OSCILOSCOAPECuprins 1.1. Generaliti 1.2. Osciloscopul analogic de uz general 1.2.1. Schema bloc. Funcionarea osciloscopului 1.2.2. Blocul de deflexie vertical 1.2.3. Sonda 1.2.4. Blocul de deflexie orizontal 1.2.5. Circuitul de sincronizare 1.2.6. Osciloscopul cu mai multe canale. Comutatorul electronic 1.2.7. Lupa de timp 1.3. Osciloscoape numerice 1.3.1. Prezentare general 1.3.2. Tehnici de eantionare utilizate n osciloscoapele numerice 1.3.3. Circuite specifice osciloscoapelor numerice 1.3.4. Reconstituirea semnalului din eantioanele prelevate 1.3.5. Faciliti oferite de osciloscoapele numerice

1.1. Generaliti Osciloscoapele sunt aparate destinate n principal vizualizrii formei de variaie n timp a unei tensiuni. Aria de aplicabilitate a osciloscoapelor este ns mult mai larg, ele permind, de fapt, vizualizarea dependenei unei tensiuni de o alt tensiune. Prin folosirea unor traductoare adecvate, aria de utilizare a osciloscopului se lrgete foarte mult, fiind posibil vizualizarea practic a oricrei mrimi ce poate fi convertit n tensiune. Vizualizarea se realizeaz pe un dispozitiv de afiare care poate fi un tub catodic sau un panou cu cristale lichide (LCD). Caracteristicile cele mai importante ale unui osciloscop sunt: banda de frecvene, sensibilitatea i impedana de intrare. Un osciloscop cu performane medii are banda de frecvene de 35 MHz, sensibilitatea de 5 mV/div i impedana de intrare de 1 M n paralel cu 20 pF. Osciloscoapele pot fi clasificate n dou mari categorii: analogice i numerice. La rndul lor, osciloscoapele analogice pot fi clasificate n: osciloscoape de uz general, osciloscoape cu eantionare i osciloscoape cu memorare pe tubul catodic. Dup numrul de canale se deosebesc osciloscoape cu un singur canal i osciloscoape cu mai multe canale. Dup caracteristicile bazei de timp se deosebesc osciloscoape cu baz de timp simpl i osciloscoape cu baz de timp dubl. Imaginai o modalitate de vizualizare a ciclului de histerezis magnetic cu ajutorul osciloscopului!

1.2. Osciloscopul analogic de uz general 1.2.1. Schema bloc. Funcionarea osciloscopului Osciloscopul analogic de uz general este destinat analizei semnalelor periodice. El este un osciloscop n timp real, adic pe ecranul su se obine o reprezentare direct a semnalului de vizualizat, existnd o coresponden biunivoc ntre punctele imaginii i punctele de pe curba semnalului. (Dup cum se va vedea mai jos, aceast coresponden lipsete la osciloscoapele cu eantionare). Schema bloc a osciloscopului este prezentat n fig. 1.1.

Calibrator intern

NIVE L

Bloc de alimentar e

TIMP/D IV

ETALON ARE X

X

Osciloscoape

Fig. 1.1. Schema bloc a osciloscopului analogic de uz general.Capitolul 1

u

X

POZI IE X

1-2

Circuit de sincroniz are

Atenua tor

VOLI/ DIV

ETALON ARE Y

Baza de timp

Amplificat or YPOZI IE Y

uBT 2 1 K3 x2 u uy

Amplific ator X

x

y2 x1

y1

Tub cato dic

Piesa principal a osciloscopului este tubul catodic. Pentru obinerea unei imagini luminoase, ecranul luminiscent al acestuia este bombardat cu un fascicul de electroni. n locul de impact apare un punct luminos, denumit spot. Spotul poate fi deplasat pe ecran cu ajutorul a dou sisteme de deflexie: vertical (Y) i orizontal (X). Deflexia poate fi electrostatic (cu plci de deflexie) sau electromagnetic (cu bobine de deflexie). Datorit avantajelor pe care le ofer n ce privete viteza de rspuns, la osciloscoape se folosete cu precdere deflexia electrostatic, motiv pentru care n continuare numai aceasta va fi prezentat. La tuburile catodice cu deflexie electrostatic, sistemele de deflexie sunt alctuite din dou perechi de plci de deflexie, notate Y (pentru deflexia vertical) i, respectiv, X (pentru deflexia orizontal). Acestor perechi de plci li se aplic tensiunile uy i ux, iar deplasarea spotului pe fiecare direcie este practic proporional cu aceste tensiuni. Pentru vizualizarea depedenei unei tensiuni de o alt tensiune, plcilor X li se aplic tensiunea n funcie de care se dorete reprezentarea tensiunii aplicate plcilor Y (K3 n poziia 2). Pentru vizualizarea formei de variaie n timp a unei tensiuni, aceasta se aplic la plcile Y, iar la plcile X se aplic o tensiune liniar variabil (K3 n poziia 1). Necesitatea unei tensiuni liniar variabile rezult din aceea c deplasarea pe orizontal a spotului, proporional cu ux, trebuie s fie proporional cu timpul i, ca urmare, ux trebuie s fie proporional cu timpul. Obinerea unei imagini stabile (staionare) se bazeaz pe suprapunerea pe ecran a mai multor imagini identice, un rol esenial n acest sens revenindu-i circuitului de sincronizare, descris n paragraful 1.2.5. Tensiunea uY este atenuat sau amplificat pentru a asigura nivelul necesar pentru comanda plcilor Y. Comutatorul V/DIV permite modificarea dimensiunii verticale a imaginii (modificarea sensibilitii osciloscopului). Comutatorul K1 permite conectarea tensiunii uY la intrarea ATY fie direct (K1 n poziia CC), fie prin condensator (K1 n poziia CA), caz n care componenta continu a tensiunii uY este suprimat. n aceast situaie se poate vizualiza corespunztor componenta alternativ a unei tensiuni cu component continu mare (de exemplu, o tensiune redresat i filtrat). n poziia GND (GrouND) a lui K1, intrarea ATY este conectat la mas, ceea ce permite reglarea poziiei verticale a nivelului zero, prin deplasarea corespunztoare a imaginii, cu ajutorul poteniometrului POZIIE Y . Comutatorul K2 permite alegerea modului de sincronizare: cu semnalul de vizualizat, cu un semnal extern sau cu reeaua. Utilitatea fiecrui mod de sincronizare, precum i rolul poteniometrului NIVEL vor fi prezentate n paragraful 1.2.5. Comutatorul TIMP/DIV permite vizualizarea corespunztoare a semnalelor, indiferent de frecvena acestora, prin modificarea coeficientului de baleiaj pe orizontal. Calibratorul intern furnizeaz una sau mai multe tensiuni dreptunghiulare avnd frecvena i valoarea vrf la vrf cunoscute cu o precizie acceptabil, necesare pentru etalonarea celor dou axe ale ecranului tubului catodic. Aceasta se realizeaz cu ajutorul poteniometrelor ETALONARE Y i, respectiv, ETALONARE X. Observaie. Regimul calibrat este singurul pentru care sunt valabili coeficienii de deflexie inscripionai pe panoul frontal (comutatoarele V/DIV i, respectiv, TIMP/DIV). Blocul de alimentare asigur alimentarea tuturor circuitelor osciloscopului, precum i polarizarea adecvat a electrozilor tubului catodic.IEIRE CALIBRA TOR SINC RONI ZARE EXT

REEA

EXT

uY

CA

Capitolul 1

K2INT GND

K1 CCC

Osciloscoape

Y

1-3

Osciloscoape 1.2.2. Blocul de deflexie vertical

Capitolul 1

Blocul de deflexie vertical cuprinde atenuatorul de intrare i amplificatorul Y. El asigur atenuarea i/sau amplificarea tensiunii de vizualizat n vederea atacrii plcilor Y, a cror sensibilitate este de 5-10 V/div. Atenuatorul este realizat cu un divizor mixt RC compensat cu frecvena (fig. 1.2).C Y uY R Ri Ci uec

Amplificatorul Y

Fig. 1.2. Atenuatorul de intrare. Schem de principiu. Raportul de divizare are expresia

K

U R = Y =1 + d Ue Ri

(1.1)

independent de frecven dac este ndeplinit condiia de compensare (egalitatea constantelor de timp ale celor dou brae):RC c = Ri Ci ,

(1.2)

unde Ri i Ci reprezint componentele impedanei de intrare a amplificatorului Y. Capacitatea de compensare Cc este ajustabil pentru a permite ndeplinirea condiiei (1.2). Verificarea acesteia se realizeaz prin aplicarea unei tensiuni uY dreptunghiulare, cu fronturi foarte bune, deci cu coninut bogat de armonici; dac toate acestea sunt atenuate la fel (cnd divizorul este compensat), atunci semnalul Ue apare nedistorsionat; n caz contrar, se regleaz Cc pn cnd Ue reproduce forma lui uY. n mod uzual, osciloscoapele sunt prevzute cu mai multe celule de atenuare de tipul descris mai sus, care pot fi combinate n mai multe moduri, pentru a obine diferite rapoarte de divizare. Este important ns ca osciloscopul, respectiv atenuatorul de intrare, s aib o impedan de intrare constant, indiferent de raportul de divizare, adic indiferent de poziia comutatorului V/DIV. Amplificatorul Y are intrarea asimetric i ieirea diferenial i este constituit din mai multe etaje de amplificare. De la una din ieirile sale se culege un semnal care, n regim de sincronizare intern, se aplic circuitului de sincronizare (fig. 1.1), servind la declanarea bazei de timp. La osciloscoapele de band mai larg, ntre ieirile amplificatorului Y i plcile de deflexie vertical se intercaleaz linii de ntrziere. Acestea au rolul de a ntrzia semnalul aplicat plcilor Y, cu scopul de a compensa ntrzierile introduse de amplificatorul pentru deflexia orizontal i de circuitul de sincronizare (la declanarea bazei de timp). n absena liniilor de ntrziere, o parte din informaia de pe frontul de declanare s-ar pierde datorit declanrii cu ntrziere a bazei de timp. mpreun cu tubul catodic, amplificatorul Y determin caracteristica esenial a osciloscopului: banda de frecvene. Aceasta se definete pentru o scdere cu 3 dB a amplificrii ansamblului amplificator Y tub catodic. Banda de frecvene determin, la rndul ei, timpul de cretere al osciloscopului. Se reamintete c timpul de cretere reprezint intervalul de timp n care semnalul observat pe ecran crete de la 10% la 90% din amplitudinea unui semnal dreptunghiular aplicat la intrarea osciloscopului (fig. 1.3).

1-4

Capitolul 1

Osciloscoape

90%

10% tr

Fig. 1.3. Definirea timpului de cretere. Relaia ntre timpul de cretere tr i banda de frecvene B valabil n cazul sistemelor de ordinul 1 este:t r ( ns ) = 350 . B(M ) Hz

(1.3)

Relaia se poate aplica i n cazul osciloscoapelor deoarece n majoritatea cazurilor ele pot fi asimilate cu astfel de sisteme. Banda de frecvene caracterizeaz osciloscopul din punct de vedere al deformrii fronturilor impulsurilor de vizualizat. Astfel, dac la intrare se aplic impulsuri avnd timpul de cretere tri, pe ecran se vor observa impulsuri avnd timpul de cretere tro; ntre tri, tro i timpul de cretere tr al osciloscopului exist relaia2 2 tro = t ri + t r2 ,

(1.4)

care arat c dac tri i tr sunt comparabile, deformarea fronturilor poate fi important. n astfel de situaii, determinarea mai exact a lui tri se poate face prin calcul, innd seama de tr. Pentru un raport tri: tr mai mare sau egal cu 5 eroarea de msurare este ns mai mic de 2%, ceea ce face practic inutil aplicarea relaiei (1.4). Frecvena limit inferioar a benzii de trecere a osciloscopului este zero pentru poziia CC a comutatorului K1 (fig.1.1) i civa heri pentru poziia CA (datorit cuplajului prin condensator care, mpreun cu Rin, reprezint un filtru trece-sus).

1-5

Osciloscoape 1.2.3. Sonda

Capitolul 1

Sonda este elementul care permite aplicarea tensiunii de studiat la intrarea Y, fr ca acest semnal s fie influenat de perturbaiile exterioare. n plus, sonda trebuie astfel realizat nct s influeneze ct mai puin circuitul n care se conecteaz. Clasificarea sondelor este redat n fig. 1.4. fr atenuator cu atenuator active de curent Fig. 1.4. Clasificarea sondelor. O sond de tensiune pasiv fr atenuator (denumit, simplu, sond) este constituit dintr-un cap de prob CP urmat de un cablu coaxial CC care face legtura cu osciloscopul (fig. 1.5).OSCILOSCOP Cap de prob Cablu coaxial Y uY Ccc

pasive de tensiune Sonde

Rin

C

in

Born de mas

Fig. 1.5. Sonda osciloscopului. Sondele pasive fr atenuator au avantajul c nu atenueaz semnalul, n schimb au dezavantajul c prezint o rezisten de intrare relativ sczut (Rin) i o capacitate de intrare foarte mare deoarece la Cin se adaug capacitatea cablului coaxial, care este de ordinul a zeci de pF/m. n mod uzual, impedana de intrare a ansamblului osciloscop-sond fr atenuator este 1 M n paralel cu 150 pF. Sondele pasive cu atenuator n capul de prob (fig. 1.6) au dezavantajul c atenueaz semnalul, n schimb prezint avantajul unei impedane de intrare ridicate (R - mare, de ordinul a 10 M , C - mic, de ordinul a 7 pF).Cc Cap de prob Cablu coaxial R uY

OSCILOSCOP

C

cc

Rin

C

in

Fig. 1.6. Sond cu atenuator n capul de prob. Observaie. Capacitatea de compensare a sondei Cc este ajustabil pentru a permite ndeplinirea condiiei de compensare indiferent de valoarea capacitilor Cin i Ccc, adic indiferent de osciloscop i de lungimea i tipul cablului coaxial. 1-6

Capitolul 1

Osciloscoape

Sondele active conin n capul de prob dispozitive de amplificare care permit obinerea unei impedane de intrare mari (R - mare, de ordinul a 100 M i C - mic, de ordinul a 3 pF), n condiiile unei amplificri unitare. Aplicaie. Un osciloscop are Rin= 1 M i Cin = 30 pF. Cablul coaxial utilizat pentru sond are o capacitate parazit de 70 pF/m. S se calculeze elementele impedanei de intrare a osciloscopului n cazul unei sonde fr i cu atenuator 10 : 1, la o lungime l = 1,5 m a cablului coaxial. S se calculeze, de asemenea, modulul impedanei de intrare n cele dou cazuri, pentru frecvena de 10 MHz. Soluie. Notnd cu Ri i Ci elementele impedanei de intrare cutate, n cazul sondei fr atenuator, pe baza fig. 1.5 se obine:Ri = Rin = 1 M , Ci = Ccc + Cin = 70 1,5 + 30 = 135 pF .

La frecvena de 10 MHz, reactana capacitiv a lui Ci este Xc = 1 120 , 2 10 135 10 127

mult mai mic dect Ri , astfel nct modulul impedanei de intrare a osciloscopului la aceast frecven este practic de 120 . n cazul sondei cu atenuator n capul de prob, pe baza fig. 1.6 i a relaiilor (1.1) i (1.2) i innd cont i de atenuarea de 10 ori a sondei, se poate scrie:R = 9 Rin = 9 M ,Cc = 1 135 (Ccc + Cin ) = = 15 pF , 9 9

Ri = R + Rin = 10 M ,

Ci =

C c (Ccc + Cin ) = 13,5 pF . Cc + C cc + Cin

La frecvena de 10 MHz, reactana capacitiv a lui Ci este de 10 ori mai mare n situaia sondei cu atenuator (1200 ). Din cele de mai sus se observ c, n cazul sondei cu atenuator, componentele impedanei de intrare sunt mbuntite - fa de cazul sondei fr atenuator - cu un factor de 10, egal cu raportul de atenuare al sondei.

1-7

Osciloscoape 1.2.4. Blocul de deflexie orizontal

Capitolul 1

Blocul de deflexie orizontal cuprinde baza de timp i amplificatorul X. Amplificatorul X are, de regul, o structur mai simpl dect amplificatorul Y, constnd dintr-un numr mai mic de etaje de amplificare, deoarece la intrarea lui se aplic tensiunea liniar variabil furnizat de baza de timp, care poate avea amplitudini mari (de ordinul volilor). Baza de timp genereaz o tensiune n form de dini de fierstru, necesar vizualizrii variaiei n timp a tensiunii uY. Baza de timp poate funciona n regim relaxat sau declanat, ilustrate n fig. 1.7. n perioada tensiunii baz de timp se disting: cursa direct, cu durata td , n care spotul se deplaseaz de la stnga la dreapta ecranului; cursa invers, cu durata ti, n care spotul este readus n stnga ecranului (pe durata cursei inverse spotul este stins); timpul de ateptare, cu durata ta, n care spotul ateapt n stnga ecranului. n regim relaxat, dup terminarea cursei inverse ncepe o nou curs direct. Acest regim nu este adecvat pentru efectuarea de msurri cantitative asupra intervalelor de timp deoarece obinerea unei imagini stabile presupune, de regul, acionarea poteniometrului ETALONARE X, situaie n care axa X a osciloscopului nu mai este calibrat. n regim declanat, baza de timp st n ateptare pn la apariia unui impuls de declanare, cnd este iniiat o curs direct. Dup terminarea cursei inverse urmeaz starea de ateptare, care dureaz pn la apariia proximului impuls de declanare. Impulsurile de declanare care apar pe durata curselor direct sau invers sunt ignorate.

ud

t uBT uBT

0

td TBT

ti

t

0

td TBT

ti

ta

t

a

b

Fig. 1.7. Funcionarea bazei de timp n regim relaxat (a) i declanat (b). Funcionarea n regim declanat permite obinerea unei imagini stabile pe ecranul tubului catodic, precum i efectuarea de msurri cantitative asupra intervalelor de timp.

1-8

Capitolul 1 1.2.5. Circuitul de sincronizare

Osciloscoape

Circuitul de sincronizare permite obinerea unei imagini stabile pe ecranul tubului catodic. Pentru a se obine o imagine stabil, spotul trebuie s descrie la fiecare curs direct a bazei de timp aceeai imagine, care s se suprapun peste cea precedent. Acest lucru se realizeaz dac fiecare curs direct ncepe n acelai punct de pe curba tensiunii de vizualizat. Condiia care asigur aceast cerin este ca perioada tensiunii baz de timp s fie riguros egal cu un multiplu al perioadei tensiunii de studiat, uY:TBT = kTY .

(1.5)

Relaia (1.5) exprim condiia de sincronizare. Rolul circuitului de sincronizare este de a asigura ndeplinirea ei. n acest scop, circuitul de sincronizare este prevzut cu un comparator care compar tensiunea de vizualizat cu o tensiune continu un (fig. 1.8). Din figur se observ c n momentul depirii n sens cresctor a tensiunii un, apare un impuls ud de declanare a bazei de timp. Impulsul are efect (adic declaneaz baza de timp) numai dac apare n timpul de ateptare. Astfel, dup cum se observ din fig. 1.8, perioada tensiunii baz de timp este un multiplu al perioadei tensiunii de vizualizat, adic este ndeplinit condiia de sincronizare. Prin urmare, pe ecranul tubului catodic se va obine o imagine stabil.uY un 0 ud 0 uBT 0 TY TBT A un

t

t

t

Fig. 1.8. Explicativ pentru sicronizare. Tensiunea continu un poart numele de nivel de sincronizare. Ea poate fi modificat cu ajutorul poteniometrului NIVEL (fig. 1.1). Acionarea poteniometrului NIVEL permite alegerea momentului de declanare a bazei de timp n raport cu curba semnalului (sau, cu alte cuvinte, alegerea punctului de pe curba semnalului n care ncepe cursa direct a bazei de timp - punctul A n fig. 1.8). Circuitul de sincronizare este, n realitate, mult mai complex dect un simplu comparator. El mai include, printre altele, un circuit pentru aa-numitul regim automat al osciloscopului i comutatoare pentru alegerea ntre regimul automat i cel declanat, precum i pentru alegerea modului de sincronizare. n regimul declanat al osciloscopului, baza de timp funcioneaz n regim declanat n prezena semnalului de sincronizare i st n ateptare (lips imagine) n absena acestuia. n regimul automat, baza de timp funcioneaz n regim relaxat dac frecvena semnalului de vizualizat nu depete cteva zeci de heri i n regim declanat pentru frecvene mai mari. Ca urmare, spotul nu dispare la dispariia semnalului de vizualizat. Utilitatea practic a regimului automat const n aceea c la poziionarea comutatorului K1 pe GND (fig. 1.1), pe ecran apare o linie orizontal i se poate regla poziia nivelului zero. Legtura dintre regimurile osciloscopului i cele ale bazei de timp este redat n fig. 1.9.

1-9

Osciloscoape

Capitolul 1 Baza de timp funcioneaz n regim relaxat n absena semnalului de sincronizare. automat Baza de timp funcioneaz n regim declanat n prezena semnalului de sincronizare.

Regimul osciloscopului declanat

Baza de timp st n ateptare n absena semnalului de sincronizare.

Baza de timp funcioneaz n regim declanat n prezena semnalului de sincronizare. Fig. 1.9. Legtura dintre regimurile osciloscopului i cele ale bazei de timp. Varianta de osciloscop prezentat n fig. 1.1 permite alegerea unuia din urmtoarele moduri de sincronizare: INTERN, EXTERN sau de la REEA. n modul INTERN sincronizarea se realizeaz cu semnalul de vizualizat, cules de la o ieire a amplificatorului Y. n cazul n care se dorete analiza corelat n timp a mai multor semnale, se prefer modul EXTERN de sincronizare, situaie n care unul dintre aceste semnale se aplic la borna SINCRONIZARE EXT, servind la declanarea bazei de timp. Modul de sincronizare REEA este adecvat analizei fenomenelor cu frecvena reelei. Semnalul de sincronizare n acest caz este preluat de la blocul de alimentare al osciloscopului. Observaii 1. Pentru rigurozitate, n fig. 1.8 i n explicaiile aferente, n loc de tensiune de vizualizat trebuie neles unde este cazul semnal de sincronizare deoarece, dup cum s-a vzut mai sus, tensiunea de vizualizat nu este singurul semnal de sincronizare posibil. 2. Sincronizarea bazei de timp se poate face pe panta pozitiv a semnalului de sincronizare sau pe panta negativ a acestuia, cnd semnalul de sincronizare depete n sens descresctor nivelul de sincronizare. Alegerea pantei (+ sau -) se face cu un comutator nefigurat n schema bloc din fig. 1.1. 3. Unele osciloscoape sunt prevzute cu posibilitatea reglrii timpului de ateptare, cu scopul de a permite vizualizarea corespunztoare (imagine unic i stabil) a unor semnale complexe. Reglajul este denumit HOLD-OFF i se face cu ajutorul unui poteniometru situat pe panoul frontal al osciloscopului.

1-10

Capitolul 1 1.2.6. Osciloscopul cu mai multe canale. Comutatorul electronic

Osciloscoape

Osciloscopul prezentat n fig. 1.1 este un osciloscop cu un singur canal. Exist ns i osciloscoape cu dou sau mai multe canale, foarte utile pentru analiza corelat a dou sau mai multe semnale. Practic, singura soluie utilizat actualmente pentru realizarea unui osciloscop cu mai multe canale este utilizarea unui comutator electronic care s permit aplicarea succesiv a semnalelor de intrare la plcile Y ale tubului catodic. Soluia se bazeaz pe ineria ochiului uman. Dac frecvena cu care se realizeaz comutarea de la un canal la altul este suficient de mare, semnalele sunt percepute ca aprnd simultan pe ecran. Structura de principiu a blocului de deflexie vertical pentru un osciloscop cu dou canale se prezint n fig. 1.10.VOLI/DIV ETALONARE Y POZIIE Y

Y1 Atenuator Preamplificator

Comutator pentru modul de lucru

VOLI/DIV

ETALONARE Y

POZIIE Y

Comutator electronic

Amplificator final Y

La TC

Y2 Atenuator Preamplificator

Fig. 1.10. Bloc de deflexie vertical pentru un osciloscop cu dou canale. De regul, comutatorul electronic permite obinerea urmtoarelor moduri de lucru: Y1, Y2, COMUTAT i ALTERNAT. n modurile Y1 i Y2 se vizualizeaz doar semnalul corespunztor canalului selectat. n modurile COMUTAT i ALTERNAT se vizualizeaz ambele semnale. Deosebirea ntre cele dou moduri rezid n frecvena cu care sunt comutate cele dou canale (fig. 1.11). n modul COMUTAT (engl. CHOPPED), comutarea de la un canal la cellalt se face cu o frecven fix, de cteva sute de kHz, caracteristic osciloscopului. La o utilizare corect a osciloscopului, comutarea ntre canale se realizeaz de mai multe ori pe durata unei curse directe a bazei de timp. Modul COMUTAT este adecvat pentru vizualizarea semnalelor de joas frecven. La vizualizarea semnalelor de frecven ridicat este posibil ca segmentele n care sunt decupate semnalele s fie vizibile, ceea ce poate fi suprtor pentru operator. n modul ALTERNAT, comutarea de la un canal la cellalt se face dup terminarea fiecrei curse directe. Ca urmare, celor dou semnale le sunt alocate alternativ curse directe ale bazei de timp, motiv pentru care modul ALTERNAT este adecvat pentru vizualizarea semnalelor de frecven ridicat (n cazul semnalelor de joas frecven, imaginea poate s plpie suprtor). Unele osciloscoape sunt prevzute i cu posibilitatea vizualizrii semnalelor sum i diferen, Y1 Y2, moduri simbolizate prin Y1+Y2 i, respectiv, Y1-Y2.

1-11

Osciloscoape

Capitolul 1

uBT Y1 t t

Y2

t

Modul COMUTAT

Modul ALTERNAT

Fig. 1.11. Exemplu de imagini care apar pe ecran, corespunztoare curselor directe succesive n modurile COMUTAT i ALTERNAT. 1.2.7. Lupa de timp Unele osciloscoape sunt prevzute cu o a doua baz de timp, numit baz de timp rapid sau lup de timp. Cele dou baze de timp sunt notate, de regul, cu A i B. A desemneaz baza de timp obinuit (denumit i baz de timp lent), iar B desemneaz baza de timp rapid. Baza de timp rapid permite, prin extinderea scrii timpului, vizualizarea n detaliu a unei poriuni orict de nguste din semnal. n principiu, baza de timp rapid poate fi identic, din punct de vedere constructiv, cu baza de timp A a osciloscopului. Denumirea de baz de timp rapid provine de la faptul c pentru realizarea efectului de lup de timp, viteza de baleiaj a bazei de timp B trebuie s fie mai mare dect cea a bazei de timp A. De regul, modurile de lucru ale unui osciloscop cu baz de timp dubl sunt urmtoarele: a). A; b). A intensificat de B; c). B i d). A i B. n modul A osciloscopul funcioneaz ca unul obinuit, cu o singur baz de timp. n modul A intensificat de B, singura deosebire fa de modul A este c spotul este intensificat pe poriunea corespunztoare funcionrii bazei de timp rapide. Aceast poriune poate fi deplasat pe orizontal dup dorina utilizatorului, pentru a putea alege poriunea din semnal care s fie vizualizat n detaliu. n modul B poriunea din semnal selectat n modul A intensificat de B este vizualizat pe toat limea ecranului. n modul A i B semnalul este vizualizat la dou scri de timp diferite, corespunztoare celor dou baze de timp. Figura 1.12 exemplific cele patru moduri de funcionare.

1-12

Capitolul 1

Osciloscoape

Modul A

Modul A intensificat de B

Modul B

Modul A i B

Fig. 1.12. Explicativ pentru modurile de lucru ale osciloscopului cu baz de timp dubl. Explicai funcionarea osciloscopului analogic de uz general! Evaluai impedana de intrare a ansamblului sond-osciloscop la frecvena de 50 MHz, tiind c Ri=1 M i Ci=7 pF! 1.3. Osciloscoape numerice 1.3.1. Prezentare general Apariia i dezvoltarea acestui tip de osciloscoape au fost posibile datorit progresului nregistrat n domeniile convertoarelor analog - numerice i al tehnicii numerice. Caracteristic pentru aceste osciloscoape este faptul c eantioanele tensiunii de vizualizat sunt convertite n form numeric i apoi memorate ntr-o memorie numeric. Eantioanele astfel memorate sunt apoi prelucrate i reconvertite n form analogic i aplicate amplificatorului Y al osciloscopului. Osciloscoapele cu memorare numeric au banda de frecvene comparabil cu cea a unui osciloscop de uz general ns ofer o serie de avantaje: posibiliti extinse de msurare i sincronizare, posibilitatea prelucrrii numerice a eantioanelor memorate i nu n ultimul rnd, precizie superioar. Un astfel de osciloscop poate ndeplini funciile mai multor aparate: voltmetru, numrtor/frecvenmetru, analizor de spectru etc. Schema bloc a unui osciloscop cu eantionare i memorare numeric se prezint n fig. 1.13. Osciloscopul poate funciona i ca unul convenional, cu K1 n poziia 1, pentru vizualizarea unor semnale de frecven mai ridicat. Baza de timp poate fi comandat de circuitul de sincronizare sau de dispozitivul de comand. Acesta din urm este, de regul, realizat cu un microprocesor, care furnizeaz toate semnalele de comand necesare funcionrii ntregii scheme. n plus, acesta faciliteaz msurarea diferiilor parametri ai semnalului i permite prelucrarea numeric a eantioanelor sale. O variant perfecionat utilizeaz ca baz de timp un CNA comandat de microprocesor. La ieirea acestui CNA se obine o tensiune variabil n trepte egale. Dac acestea sunt suficient de mici, ceea ce se ntmpl de la 8 bii n sus, tensiunea este practic liniar variabil.

1-13

Y

ReeExteInter a rn n

Circuit de sincroniz are

2 K2

1

Baza de timp (CNA)

Dispo zitiv de coma nd

Amplifi cator X

Interfa standard

Osciloscoape

1-14Circuit de eantionare i memorare Atenuato rY CAN Am plif icat or Y Memori e 2 K1 1 CNA Amplific ator final Y Tub catodic

Capitolul 1

Fig. 1.13. Schema bloc a unui osciloscop numeric.

Capitolul 1 1.3.2. Tehnici de eantionare utilizate n osciloscoapele numerice

Osciloscoape

Tehnicile de eantionare utilizate n osciloscoapele numerice sunt: eantionarea secvenial, eantionarea aleatoare i eantionarea n timp real. Eantionarea secvenial este ilustrat n fig. 1.14.

ui 1R 0 R

2

3

4

R 2

R 3

R

5 R 5 T+

6 T+ 6

tT 1

t2

T+

t3

t

4 T+

t4

t

t

t

t

t

t

y

5 0 5(T+ t) -timp real 5 t -timp echivalent

6 x

Fig. 1.14. Eantionarea secvenial. Ea se poate aplica numai n cazul semnalelor periodice i const n prelevarea n fiecare perioad a semnalului de vizualizat a cte unui eantion, eantioanele succesive fiind ntrziate tot mai mult fa de un moment de referin R. Primul eantion este prelevat cu o ntrziere t fa de momentul de referin R. Perioada de eantionare este T+ t, T fiind perioada semnalului. Ca urmare, n cea de-a doua perioad a semnalului, eantionul va fi prelevat cu o ntrziere 2 t. n cea de-a treia perioad a semnalului, eantionul va fi prelevat cu o ntrziere 3 t fa de momentul de referin R .a.m.d. Dei eantioanele sunt culese n perioade diferite, aparent ele aparin aceleiai perioade. Perioada aparent de eantionare este t, iar n realitate ea este T+ t. Dac se ia, de exemplu, t = 0,01T, atunci perioada de eantionare este aproximativ T, iar perioada aparent de eantionare este de 0,01T. Ca urmare, folosind aceast tehnic, se pot preleva foarte multe eantioane ntr-o perioad a semnalului eantionnd cu o frecven practic egal cu cea a semnalului. Eantionarea aleatoare, ilustrat n fig. 1.15, se deosebete de eantionarea secvenial prin aceea c ntrzierea (fa de un moment de referin R) cu care este preluat eantionul se modific aleator de la un ciclu la altul, astfel nct punctele memorate (1, 2, 3, 4, 5) apar ntr-o succesiune aleatoare pe curba vizualizat a semnalului (2, 4, 1, 5, 3). Este evident ns c dispozitivul de comand al osciloscopului trebuie s "tie" ct este ntrzierea fiecrui eantion, n vederea reconstituirii corecte a semnalului. Cu alte cuvinte, este necesar memorarea i a ntrzierilor fa de momentul de referin R.

1-15

Osciloscoapesemnal de vizualizat ui 1 4 5

Capitolul 1

0

2R

R

3

R

R t

imagine ecran

y 4 1 5

02

3 x

Fig. 1.15. Eantionarea aleatoare. Att eantionarea secvenial ct i eantionarea aleatoare sunt eantionri n timp echivalent. O alt tehnic utilizat n osciloscoapele numerice este eantionarea n timp real, adecvat n cazul fenomenelor singulare i al semnalelor de frecven relativ joas, situaii n care eantionarea n timp echivalent fie nu este aplicabil, fie c reclam un timp relativ mare pentru achiziia numrului necesar de eantioane. Principiul eantionrii n timp real este ilustrat n fig. 1.16. impulsuri de eantionare t semnal de vizualizat eantion prelevat t Fig. 1.16. Eantionarea n timp real. Comparnd ntre ele cele trei tehnici de eantionare prezentate, se pot remarca urmtoarele: 1). Eantionarea secvenial permite obinerea unei rezoluii temporale foarte bune datorit faptului c pasul de eantionare poate fi fcut extrem de mic (de ordinul femtosecundelor). Ea nu este ns adecvat pentru vizualizarea fronturilor cresctoare ale impulsurilor cu factor de umplere mic (informaia de pe front se pierde). 2). Eantionarea aleatoare este ideal pentru vizualizarea fronturilor cresctoare ale impulsurilor, datorit faptului c eantionarea apare aleator n raport cu semnalul. 3). Eantionarea n timp real permite achiziia i reconstituirea i a fenomenelor singulare, cu condiia prelevrii unui numr suficient de eantioane.

1-16

Capitolul 1 1.3.3. Circuite specifice osciloscoapelor numerice

Osciloscoape

Schema bloc din fig. 1.13 prezint pentru achiziia de date un circuit de eantionare i memorare, CEM i un convertor analog-numeric, CAN. n osciloscoapele cu mai multe canale, structura descris se repet pentru fiecare canal n parte (fig. 1.17) sau fiecare canal este prevzut cu cte un CEM, convertorul analog - numeric fiind comun, caz n care este necesar i un multiplexor MUX (fig. 1.18). Mai economic n ce privete numrul de componente utilizate, soluia din fig. 1.18 are dezavantajul c frecvena de eantionare corespunztoare unui canal rezult mai mic, fiind egal cu frecvena de eantionare a convertorului mprit la numrul de canale.

CANAL 1

CEM 1

CAN 1

CANAL 2

CEM 2

CAN 2

MEMORIE

CANAL n

CEM n

CAN n

Fig.1.17. Osciloscop numeric cu n canale independente.

CANAL 1

CEM 1

CANAL 2

CEM 2

MUX

CAN

CANAL n

CEM n

Fig. 1.18. Osciloscop numeric cu CAN comun i multiplexor. Unele osciloscoape cu mai multe canale, cu structura din fig. 1.17, permit creterea frecvenei de eantionare prin conectarea n paralel a mai multor intrri i comanda decalat n timp (secvenial) a circuitelor de achiziie i conversie ale fiecrui canal. Aceast posibilitate este ilustrat n fig. 1.19, n care poziia CEM i CAN sugereaz situarea n timp a eantionului prelevat, n cadrul unei perioade a semnalului de vizualizat. Soluia este aplicat de firma Tektronix pentru a obine o frecven de eantionare de 2 GHz folosind toate cele patru canale ale osciloscopului DSA 602, echipate fiecare cu cte un CAN avnd rata de conversie de 500 MSa/s. n mod asemntor se poate obine un osciloscop cu dou canale, cu frecvena de eantionare de 1 GHz pentru fiecare canal.

1-17

Osciloscoape

Capitolul 1

CANAL 1

CEM 1

CAN 1

CANAL 2 intrare

CEM 2

CAN 2

CANAL 3 CEM 3 CANAL 4

CAN 3

CEM 4

CAN 4

Fig. 1.19. Achiziie cu frecven de eantionare mrit prin comanda decalat a CEM i CAN. Observaie. Rata de conversie exprim numrul de conversii pe care l poate face un CAN ntr-o secund. Ea se msoar n eantioane pe secund, simbol Sa/s (de la samples per second). 1.3.4. Reconstituirea semnalului din eantioanele prelevate O particularitate a osciloscoapelor cu eantionare care le deosebete esenial de osciloscoapele analogice de uz general este caracterul discontinuu al semnalului eantionat, inerent procesului de eantionare. Din aceast cauz, nu mai exist - ca la osciloscoapele analogice - o coresponden biunivoc ntre imaginea de pe ecran i semnalul din care aceasta provine. Ca urmare, sunt necesare precauii n vederea reconstituirii corecte a semnalului din eantioanele prelevate. O prim msur se refer la limitarea benzii de frecvene a semnalului de intrare, prin folosirea - naintea circuitelor de eantionare i memorare - a unor filtre anti-alias. Acestea sunt, n esen, filtre trece-jos avnd frecvena de tiere corelat cu frecvena de eantionare. O a doua msur se refer la numrul de eantioane prelevate ntr-o perioad a semnalului, precum i la tehnica de interpolare folosit. Teoretic, un semnal poate fi reconstituit din eantioanele sale dac frecvena de eantionare este mai mare dect dublul frecvenei maxime coninute n spectrul semnalului. Cu alte cuvinte, ceva mai mult de dou eantioane ntr-o perioad ar fi suficiente pentru reconstituirea unui semnal sinusoidal. n practic, n general este necesar eantionarea cu o frecven mai mare. Dup cum rezult din cele prezentate anterior, n memoria numeric a osciloscopului semnalul de vizualizat este reprezentat prin eantioanele sale prelevate la anumite momente de timp. Reprezentarea numai a acestor eantioane (dup conversia numeric-analogic) conduce la o imagine alctuit din puncte. Interpolarea reprezint modalitatea prin care aceste puncte sunt unite pentru a furniza o imagine continu, ca la osciloscoapele convenionale. Sunt cunoscute mai multe tehnici de interpolare, cea mai simpl fiind interpolarea liniar, la care punctele sunt unite prin segmente de dreapt. n fig. 1.20 a i b se prezint rezultatul interpolrii liniare a unui semnal sinusoidal eantionat cu o frecven de patru ori mai mare dect frecvena semnalului. Din aceast figur se observ c imaginea obinut este puternic dependent de relaia de faz dintre semnal i procesul de eantionare.

1-18

Capitolul 1

Osciloscoape

semnal original

semnal original

t

t

semnal reconstituit

semnal reconstituit

t

t

a

b

Fig. 1.20. Semnal cu frecvena f eantionat cu o frecven 4f i reconstituit prin interpolare liniar, a) =0; b) = /4. Dac ns se eantioneaz cu o frecven de 10 ori mai mare dect frecvena semnalului, interpolarea liniar conduce la erori sub 5%, considerate acceptabile. Din acest motiv, regula de a preleva 10 eantioane pe perioad a devenit un fel de standard n cazul osciloscoapelor numerice. 1.3.5. Faciliti oferite de osciloscoapele numerice Existena eantioanelor semnalului n memoria numeric a osciloscopului ofer posibiliti extrem de largi i diverse de prelucrare a informaiei. n plus, dispozitivul de comand cu microprocesor permite realizarea unor funcii de msurare care nu pot fi obinute cu osciloscoapele convenionale i care sunt prezentate pe scurt n continuare. 1). Osciloscopul a devenit un aparat de msurat universal deoarece permite msurarea unui numr mare de parametri ai semnalelor aplicate, cum ar fi: perioada, frecvena, timpii de cretere i de cdere, ntrzierea, durata, factorul de umplere, intervalele de timp (de la un canal la altul sau de la un registru de memorie la altul), tensiunea maxim, vrf la vrf, medie, efectiv, supracreterea, diferena de tensiune de la un canal la altul sau de la un registru la altul. n acest scop, osciloscopul este prevzut cu cursoare (marcaje) pe care utilizatorul le plaseaz dup dorin, cursoare care iau locul liniilor de caroiaj ale osciloscopului convenional i care definesc intervalul care se msoar. Valorile msurate sunt afiate n form numeric pe ecran (fig. 1.21).cursor U 964 mV

t 1.82 s

f 546 kHz

Fig. 1.21. Exemplu de afiare pe ecran a valorilor msurate. 1-19

Osciloscoape

Capitolul 1

Cu valorile memorate se pot efectua calcule matematice, inclusiv statistice, transformat Fourier rapid, filtrri numerice etc. 2). Rolul bazei de timp ntrziate, prezente n unele osciloscoape analogice de uz general, este preluat de funcia ZOOM, care permite extinderea, pe ntreaga lime a ecranului, a oricrei poriuni de pe curba semnalului. 3). Osciloscoapele numerice au posibilitatea de a vizualiza poriuni din semnal anterioare unui impuls de declanare (funcia PRETRIGGER). La osciloscoapele convenionale cursa direct a bazei de timp ncepe dup apariia unui impuls de declanare. La osciloscoapele numerice eantionarea are loc continuu, eantioanele sunt memorate ntr-o memorie de tip FIFO (primul intrat, primul ieit) iar apariia impulsului de declanare determin momentul n care nregistrarea se va opri (fig. 1.22). Mai trebuie precizat c durata de nregistrare anterioar impulsului de declanare poate fi reglat de utilizator n limita dictat de capacitatea memoriei FIFO. Evident, cu ct este mai lung poriunea anterioar declanrii, cu att mai scurt este cea posterioar, capacitatea memoriei fiind fix.uy Prag de declanare Eantionare

0Impuls de declanare Poriune memorat

t

t

Fig. 1.22. Explicativ pentru nregistrarea semnalului i anterior unui impuls de declanare. Exemplu. Un osciloscop numeric are o memorie cu capacitatea de 2048 octei (pentru tot attea eantioane ale semnalului). El este prevzut cu posibilitatea modificrii lungimii zonei memorate anterior impulsului de declanare n limitele a 0, 25, 50, 75 i 100%. Dac se selecteaz valoarea de 25%, atunci osciloscopul va nregistra 512 eantioane anterioare impulsului de declanare i 1536 posterioare, iar dac se selecteaz valoarea de 50%, atunci osciloscopul va nregistra 1024 eantioane anterioare impulsului de declanare i 1024 posterioare. Aceast facilitate este util atunci cnd prezint interes studiul fenomenelor singulare ce preced impulsul de declanare. Spre exemplu, impulsul de declanare poate fi o perturbaie suprapus peste semnalul util (ca n fig. 1.22) i utilizatorul dorete s vizualizeze forma semnalului n momentele premergtoare acesteia, cu scopul de a analiza posibilele cauze ale apariiei perturbaiei. 4). Unele osciloscoape permit - n modul BURST TIME BASE - nregistrarea salvelor unui semnal, fr a nregistra n totalitate poriunile n care semnalul este nul (fig. 1.23), ceea ce conduce la economie de memorie. O astfel de situaie apare, de exemplu, la nregistrarea unui semnal radar care are mai multe ecouri. 5). Tot pentru a economisi memorie, unele osciloscoape folosesc eantionarea adaptiv, adic i micoreaz frecvena de eantionare ori de cte ori este posibil fr ca prin aceasta s altereze informaia coninut n semnal. n acest scop, circuite specializate ale osciloscopului estimeaz continuu banda de frecvene a semnalului aplicat i dac compoziia spectral a acestuia o permite, frecvena de eantionare este comutat la o valoare mai redus. 6). Majoritatea osciloscoapelor numerice permit cuplarea cu un nregistrator grafic, cu ajutorul cruia se poate obine o copie nevolatil a semnalului studiat. 7). Majoritatea osciloscoapelor numerice sunt prevzute cu o interfa standard (RS 232 sau IEEE 488) pentru a putea fi cuplate la un calculator.

1-20

Capitolul 1nivel de declanare Semnal real 0 lungimea real a secvenei Semnal memorat

Osciloscoape

t

lungimea secvenei memorate t

0

Fig. 1.23. Economie de memorie n modul BURST TIME BASE.

Un osciloscop numeric are un CAN pe 8 bii i eantioneaz cu frecvena de 1 MHz. Capacitatea memoriei FIFO este de 2048 octei. Determinai durata poriunii posterioare impulsului de declanare, memorat n regim PRETRIGGER 75%!

1-21