Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

1/21

Osciloscopul – indicaţii pentru utilizatori

Osciloscopul este un instrument de măsurare dedicat vizualizării graficelor evoluţiilor în timp sau

interdependenţelor semnalelor electrice şi neelectrice. Asociat cu traductoare - dispozitive care

produc semnale electrice când sunt stimulate de mărimi electrice sau neelectrice (unde acustice,

solicitări mecanice, debit, căldură, etc.), un osciloscop poate vizualiza orice semnal: oscilaţii

acustice şi mecanice, semnale luminoase sau semnale electrice specifice organismelor biologice.

Practic, sfera de aplicaţii a osciloscopului este nelimitată.

Mărimile de intrare în osciloscop sunt tensiunile la bornele de intrare (fig.1). Mărimea de ieşire este

poziţia unui spot luminos pe ecranul graticulat al osciloscopului. Ecranul are rolul scalei

dispozitivului de măsurat de la aparatele analogice de tip indicator, cu deosebirea că deviaţia este

obţinută prin deflexia unui fascicol electronic într-un câmp electrostatic.

Fig.1. Panoul frontal al osciloscopului analogic Tektronix 2205

Măsurările complexe care pot fi făcute manual de operator pe formele de undă vizualizate se

bazează pe două operaţii elementare: măsurarea nivelelor şi măsurarea intervalelor de timp. La

osciloscoapele numerice, aceste măsurări sunt efectuate automat, operatorul trebuind doar să

poziţioneze cursoarele la limitele zonelor de interes ale formelor de undă.

Graticula ecranului este constituită de linii verticale şi orizontale care alcătuiesc o reţea de pătrate.

Latura unui pătrat se numeşte diviziune. Fiecare diviziune (orizontală şi verticală) este gradată în

câte 5 subdiviziuni, atât pe axa nivelului cât şi pe axa timpului. Ecranul standard al osciloscopului

are 10 diviziuni orizontale şi 8 diviziuni verticale. Pe verticală sunt repere de 0%, 10%, 90%, şi

100% pentru măsurarea timpului de creştere şi a vitezei de creştere (fig.2). Osciloscopul se poate

utiliza în două regimuri de funcţionare:

- vizualizarea evoluţiilor în timp ale semnalelor - regimul Y(t);

- vizualizarea interdependenţelor semnalelor – regimul Y(X).

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

2/21

În regimul de vizualizare a formelor de undă, Y(t), în axa verticală (Y) a ecranului este reprezentată

tensiunea de intrare, iar în axa orizontală (X) este reprezentat timpul.

Fig.2. Graticula ecranului osciloscopului

Intensitatea luminoasă (luminozitatea) a formei de undă de pe ecran este numită “axa Z” (fig.3). Ca

şi scala aparatelor de măsurare, ecranul osciloscopului este gradat în diviziuni (orizontale şi

verticale) care alcătuiesc graticula, căreia îi corespund două constante de transfer (factori de scară)

exprimate în volţi pe diviziune (V/div) – pe verticală, respectiv secunde pe diviziune (s/div) – pe

orizontală. În regim de vizualizare a interdependenţelor funcţionale, Y(X), atât pe orizontală cât şi

pe verticală factorii de transfer sunt exprimaţi în V/div.

Fig.3. Componentele X, Y, Z ale imaginii de pe ecranul unui osciloscop

Pe panoul frontal al osciloscoapelor, butoanele de reglaj sunt grupate în 3 secţiuni:

- control vertical

- control orizontal

- control al declanşării baleiajului orizontal

- reglaje video (luminozitate, focalizare, etc.)

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

3/21

- comutatoare ale blocului de intrare (fig.4)

Majoritatea aplicaţiilor utilizează osciloscopul în regim Y(t). Regimul Y(X) se utilizează pentru a

vizualiza caracteristicile dinamice ale elementelor neliniare, frecvenţa, puterea, defazajul, ş.a..

Din graficul evoluţiei în timp a unui semnal se pot deduce:

- coordonatele temporale şi de amplitudine ale unei valori punctuale a unui semnal;

- frecvenţa unui semnal periodic;

- mărimile variabile ale unui circuit sau ale unui sistem;

- componentele sistemului care distorsionează semnalul prin funcţionarea defectuoasă;

- ponderea componentelor alternativă şi continuă ale unui semnal;

- ponderea zgomotului şi evoluţia sa în timp.

Fig.4. Panoul frontal al osciloscopului analogic TEK 2205 (Tektronix)

Osciloscoapele sunt realizate în variante analogice şi numerice. Cele analogice operează direct cu

tensiunile aplicate la intrările lor. Aceste tensiuni sunt aplicate (prin intermediul unor

amplificatoare) unui sistem de deflexie a unui fascicol electronic vizibil sub forma unui spot

luminos pe ecranul osciloscopului. Tensiunea semnalului de vizualizat deflectează pe verticală

fascicolul electronic, deplasând spotul luminos pe aceeaşi direcţie. Prin compunerea cu deflexia

orizontală, mişcarea spotului pe ecran redă imaginea formei de undă a semnalului de la intrare.

Altfel spus, spotul luminos de pe ecran urmăreşte forma de undă a semnalului de intrare.

Osciloscoapele numerice eşantionează forma de undă analogică a semnalului de intrare, utilizând

convertoare analog-numerice (ADC) care convertesc semnalul analogic într-o secvenţă de numere

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

4/21

binare. Aceste secvenţe sunt memorate, prelucrate şi reconvertite apoi în semnale analogice cu care

se reconstruiesc pe ecran formele de undă ale semnalelor de vizualizat (fig.5).

Fig.5. Osciloscoape analogice şi numerice

Pentru majoritatea aplicaţiilor, osciloscoapele analogice şi cele numerice sunt la fel de utile. Fiecare

din acestea oferă însă facilităţi specifice, care le recomandă diferitelor aplicaţii. Pentru aplicaţiile

“de timp real”, majoritatea tehnicienilor preferă variantele analogice care oferă prompt informaţii

asupra semnalelor vizualizate.

Osciloscoapele numerice permit memorarea şi vizualizarea ulterioară a semnalelor (de aceea se mai

numesc şi osciloscoape cu memorie numerică – DSO), ca şi tipărirea acestora pe imprimante sau

plottere. Această caracteristică este utilă în special pentru analiza semnalelor nerepetitive, specifice

fenomenelor tranzitorii. Osciloscoapele numerice au şi facilităţi de prelucrare numerică a

semnalului şi de conectare cu alte sisteme de măsurare sau cu PC.

Principii de funcţionare ale osciloscoapelor analogice

Pentru a înţelege comenzile şi reglajele osciloscopului, trebuie pornit de la principiul de redare a

evoluţiei unui semnal pe ecranul unui tub catodic.

Osciloscoapele analogice şi numerice funcţionează pe principii diferite, însă au multe elemente

comune. Cele analogice sunt mai simple, şi pot servi drept suport pentru înţelegerea celor numerice.

Când sonda osciloscopului se conectează într-un circuit, semnalul de la intrare (tensiunea) este

distribuit către sistemul de deflexie verticală al osciloscopului şi către blocul de sincronizare. În

fig.6 este ilustrat modul în care un osciloscop analogic vizualizează un semnal.

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

5/21

Fig.6. Schema bloc a osciloscopului analogic

Primul modul de intrare de pe calea de semnal este un atenuator rezistiv compensat în frecvenţă,

care reduce (în funcţie de poziţia comutatorului de scalare verticală – V/div) amplitudinea

semnalelor mari. Semnalele de nivel redus sunt amplificate de un amplificator de bandă largă. După

condiţionarea corespunzătoare, semnalele de tensiune de la intrare sunt aplicate plăcilor de deflexie

verticală ale tubului catodic, deviind un fascicol electronic care porneşte din partea din spate a

tubului şi loveşte partea frontală (ecranul) tubului. Pe partea interioară a ecranului este depus un

strat de luminofor – o substanţă care emite lumină când este bombardată cu electroni. Locul unde

fascicolul electronic loveşte partea internă a ecranului este văzut de operatorul uman sub forma unui

punct luminos (spot). Poziţia spotului luminos pe ecranul osciloscopului este determinată, aşadar,

de tensiunile de deflexie orizontală şi verticală, ca la un înregistrator X–Y în coordonate

rectangulare. Poziţia spotului pe ecran este caracterizată prin coordonatele sale: (x,y), "x"

reprezentând distanţa pe orizontală între poziţia curentă a punctului luminos şi o poziţie considerată

de referinţă, iar "y"– distanţa pe verticală între poziţia curentă a punctului luminos şi poziţia de

referinţă.

Poziţia de referinţă, corespunzătoare unui fascicul electronic nedeviat (tensiunilor de deflexie nule

pe orizontală şi pe verticală) este centrul ecranului. O tensiune pozitivă de deflexie verticală va

deplasa spotul în sus, una negativă – în jos. O tensiune pozitivă de deflexie orizontală va devia

spotul spre dreapta, una negativă – spre stânga. Prin mişcarea punctului luminos pe ecran, ca urmare

a fenomenului de remanenţă atât la nivelul luminoforului cât şi la nivelul ochiului omenesc,

deflexia combinată pe orizontală şi pe verticală produce impresia de curbe continue.

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

6/21

Semnalul de intrare este utilizat deasemenea şi pentru declanşarea baleiajului orizontal (deplasarea

spotului pe orizontală, de la stânga la dreapta ecranului). Modulul funcţional care produce baleierea

orizontală a ecranului se numeşte bază de timp, deoarece poziţia spotului pe orizontală este

proporţională cu timpul (viteza de deplasare a spotului pe orizontala ecranului se presupune

constantă).

Baleierea repetată rapidă a ecranului de spotul luminos este percepută de operator sub forma unei

linii continue. În anumite situaţii, spotul parcurge ecranul de zeci de mii de ori pe secundă.

Deflexia verticală compusă cu cea orizontală are ca efect afişarea pe ecranul osciloscopului a

graficului dependenţei de timp a tensiunii de intrare Y(t).

Pentru a putea utiliza adecvat un osciloscop, sunt necesare trei reglaje:

- atenuarea sau amplificarea semnalului de intrare, cu ajutorul comutatorului de sensibilitate

verticală (V/div);

- cadrarea corectă pe orizontală, astfel încât pe ecran să apară cel puţin o perioadă a

semnalului, cu ajutorul comutatorului bazei de timp (time/div);

- sincronizarea bazei de timp cu semnalul de vizualizat, cu ajutorul reglajului nivelului de

sincronizare; acest reglaj trebuie făcut şi pentru vizualizarea semnalelor tranzitorii.

În plus sunt necesare ajustări de luminozitate, focalizare, astigmatism şi iluminare a graticulei

ecranului, în funcţie de condiţiile ambiante.

Comenzi şi reglaje

Reglajele ecranului

Comenzile comune pentru osciloscoapele analogice şi numerice sunt:

- intensitatea luminoasă – controlează strălucirea spotului; odataă cu creşterea vitezei de

baleiaj orizontal trebuie crescută şi intensitatea (luminozitatea) spotului;

- focalizarea – ajustează claritatea cu care sunt reprezentate formele de undă pe ecran;

- rotirea trasei – aliniază linia de zero la orizontala ecranului;

- luminozitatea graticulei – ajustează iluminarea (externă) a caroiajului ecranului;

- comutatorul afişării informaţiilor pe ecran – activează sau dezactivează facilitatea de afişare

pe ecran a valorilor factorilor de scară pe orizintală şi pe verticală (şi a altor valori

semnificative);

Comenzile deflexiei verticale

Ajustarea poziţiei de zero

La pornire se poziţionează comutatorul de intrare pe poziţia GND pentru anularea semnalului de

intrare în oscilocop pe canalul respectiv. Se ajustează poziţia de zero (nivelul de referinţă pe ecran)

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

7/21

utilizând potenţiometrul de poziţie verticală, apoi se trece comutatotul de intrare pe una din poziţiile

AC sau DC în funcţie de natura semnalului de vizualizat.

Tektronix 2205 (RTO) Tektronix 2232 (DSO)

Fig.23. Butoanele de control vertical

Poziţia verticală

Reglajul poziţiei verticale permite deplasarea sus-jos a imaginii de pe ecran, prin sumarea unei

componente continue la semnal. Dacă această componentă este pozitivă, imaginea va fi deplasată în

sus, dacă este negativă, imaginea va fi deplasată în jos.

Sensibilitatea verticală

Efectul acestui reglaj este vizibil prin amplitudinea verticală a imaginii de pe ecran. Un osciloscop

de bună calitate poate vizualiza semnale cu amplitudini de la 4mV la 40V.

Reglajul V/div acţionează asupra unui factor de scară care arată câţi volţi corespund fiecărei

diviziuni.

Majoritatea osciloscoapelor au graticula adaptată raportului 5/4, cu 8 diviziuni verticale şi 10

orizontale. Amplitudinea maximă care poate fi reprezentată corect pe ecranul osciloscopului este

egală cu numărul diviziunilor ocupate pe axa verticală a ecranului de forma de undă înmulţit cu

sensibilitatea verticală şi cu factorul de atenuare al sondei. Când comutatorul sensibilităţii verticale

este poziţionat la 5V/div., amplitudinea maximă vizibilă pe ecran este: 8div. x 5V/div. = 40 Vv-v

(vârf la vârf) pentru o sondă unitoare şi 400Vv-v pentru o sondă atenuatoare 10:1. Când acelaşi

comutator este pe poziţia 0,5V/div., semnalele vizualizate corect vor putea avea amplitudinea de 4

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

8/21

Vv-v cu sondă unitoare şi 40Vv-v cu sondă atenuatoare 10:1. Osciloscoapele numerice efectuează

implicit scalarea corespunzătoare, detectând automat tipul sondei utilizate.

Reglajul continuu al sensibilităţii pe verticală se utilizează cu precădere pentru măsurarea

timpului de creştere şi pentru măsurarea defazajelor între două semnale. El este necesar pentru

încadrarea imaginii semnalului între limite relative prestabilite. Pentru timpul de creştere, de

exemplu, se urmăreşte evoluţia semnalului între 10% şi 90% din nivelul valorii finale ale

semnalului tranzitoriu, prin urmare se va ajusta potenţiometrul respectiv astfel încât pe linia de 0%

să fie valoare ainiţială a semnalului, iar pe linia de 100% - valoarea finală a semnalului.

Comutatorul de cuplaj al semnalului de intrare

“Cuplaj” înseamnă modul de conectare a unui circuit cu altul. În cazul de faţă este vorba despre

conectarea semnalului de intrare la circuitul de intrare al osciloscopului. Modurile uzuale sunt DC,

AC, GND. Modul DC presupune vizualizarea semnalului integral, cu componenta sa de curent

alternativ suprapusă peste cea de curent continuu.

Modul AC presupune rejectarea componentei de curent continuu. Forma de undă vizualizată pe

ecranul osciloscopului va reprezenta numai componenta alternativă a semnalului de intrare, centrată

pe nivelul de zero ales prin operaţia de “ajustare a nivelului de zero”.

Diferenţa dintre cele două moduri de vizualizare este reprezentată în fig.24. Modul AC este prefrat

numai atunci când amplitudinea totală a semnalului (suma dintre componenta alternativă şi

componenta continuă) este prea mare pentru sensibilitatea optimă a osciloscopului.

Fig.24. Efectele cuplajului în curent continuu şi în curent alternativ

Poziţia GND corespunde deconectării sistemului de deflexie verticală de semnalul de intrare. Se

poate vizualiza astfel poziţia pe ecran a nivelului de zero al semnalului (dacă impulsurile de

sincronizare sunt generate intern - poz. AUTO a comutatorului modului de sincronizare -) sub

forma unei linii orizontale a cărei poziţie poate fi modificată din potenţiometrul “poziţie verticală”.

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

9/21

Dacă se schimbă poziţia comutatorului de intrare de pe DC pe GND şi invers, se pot măsura

componentele continue ale semnalelor faţă de masă.

Limitarea benzii de frecvenţă

Majoritatea osciloscoapelor includ circuite de limitare a benzii de frecvenţă pentru reducerea

zgomotului care apare suprapus peste semnal, având ca efect îmbunătăţirea calităţii imaginii.

Vizualizarea în regim alternat şi în regim fragmentat

Posibilitatea de a se comuta între cele două regimuri de vizualizare este specifică osciloscoapelor

analogice sau regimurilor de funcţionare ca osciloscop analogic a osciloscoapelor numerice şi

permite vizualizarea simultană a două sau mai multe forme de undă. Osciloscoapele numerice au un

singur mod de afişare a imaginii pe ecran. Diferenţa vizibilă a celor două moduri de vizualizare este

prezentată în fig.25.

În modul alternat, fiecare din imaginile celor două sau mai multe semnale de intrare sunt generate

pe ecran pe durata câte unei balaieri a ecranului de la stânga la dreapta. De exemplu, un osciloscop

cu două canale va vizualiza pe rând cele două semnale: întâi semnalul de pe canalul 1, apoi

semnalul de pe canalul 2, apoi din nou cel de pe canalul 1 ş.a.m.d. Pentru ca această alternanţă să nu

fie supărătoare pentru operator, regimul alternat se utilizează numai pentru semnale de frecvenţe

medii şi mari (peste 1…5kHz), care necesită valori ale bazei de timp sub 1ms/div.

În modul fragmentat (CHOP) osciloscopul “desenează” porţiuni mici din fiecare semnal la aceeaşi

trecere a bazei de timp. Viteza cu care se comută de pe un canal pe altul este foarte mare (cca

500kHz), efectul comutaţiei fiind inobservabil pentru operator, a cărui senzaţie este de

simultaneitate a reprezentării semnalelor de intrare pe ecranul osciloscopului. În modul choppat pot

fi stabilite corelaţii temporale între semnalele de intrare, pe când în modul alternat – nu !

Fig.25. Modurile de vizualizare alternat şi choppat (fragmentat)

Modul fragmentat (CHOP) este recomandat pentru vizualizarea semnalelor de frecvenţe reduse,

mult mai mici decât frecvenţa de comutare de pe un canal pe altul. Domeniul de frecvenţă uzual are

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

10/21

limita superioară la 1…5kHz, baza de timp generând viteze de baleiere mici, corespunzător unor

valori mai mari de 1ms/div (orientativ). Pentru semnale cu frecvenţe la limita domeniilor

recomandate, modul cel mai potrivit de vizualizare se alege experimental.

Operaţii aritmetice cu semnalele vizualizate

Cu osciloscopul se pot vizualiza suma sau diferenţa semnalelor de intrare. Osciloscoapele analogice

sumează semnalele utilizând circuite electronice liniare. Osciloscoapele numerice eşantionează

semnalele de intrare, sumează eşantioanele corespunzătoare şi generează forma de undă

corespunzătoare.

Funcţia de sumare este activată în poziţia ADD a comutatorului semnalului vizualizat şi are drept

rezultat vizualizarea semnalului CH1+CH2 (fig.26).

Pentru vizualizarea diferenţei semnalelor de intrare, este necesară inversarea polarităţii

semnalului pe unul din canalele de intrare (de regulă pe canalul 2) utilizând comutatorul CH2

INVERT. Efectul este de răsturnare a imaginii semnalului de pe canalul 2 pe ecran şi vizualizarea

semnalului diferenţă CH1-CH2.

Fig.26. Sumarea semnalelor de pe canalele de intrare

Comenzile deflexiei orizontale

Aceste comenzi au ca efect poziţionarea imaginii pe orizontală şi scalarea pe axa timpului. În fig.27

este reprezentat aspectul general al secţiunii de control pe orizontală al panoului frontal al

osciloscoapelor.

Poziţia orizontală

Reglajul de poziţie orizontală are ca efect deplasarea stânga-dreapta a imaginii pe ecran. Principial,

această deplasare este posibilă prin sumarea unei tensiuni continue la forma de undă în dinte de

fierăstrău a tensiuniide deflexie orizonatală generată de blocul bază de timp.

Scalarea bazei de timp

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

11/21

Scalarea pe orizontală presupune diferite viteze de deplasare a spotului pe axa orizontală a ecranului

– axa timpului. De exemplu, pentru o viteză a bazei de timp de 1ms/div, fiecărei diviziuni orizontale

a ecranului îi corespunde câte o milisecundă din evoluţia în timp a semnalului, iar pe ecran va fi

vizualizat un fragment de 10ms din evoluţia în timp a semnalului. Alegând un alt factor de scară pe

orizontală, pe ecranul osciloscopului vor fi vizualizate fragmente mai lungi sau mai scurte din

evoluţia în timp a semnalelor de intrare.

Ca şi scalarea pe verticală, cea orizontală are facilitatea reglajului continuu, prin intermediul unui

potenţiometru coaxial cu comutatorul în trepte al bazei de timp.

Tektronix 2205 (RTO) Tektronix 2232 (DSO)

Fig.27. Reglajele deflexiei orizontale

Baza dublă de timp

Osciloscoapele “cu bază dublă de timp” au în plus o “bază de timp rapidă” - un al doilea generator

de tensiune liniar variabilă, de mare viteză, declanşat pe durata cursei directe a bazei de timp

principale. Întârzierea declanşării bazei de timp rapide faţă de cea principală este ajustabilă pe

durata cursei directe a bazei de timp principale, cu potenţiometrul “DELAY” din secţiunea bazelor

de timp de pe panoul frontal (fig.28).

Baza de timp rapidă este utilizată pentru detalierea unor porţiuni scurte ale evoluţiilor semnalelor,

chiar pe durata unei curse directe a bazei de timp principale. Exemplu: măsurarea parametrilor

impulsurilor scurte si rare.

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

12/21

Modurile de lucru cu baza de timp dublă sunt descrise detaliat în cărţile tehnice ale osciloscoapelor.

Dilatarea imaginii pe axa timpului

Osciloscoapele au posibilitatea dilatării imaginii pe axa timpului, prin mărirea factorului de

amplificare al blocului de deflexie orizontală. Efectul se numeşte “lupă de timp” şi se utilizează tot

pentru analiza detaliată a unor porţiuni de formă de undă.

Regimul X-Y

Toate osciloscoapele au posibilitatea ca în axa X să primească un al doilea semnal de intrare şi să

vizualizeze dependenţa semnalului de pe canalul Y de semnalul de pe canalul X. Imaginea este

stabilă dacă semnalele între care există corelaţii funcţionale au perioade egale. Regimul X-Y se

obţine cu un comutator dedicat sau poziţionând comutatorul bazei de timp pe o poziţie extremă.

Fig.28. Secţiunea bazei de timp duble a osciloscopului Tesla BM536

Comenzile de sincronizare

Comenzile sincronizării dau posibilitatea stabilizării imaginii şi vizualizarea semnalelor tranzitorii.

Pentru stabilitatea imaginii este necesar ca spotul să pornească din stânga ecranului la anumite

momente de timp, sincronizate cu semnalul de vizualizat. În acest caz, pe ecran vor fi reproduse

părţi identice din semnalul periodic, având ca efect impresia utilizatorului că priveşte o imagine

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

13/21

statică. În lipsa sincronizării, pe ecran ar fi desenate porţiuni diferite din semnal la fiecare baleiere

orizontală, iar utilizatorul nu ar putea observa decât cel mult anvelopa semnalului (fig.29).

Fig.29. Efectul sincronizării asupra stabilităţii imaginii

Nivelul de sincronizare (LEVEL)

Sincronizarea poate fi realizată prin declanşarea bazei de timp corelată cu fronturile semnalului,

impulsul de declanşare fiind generat atunci când semnalul de intrare (sau un semnal extern de

sincronizare) are un anumit nivel. Cel mai frecvent sincronizarea osciloscopului se realizează pe

fronturile semnalului de vizualizat. Momentul sincronizării (al declanşării bazei de timp) este

definit de nivelul de sincronizare şi de panta semnalului. Semnalul de declanşare este generat de un

comparator. Reglajul nivelului de sincronizare afectează una din intrările comparatorului, pe

cealaltă intrare fiind chiar semnalul de vizualizat.

Panta de sincronizare (SLOPE)

Nivelul de sincronizare la care se declanşează baza de timp este atins atât la creşterea cât şi la

descreşterea semnalului de intrare. Selecţia pantei pe care se face sincronizarea la nivelul de

sincronizare ales se face cu butonul SLOPE. După cum este poziţionat acest comutator, vizualizarea

va începe pe porţiunea crescătoare sau descrescătoare a semnalului (pentru semnalele cu alură

dreptunghiulară - pe frontul crescător sau descrescător). Fronturilor crescătoare le corespund pante

pozitive, iar celor descrescătoare – pante negative.

Efectele celor două reglaje ale osciloscopului sunt reprezentate în fig.31.

Sursa semnalului de sincronizare

În majoritatea situaţiilor, osciloscopul se sincronizează cu semnalul de vizualizat, prezent pe

canalul 1. Există însă posibilitatea sincronizării şi cu alte semnale:

- semnalul de pe canalul 2;

- semnal extern altul decât cele de intrare;

- tensiunea reţelei de alimentare;

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

14/21

Semnalele de sincronizare pot fi vizibile sau nu pe ecranul osciloscopului. Se impune aşadar atenţie

la corelarea semnalului de vizualizat cu sursa semnalului de sincronizare, pentru ca reperele

temporale să rămână valabile.

Tektronix 2205 (RTO) Tektronix 2232 (DSO)

Fig.30. Secţiunea de sincronizare

Fig.31. Sincronizarea în nivel pe panta crescătoare (a) şi descrescătoare (b)

Moduri de sincronizare

Formele de undă vizibile pe ecranul osciloscopului pot fi stabile chiar şi în absenţa sincronizării.

Există mai multe moduri de sincronizare. În modul NORMAL, baza de timp este declanşată numai

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

15/21

dacă există un semnal de intrare iar nivelul acestuia este suficient obţinerii unor imagini stabile. În

caz contrar, modul NORMAL poate chiar dezorienta utilizatorul, deoarece în lipsa condiţiilor de

sincronizare (nivel de sincronizare nepotrivit sau amplitudine foarte mică a semnalului) pe ecran nu

apare nimic. La osciloscoapele numerice pe ecran apare, în acest caz, imaginea memorată anterior.

Modul AUTO presupune declanşarea bazei de timp în lipsa semnalului de intrare. Pe ecran apare

permanent o linie orizontală a cărei poziţie determină nivelul de zero. Modul AUTO este util mai

ales când pe ecran sunt vizualizate mai multe semnale şi corelarea bazei de timp cu fiecare din ele

ar fi foarte dificilă. În practică, pentru obţinerea unor imagini de stabilitate maximă, semnalele se

vizualizează mai întâi în modul AUTO, apoi se comută în modul NORMAL.

La unele osciloscoape sunt prevăzute şi moduri speciale de sincronizare, destinate vizualizării

semnalelor singulare (tranzitorii), a semnalelor video sau a altor tipuri de semnale de uz curent. În

modul SINGLE SWEEP corespunzător vizualizării semnalelor tranzitorii, baza de timp este

declanşată o singură dată, cu viteza adecvată surprinderii întregului proces (sau a părţii interesante

din el) pe durata unei singure baleieri a ecranului. În acest regim se poate fotografia ecranul cu un

aparat foto obişnuit, memorând în acest fel alura semnalului tranzitoriu. Cuplajul semnalului de

sincronizare poate fi direct (DC) sau capacitiv, pentru rejecţia componentei de curent continuu

(AC). Utilizând filtre adecvate, se realizează şi rejecţia unor componente parazite de înaltă

frecvenţă sau de joasă frecvenţă care ar produce declanşări false.

Reglaje iniţiale

După conectarea osciloscopului la reţeaua de alimentare, operatorul trebuie să examineze atent

panoul frontal al instrumentului, cu referire directă la conectorii de intrare (de regulă mufe BNC -

mamă) şi la cele trei secţiuni: controlul deflexiei verticale, controlul bazei de timp şi controlul

sincronizării.

Majoritatea osciloscoapelor au două canale de intrare. Unele osciloscoape au mai multe canale de

intrare (de regulă patru) utilizate pentru analiza comparativă a formelor de undă ale semnalelor de

intrare sau pentru observarea sincronizării acestora.

Pentru a începe vizualizarea unui semnal trebuie efectuate câteva reglaje premergătoare,

indispensabile obţinerii unor imagini stabile pe ecranul osciloscopului.

Poziţiile standard ale butoanelor de reglaj ale osciloscopului sunt:

sursa de semnal - canalul 1;

poziţia comutatorului sensibilităţii pe verticală - la mijloc;

poziţia potenţiometrului de poziţie verticală – la mijloc, pentru fixarea nivelului de zero al

semnalului ;

butonul de reglaj continuu al sensibilităţii pe verticală - în poziţia “calibrat”;

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

16/21

sursa semnalului de sincronizare – canalul 1

intensitatea spotului – la nivel moderat;

focalizarea – corespunzătoare unei imagini cu maximă claritate;

poziţia iniţială a comutatorului atenuării sondei : x10

Performanţele osciloscopului

Evaluarea şi compararea din punct de vedere calitativ a osciloscoapelor se bazează pe mărimi

caracteristice specifice.

Banda de frecvenţă – reprezintă intervalul de frecvenţă pentru care eroarea de reprezentare a

osciloscopului este inferioară unei limite admisibile (când frecvenţa creşte, amplificatorul de

deflexie verticală răspunde mai puţin fidel iar amplitudinea semnalului pe ecran este mai mică decât

cea reală). Această limită este -3dB pe scara logaritmică şi corespunde unei atenuări de circa 30%

(pe scara liniară) a amplitudinii semnalului vizualizat.

Timpul de creştere – este o altă formă de apreciere a benzii de frecvenţă utilizată în situaţiile în

care trebuie vizualizate şi analizate pulsuri, fronturi şi trepte. Un osciloscop nu poate vizualiza

corect fronturi cu timp de creştere mai mic decât limita sa specificată ca parametru de performanţă.

Sensibilitatea verticală maximă – exprimă posibilitatea amplificatorului de deflexie verticală de a

reproduce cu precizie semnale de amplitudine redusă. Sensibiltatea verticală se exprimă în milivolţi

pe diviziune (mV/div) şi are valoarea tipică de 2mV/div.

Viteza maximă de baleiere orizontală (baza de timp minimă) – indică viteza maximă cu care este

parcurs ecranul de la stanga la dreapta. Se exprimă în nanosecunde pe diviziune (ns/div).

Precizia amplificării – se referă la amplificatorul de deflexie verticală şi se exprimă ca eroare

relativă procentuală de reproducere a amplitudinii semnalului de vizualizat.

Precizia bazei de timp – se referă la generatorul de tensiune liniar-variabilă al osciloscopului

cuplat cu amplificatorul de deflexie orizontală şi este o măsură a fidelităţii cu care este

implementată axa timpului în axa orizontală a ecranului. Se exprimă de regulă ca eroare relativă

procentuală.

Rata de eşantionare – exprimă cât de des sunt prelevate eşantioane din forma de undă şi se

exprimă în MSPS (megaeşantioane pe secundă). Un osciloscop mai rapid poate eşantiona semnalul

cu o frecvenţă mai mare şi, prin urmare, poate reconstrui forma de undă cu o acurateţe mai mare şi

cu mai multe detalii chiar la frecvenţe mari. Rata minimă de eşantionare este de asemenea

importantă când se vizualizează semnale de frecvenţă foarte redusă pe durate de timp relativ mari.

Rata de eşantionare se modifică adecvat în funcţie de poziţia comutatorului bazei de timpastfel încât

să fie prelevat un număr constant de eşantioane pe perioada semnalului de vizualizat.

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

17/21

Rezoluţia conversiei analog-numerice (rezoluţia verticală) – se exprimă în biţi şi este o măsură a

preciziei cu care se convertesc nivelele semnalului de vizualizat în numere binare. Rezoluţia

efectivă poate fi îmbunătăţită prin diverse tehnici de calcul matematic (algoritmi).

Lungimea înregistrării este numărul de eşantioane pe care le poate achiziţiona osciloscopul

numeric pentru a reprezenta o evoluţie în timp a unui semnal. Aceasta depinde de capacitatea finită

a memoriei osciloscopului, deci trebuie acceptat un compromis îmtre acurateţea înregistrării şi

lungimea ei: ori se preferă un număr mare de eşantioane (vedere detaliată) a unei forme de undă ori

o lungime mai mare a intervalului de eşantionare (duratei de vizualizare) cu preţul unei detalieri mai

reduse a formei de undă.

Sonde

Sonde pasive

Sondele sunt cabluri speciale, de înaltă calitate, capabile să transfere cu distorsiuni minime semnale

de înaltă frecvenţă între sursele de semnal şi osciloscop. Sondele sunt formate din: cap de măsurare,

cablu coaxial şi mufa BNC tată.

Împreună cu impedanţa de intrare a osciloscopului, sonda reprezintă o sarcină capacitivă

suplimentară pentru circuitul în care se vizualizează semnalele. De aceea, primul parametru care

trebuie urmărit la o sondă este capacitatea aparentă totală. Minimizarea acestei sarcini (perturbarea

într-o măsură cât mai mică a circuitului care oferă semnalul de vizualizat) presupune de regulă

utilizarea unei sonde atenuatoare (pasive) 10:1 (10X) sau chiar 100:1 (100X).

După modul în care prelucrează semnalul, sondele pot fi pasive sau active.

Sondele pasive obişnuite sunt sonde unitoare (au factor de transfer unitar – 1X). Ele sunt foarte utile

în aplicaţii uzuale şi se livrează, de regulă, odată cu osciloscopul, ca accesorii primare. Sondele

active sau sondele de curent sunt sonde speciale.

Sondele atenuatoare reduc amplitudinea semnalului de 10 sau de 100 de ori, fiind compensate în

frecvenţă astfel încât să nu distorsioneze şi forma de undă (alura) acestuia. Când se utilizează sonde

atenuatoare, poziţia comutatorului sensibilităţii verticale trebuie corelată cu indicaţiile distincte

pentru atenuarea respectivă. De exemplu, dacă se utilizează o sondă atenuatoare 10:1 se va citi

factorul de transfer pe verticală în dreptul multiplicatorului X10.

Sondele atenuatoare se utilizează în toate situaţiile în care este necesară reducerea încărcării

circuitului care furnizează semnalul. Această încărcare devine mai pronunţată la frecvenţe mari,

ceea ce recomandă utilizarea acestui tip de sondă pentru studiul comportării circuitelor electronice

la frecvenţe peste 10kHz.

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

18/21

Dezavantajul sondelor atenuatoare la măsurări în circuite de semnal mic este reducerea amplitudinii

semnalului, uneori până la valori la care calitatea vizualizării devine redusă. Sonda atenuatoare nu

poate fi utilizată, de exemplu, pentru a vizualiza semnale cu amplitudine sub 10mV.

Fig.20. Sondă atenuatoare şi accesorii

Deşi sonda atenuatoare este cea „de bază”, pentru semnale mici este uneori necesar să fie utilizată

sonda unitoare (X1). De aceea, unele sonde au un comutator de atenuare chiar pe corpul capului

de măsurare. Unele osciloscoape detectează automat tipul de sondă (unitoare sau atenuatoare) şi

afişează pe ecran factorul de transfer (V/div) corespunzător.

Constructiv, sondele atenuatoare conţin în capul de măsurare o rezistenţă de 9MΩ care, împreună

cu rezistenţa de intrare în osciloscop (1MΩ) alcătuieşte un divizor rezistiv (fig.21).

Fig.21. Configuraţia tipică sondă atenuatoare – intrare osciloscop

Circuitul de intrare în osciloscop are caracter capacitiv, modelat printr-o capacitate concentrată la

borna de intrare. De aceea, divizorul rezistiv alcătuit din sonda atenuatoare şi rezistenţa de intrare

trebuie compensat în frecvenţă cu un condensator semireglabil montat în paralel cu rezistorul de

9MΩ în capul de măsurare. Condensatorul semireglabil are o fereastră de vizitare pentru ajustări

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

19/21

fine ale valorii sale în funcţie de frecvenţa semnalului, condiţiile de mediu şi de efectele

îmbătrânirii. Operaţia se numeşte „compensarea în frecvenţă a sondei” şi este facilitată prin

existenţa unei borne speciale pe panoul frontal al osciloscopului unde se livrează un semnal

dreptunghiular pentru calibrare. O compensare inadecvată a sondei va afecta negativ corectitudinea

măsurărilor asupra formei de undă vizualizate. În fig.22 sunt reprezentate efectele compensării

inadecvate a sondei.

Fig.22. Efectele compensării sondei atenuatoare

Algoritmul de compensare

- conectarea sondei la una din intrările osciloscopului;

- conectarea capului de măsurare la terminalul semnalului de referinţă pe panoul frontal al

osciloscopului;

- vizualizarea semnalului de referinţă;

- ataşarea tuturor accesoriilor ce vor fi utilizate ulterior pentru analiza semnalului util, aşa

încât condiţiile de compensare să fie cât mai apropiate de cele în care se face măsurarea;

- ajustarea corespunzătoare a valorii condensatorului semireglabil din capul de măsurare astfel

încât forma de undă de pe ecran să fie cât mai apropiată de cea dreptunghiulară;

Sonde active

Sondele active sunt mai rar utilizate, în special pentru vizualizarea semnalelor de amplitudine foarte

redusă provenind de la surse cu impedanţe mari de ieşire, a căror încărcare datorată capacităţii

sondei şi a osciloscopului ar avea ca efect distorsionarea puternică a semnalului. Aceste sonde

necesită alimentare separată, de cele mai multe ori fiind necesară şi izolarea galvanică.

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

20/21

Sonde de curent

Sondele de curent sunt accesorii care permit vizualizarea şi măsurarea formelor de undă ale

curenţilor, fără contact direct, dispunându-se în jurul conductoarelor în care se măsoară /

vizualizează curentul, fără întreruperea circuitului. Sondele de curent au o bandă de frecvenţă care

începe, de regulă cu curentul continuu şi se extinde până la zeci sau sute de kiloherţi, avâmd o

influenţă neglijabilă asupra circuitului în care se măsoară curentul.

Conexiuni speciale

Conectarea terminalului de masă al osciloscopului

Un semnal se captează ca diferenţă de potenţial între două puncte. Unul din ele este desemnat ca

potenţial de referinţă pentru osciloscop şi denumit „masa osciloscopului”. Problema este „unde se

conectează masa osciloscopului” atunci când se vizualizează un semnal. Terminalul de masă al

capului de măsurare al sondei este prevăzut cu un conector tip „crocodil”. Potenţialul la care se

conectează „crocodilul” este de obicei potenţialul masei, al pamântului, al şasiului sau al nulului

sursei de semnal.

Legarea osciloscopului la pământ – este utilă siguranţei în exploatere a osciloscopului. Un

osciloscop fără legătura la pământ va transmite potenţialul intrărilor către toate părţile sale metalice,

inclusiv către cele nemetalice, producând, respectiv, periclitarea siguranţei utilizatorilor sau

descărcări electrice capacitive nepericuloase (dar neplăcute) spre utilizatori. Dacă legătura la

pământ este realizată corect, atunci căile de scurgere a curenţilor reziduali către pământ sunt

asigurate şi securitatea personalului şi a tehnicii de măsurare conectată la osciloscop – asigurate.

Pământarea osciloscopului nu înseamnă întotdeauna conectarea la potenţialul pământului, prin priza

schucko, ci la un potenţial relativ nul. Acesta poate fi potenţialul pământului (de cele mai multe

ori) sau potenţialul nulului (real sau artificial). Pentru aceasta osciloscopul are o bornă explicită de

conectare la pământ, care se leagă printr-un conductor special la potenţialul de referinţă al

circuitului care oferă mărimile de vizualizat. În majoritatea situaţiilor de acest fel, osciloscopul se

alimentează prin intermediul unui transformator separator.

Există osciloscoape la care aceste măsuri nu sunt necesare, izolarea totală fiind asigurată la nivelul

sursei de alimentare.

Legarea la pământ a utilizatorului – este o măsură necesară celor care operează cu circuite integrate

sensibile la descărcările electrostatice. Corpul uman se poate potenţializa electrostatic cu mii de

volţi când se mişcă în zona circuitului fizic în care se efectuează măsurări. Aceste potenţiale

electrostatice sunt foarte periculoase pentru circuitele integrate şi de aceea est recomandat ca

operatorii să se depotenţializeze prin legături de echipotenţializare între ei şi circuitele sensibile. De

Traian Şerban Măsurări în electronică note de curs pentru uzul studenţilor

21/21

regulă aceste conexiuni se leagă la masa aparatelor sau surselor de semnal, sau la pământ. De

exemplu, vârfurile dispozitivelor de lipire termostatate sunt conectate obligatoriu la masă când se

efectuează intervenţii în sisteme numerice sau în circuite de semnal mic, recomandarea păstrându-se

şi în cazul celorlalte circuite. Un circuit integrat CMOS poate fi deteriorat ireversibil prin simpla

atingere sau vecinătate a unui om care se mişcă pe un covor de plastic sau care se dezbracă de o

haină de plastic sau lână. Soluţia tehnică este conectarea la acelaşi potenţial a masei pupitrului de

lucru, a vârfului creionului de lipit şi a operatorului uman cu o brăţară specială de punere la pământ

(fig.19). Dezavantajul acestei metode de protecţie constă în periclitarea operatorului la atingerea

unui conductor potenţializat cu tensiunea reţelei (sau mai mare).

Fig.19. Brăţară de punere la pământ