului de deflexie (n cazul osciloscopului analogic) sau sistemului de conversie CAN (n cazul osciloscopului digital);

3. Aceast amplificare este calibrat, aa nct s existe o relaie cunoscut ntre dimensiunea imaginii pe ecran i valoarea tensiunii de la intrare;

4. Face trecerea de la intrarea de regul nesimetric (ntre un punct `cald` i mas) i ieirea simetric, spre plcile de deflexie sau sistemul de conversie CAN;

5. Asigur protecia la supratensiuni; 6. Permite extragerea semnalului pentru sincronizare intern; 7. Permite realizarea unor reglaje i selecii, urmrind vizualizarea i

ncadrarea convenabil n ecran a imaginii. 2.5.2 Reglaje i selecii n canalul Y 1. Selecia modului de cuplaj al semnalului de intrare, cu urmtoarele

posibiliti: Cuplaj n curent continuu (CC) Cuplaj n curent alternativ, cu blocarea componentei continue (AC);

MSURRI N ELECTRONIC I TELECOMUNICAII

24

24

Conectarea la mas a intrrii (GND ground), de exemplu pentru a vedea poziia spotului pe ecran fr semnal.

Efectul acestui comutator este ilustrat n figura 2.10.

2. Coeficientul de deflexie pe vertical reprezint raportul dintre tensiunea yU aplicat la intrarea Y i deviaia rezultat a imaginii pe ecran, exprimat

prin numrul de diviziuni yn : yy

y

UC

n= (1.13)

Valorile calibrate ntlnite la majoritatea osciloscoapelor sunt: Cy=5-10-20-50-100-200-500 mV/div, 1-2-5 V/div.

Uc componenta continu

a) CC b) CA c) GND

Figura 2.10. Efectul comutatorului de cuplaj

EXEMPLU: S presupunem c n exemplul din figura 2.10, vizualizarea este fcut cu

1V/divyC = . Rezult c semnalul este o sinusoid cu amplitudinea de 1,5V , suprapus peste o tensiune continu 2,5 VcU = . n afar de reglajul n trepte, exist i posibilitatea reglrii continue a coeficientului de deflexie pe vertical util, de exemplu, atunci cnd dorim s ncadrm o imagine ntre anumite gradaii ale scrii gradate. Atenie! Dac utilizm reglajul continuu, nu mai putem citi nivele de tensiune pe gradaia ecranului! n cazul osciloscoapelor numerice, scrile calibrate pot fi uneori mai dese, iar reglajul continuu poate fi nlocuit cu unul fin (n trepte foarte dese, de exemplu 1 : 1,1 : 1,2 : etc.)

3. Poziia (deplasarea) pe vertical a imaginii (POZ Y). Utilizarea acestui reglaj este echivalent cu suprapunerea unei tensiuni continue peste semnalul msurat. Acest fapt poate s conduc la erori n msurarea tensiunilor continue suprapuse peste semnal. Pentru a le evita este indicat ca mai nainte de efectuarea msurtorii s se verifice i eventual s se

Osciloscopul

25

25

ajusteze n mod convenabil poziia spotului pe ecran, cu comutatorul modurilor de cuplaj pe poziia GND.

4. Selecia polaritii imaginii +/ .Permite vizualizarea semnalului y sau y . 5. Selecia modului de vizualizare simultan a semnalelor de pe cele dou

(sau mai multe) intrri. Pentru un osciloscop cu dou canale, sunt uzuale urmtoarele opiuni:

CH1 (numai semnalul YA); CH2 (numai semnalul YB); ALT (ambele semnale, n modul alternat); CHOP (ambele semnale, n modul comutat); ADD (suma canalelor de pe cele dou canale, sau diferena lor, dac

polaritatea unuia este inversat). n cazul osciloscoapelor numerice, dac exist dou canale CAN nu se

mai pune problema selectrii unuia dintre cele moduri de reprezentare simultan alternat/comutat. Exist ns i osciloscoape cu un singur sistem de conversie, avnd n vedere preul ridicat al acestui sistem. n acest caz, convertorul poate lucra n modul alternat (se efectueaz succesiv achiziia cte unuia din cele dou semnale) sau comutat (de exemplu achiziionnd un eantion al canalului A, apoi unul al canalului B i aa mai departe).

2.5.3 Caracteristici i performane ale canalului Y. Sensibilitatea osciloscopului poate fi caracterizat prin inversul

coeficientului de deflexie pe vertical minim, ymC . Pentru osciloscoapele obinuite, acesta este 5 sau 10 mV/div. Limitarea inferioar este cauzat de existena zgomotului, inerent oricrui circuit electric. Atunci cnd exist trepte mai coborte, de exemplu 1 sau 2 mV/div, acestea se realizeaz cu preul reducerii lrgimii de band a osciloscopului (de exemplu la 5-10 MHz), pe acele trepte, prin introducerea unui filtru trece jos, care limiteaz puterea zgomotului.

Amplificarea n tensiune a canalului la frecvene joase, 0A . n cazul

unui osciloscop analogic, cunoscnd sensibilitatea deflexiei pe vertical 0yS i valoarea minim a lui yC , ymC ,

00

1

y ym

AS C

= (1.14) EXEMPLU: Pentru un tub avnd 0 0,1div/VyS = i un osciloscop cu

10 mV/divymC = , rezult 30 10A = .

MSURRI N ELECTRONIC I TELECOMUNICAII

26

26

n cazul unui osciloscop numeric, cunoscnd tensiunea maxim la intrarea CAN, MU i avnd n vedere c aceasta trebuie s corespund tensiunii necesare pentru acoperirea ntregului ecran pe treapta de ymC , rezult

yy

MCN

UA =0 (2.15)

Caracteristicile de frecven. Amplificarea n tensiune a canalului Y, poate fi aproximativ reprezentat n termenii transformatei Laplace prin expresia

( ) 0 00

AA ss= + (1.16)

din care se deduce dependena de frecven ( ) ( ) ( ) 0 0

0

j AA j A j ej

= = + (1.17) Modulul amplificrii

( )0

0

0 0 02 2 2

21

A AA j = = + + (1.18)

indic dependena amplificrii de frecven, deci reprezint caracteristica amplitudine frecven a canalului Y. Pentru o redare fr distorsiuni a semnalului, ar trebui ca aceast caracteristic s fie constant n toat banda de frecvene a semnalului vizualizat. Constatm ns o scdere cu frecvena a amplificrii. n figura 2.10 este reprezentat aceast caracteristic n decibeli:

( ) ( )0

2

10 10 0 10 220log 20log 10log 1dBA j A j A = = +

(1.19)

A()[dB]

0

A0 [dB]

A0 3 [dB]

Figura 2.10. Caracteristica de frecven

Se obinuiete s se considere acceptabil o scdere cu 1 0,7072= ,

Osciloscopul

27

27

sau n dB: 10 10120log 10log 2 3dB2

= = . Aceasta apare la 0= . Acceptnd aceast scdere vom putea afirma

c lrgimea de band la 3dB a canalului Y i implicit a osciloscopului, este 03 0 2dB

f f = = . Se observ c putem reprezenta aproximativ caracteristica amplitudine-

frecven innd seama de urmtoarele aproximri: o Pentru frecvene 0> ,

( )0

10 0 1020log 20logdBA j A

(1.20)

Utiliznd pentru graficul de mai sus o scar logaritmic de frecvene n abscis, caracteristica se aproximeaz deci cu o dreapt, avnd o scdere de 20 dB la o cretere a frecvenei de la la 10 (-20dB/decad). ( ) indic defazajul introdus de amplificator, pentru un semnal sinusoidal de frecven . Aceast funcie reprezint deci caracteristica faz-frecven. Uneori, n locul caracteristicii faz frecven se prefer caracteristica timp de ntrziere de grup-frecven, timpul de ntrziere de grup fiind dat de ( ) ( )d

dg = . Pentru ca amplificatorul s nu produc

distorsiuni, n afar de condiia referitoare la caracteristica amplitudine frecven, ar mai trebui ca timpul de ntrziere de grup s fie constant n toat banda de frecvene a semnalului (sau, echivalent, caracteristica faz frecven s varieze liniar cu frecvena).

Rspunsul la impuls treapt. n mod ideal, aplicnd la intrare o treapt ar trebui s rezulte la ieire tot o treapt, avnd o anumit ntrziere i o modificare a amplitudinii fa de cea de la intrare.

AI t

AO

t t0

Figura 2.11. Rspunsul, n cazul ideal, la impulsul treapt Dou elemente apar ca distorsiuni n cazul real

MSURRI N ELECTRONIC I TELECOMUNICAII

28

28

o Existena unor oscilaii amortizate n vecintatea tranziiei. Sunt de nedorit n cazul osciloscopului i pot fi evitate printr-o proiectare i realizare adecvat;

o Tranziia ntre cele dou nivele nu se mai face instantaneu ci ntr-un timp de cretere (durata frontului).

AO

tAI

t

Figura 2.12. Rspunsul, n cazul real, la impulsul treapt S evalum acest fenomen n cazul modelului simplificat adoptat

pentru expresia amplificrii. Semnalul de intrare este deci un impuls treapt ( ) ( )x t t= avnd transformata Laplace ( ) 1X s

s= . Transformata

Laplace a ieirii este ( ) ( )0 0 0

AY ss s

= + (1.21) ( ) ( ) ( )00 1 ty t A e t = (1.22)

reprezentat n figura 2.13.

y(t) x(t)=(t)

1

A0 0,9A0

0,1A0 t1 t2 t t

Figura 2.13. Rspunsul osciloscopului la impuls treapt

Durata frontului va fi 2 1ft t t= , unde 1t rezult din ( ) ( )1 01 0 01 0,1ty t A e A = = 1

0

1 1ln0,9

t = (1.23) iar 2t

( ) ( )2 02 0 01 0,9ty t A e A = = 20

1 1ln0,1

t = (1.24) de unde

Osciloscopul

29

29

0 0

1 2,2ln9ft = = (1.25) sau

0

0,35ft f= (1.26)

Se constat c durata frontului este invers proporional cu lrgimea de band a amplificatorului. De exemplu, pentru 0 100MHzf = rezult

3,5nsft = . Dac semnalul aplicat la intrare nu este o treapt perfect, ci are o

durat a frontului st , durata frontului vizualizat poate fi determinat aproximativ cu formula empiric 2 2v s ft t t= + (1.27) Msurarea fcut este valabil fr a face aceast corecie, v st t , dac

v ft t>> . Dac ns vt i ft sunt comparabili, pentru calculul lui st trebuie aplicat formula de mai sus.

Impedana de intrare

Ri Ci

Figura 2.14. Schema echivalent a impedanei de intrare a osciloscopului

Are o component rezistiv i una capacitiv (figura 2.14) n mod frecvent, 1 , 10 80i iR M C pF= = . La frecvene mari, componenta capacitiv tinde s unteze componenta rezistiv i impedana de intrare devine puternic dependent de frecven. De aceea, osciloscoapele destinate funcionrii la frecvene mari (peste 100 MHz) au uneori i o intrare de impedan mic (50 sau 75 ohmi).

2.5.4 Blocurile funcionale ale canalului Y S-a considerat cazul unui osciloscop cu dou canale (YA, YB). Schema

bloc a canalului Y este prezentat n figura 2.15.

MSURRI N ELECTRONIC I TELECOMUNICAII

30

30

Cy [V/div] Cy POZ Y INV

ACY PAY CC YA

YB

ADY

SINCRCC GND CA

Figura 2.15. Canalul Y al osciloscopului

Principalele componente funcionale sunt:

Comutatorul modurilor de cuplaj (CC, AC, GND) Atenuatorul calibrat (ACY) Preamplificatorul canalului Y (PAY) Comutatorul de canale (CC) Amplificatorul de deflexie pe vertical (ADY) Comutatorul modului de cuplaj permite vizualizarea semnalului cu sau fr component continu sau, pe poziia GND (Ground), permite vizualizarea nivelului de zero (figura 2.7). Atenuatorul calibrat permite modificarea n trepte calibrate a coeficientului de deflexie pe vertical. Dac se dorete realizarea unui atenuator cu treptele Cy=10-20-50-100-200-500 mV/div, 1-2-5 V/div, vor fi necesare atenurile din tabelul

yC 10 mV/div 20

mV/div 50

mV/div 100

mV/div 200

mV/div500

mV/div 1

V/div 2

V/div 5

V/div

Atenuare 1/1 1/2 1/5 1/10 1/20 1/50 1/100 1/200 1/500

Se observ c toate aceste atenuri pot fi realizate utiliznd doar patru atenuatori elementari, cu atenurile 1/2, 1/5, 1/10, 1/100 i conectndu-i n mod convenabil n cascad, cnd este necesar.

De exemplu, atenuarea 1/50 se poate realiza conectnd n cascad un atenuator 1/10 cu unul 1/5. Fiecare atenuator elementar ar putea fi realizat ca un divizor rezistiv. Impedana de sarcin a unui atenuator poate fi impedana de intrare n preamplifcator ( )ipZ sau impedana de intrare a altui atenuator,

Osciloscopul

31

31

( )iaZ . Cum ns intrarea oricrui atenuator ar putea fi conectat chiar la intrarea osciloscopului, iar impedana de intrare a osciloscopului nu trebuie s depind de treapta de atenuare, va fi necesar ca ( ) ( ) ( )ip io iaZ Z Z= = . n plus, atenuare fiecrei celule trebuie s fie independent de frecven. S presupunem atenuatorul ca un divizor rezistiv (figura 2.16) realizat cu rezistoarele 1R i 2R i avnd drept sarcin impedana de intrare n preamplificator ( )ipZ . n acest caz, funcia de transfer n tensiune este ( ) ( )( )

2

1 2

ip

ip

R ZH

R R Z= +

(1.28)

1U R2

R1

Rip Cip 2U

Figura 2.16. Atenuator rezistiv

Evident, deoarece ( )ipZ scade cu frecvena din cauza componentei

capacitive, i ( )H va avea o tendin de scdere. Pentru a compensa aceast tendin se poate introduce un condensator 1C n paralel cu 1R , care s favorizeze trecerea frecvenelor nalte. Se ajunge la schema din figura 2.17.

Ca Cb U2 Rb

U1

Ra

Figura 2.17. Structura unui atenuator

Funcia de transfer a circuitului este dat de relaia

( ) ( )( ) ( )2

1

b

a b

U ZH

U Z Z = = + (1.29)

unde

MSURRI N ELECTRONIC I TELECOMUNICAII

32

32

( )( )

1|| ,1 1

1|| ,1 1

a aa a a a a

a a a a

b bb b b b b

b b b b

R RZ R R Cj C j R C j

R RZ R R Cj C j R C j

= = = = + + = = = = + +

(1.30)

aa nct ( ) ( )( )

2

1

1 1

1

b a b a

a b a b b a a b a b b a

a b

U R j R jHU R R j R R R R R Rj

R R

+ + = = =+ + + + + + + (1.31)

La frecvene joase ( )0 b

a b

RH kR R

= =+ (1.32) Este de dorit ca funcia de transfer s nu depind de frecven, ceea ce

se ntmpl dac a b b aa

a b

R RR R + = = + (1.33)

ceea ce implic a b = = (1.34)

Aceasta este condiia de compensare perfect a atenuatorului. Este foarte important ca aceast condiie s fie ndeplinit. ndeplinirea ei presupune nu numai constana atenurii cu frecvena, ci i faptul c rspunsul atenuatorului la un semnal complex nu este distorsionat. De exemplu, rspunsul atenuatorului compensat la semnalul treapt ( ) ( )1u t t= va fi tot un impuls treapt ponderat cu valoarea k, ( )k t ).

n cazul n care a b , atenuarea nu mai este constant cu frecvena, deci vor aprea erori n msurarea amplitudinii unor semnale sinusoidale. n plus, semnalele cu o form mai complex vor fi distorsionate. Ca exemplu, n cazul impulsului treapt aplicat la intrare, se poate arta c semnalul de la ieirea atenuatorului se obine n acest caz ( ) ( ) ( )( ) ( )teRRCCtktu

t

baab

ba +++=2 (1.35)

Sunt posibile dou situaii: b a > atenuator subcompensat; n acest caz atenuatorul defavorizeaz

semnalele de frecvene mari, iar n rspunsul la treapt, termenul al doilea este negativ, avnd la efect o distorsionare a frontului.

b a < atenuator supracompensat; atenuatorul favorizeaz semnalele de frecvene nalte, iar n rspunsul la treapt, termenul al doilea este pozitiv, conducnd la o supracretere.

Osciloscopul

33

33

n figura 2.16 este reprezentat rspunsul n cele trei cazuri (atenuator compensat, supracompensat i subcompensat).

t

y(t)

b>a - subcompensat

b

MSURRI N ELECTRONIC I TELECOMUNICAII

34

34

pot fi afiate mai multe imagini simultan. Pentru a permite totui vizualizarea simultan a semnalelor de pe mai multe canale, este folosit blocul de comutare a canalelor. Acesta are rolul de a multiplexa semnalele care trebuie vizualizate. Exis dou moduri de vizualizare a mai multor canale:

modul alternat (ALT) modul comutat (chopper - CHOP)

1. Modul alternat Semnalele sunt afiate alternat. La fiecare curs se afieaz un semnal.

De exemplu, n cazul unui osciloscop cu dou canale, la cursele impare este afiat semnalul de pe canalul 1, iar la cursele pare este afiat semnalul de pe canalul 2. S notm cu dT perioada desfurrilor. Inseamn c imaginea corespunztoare unuia dintre canale este afiat cu o perioad de 2 dT . Dac

2p dt T> , unde pt este persistena ecranului, ochiul percepe cele dou imaginii ca fiind afiate simultan. Acest mod de lucru este util pentru semnale de frecvene mari (perioad mic). n acest caz perioada de afiare este mic i implicit alternarea celor dou imagini este foarte rapid. In cazul semnalelor de frecvene joase, este posibil s nu mai fie ndeplinit relaia de mai sus i imaginea apare plpitoare, alternarea devenind vizibil.

2. Modul comutat Pe ecran sunt afiate eantioane (fragmente) din cele dou imagini.

Comutatorul de canale comut de la o imagine la alta cu o frecven de ordinul sutelor de kHz. Dac aceast comutare se face cu o frecven suficient de mare, mai precis cu o perioad c dT T