Alat Ukur OsiloskopApakah osiloskop itu, apa yang bisa kita
lakukan dengan menggunakannya, dan bagaimana ia bekerja? Kesemuanya
adalah pertanyaan dasar dan penting. Osiloskop pada dasarnya adalah
suatu alat penampil grafik yang menggambarkan grafik sinyal
elektrik. Dalam kebanyakan aplikasi, grafik memperlihatkan
bagaimana sinyal berubah terhadap waktu: sumbu vertikal (Y,
voltage) merepresentasikan tegangan dan sumbu horizontal (X, time)
menyatakan waktu. Intensitas atau kecemerlangan (brightness)
tampilan, kadang kala disebut sumbu Z (intensity) (Gambar 1).
Grafik sederhana ini dapat mengatakan kepada kita beberapa hal
tentang sinyal. Beberapa hal yang bisa dicatat: Penentuan nilai
waktu dan tegangan sinyal; Penentuan frekuensi dari sinyal yang
berosilasi; Penampilan bagian bergerak dari rangkaian yang
direpresentasikan oleh sinyal; Pengaruh malfungsi komponen terhadap
sinyal; Seberapa jauh sinyal adalah berupa DC atau AC; Seberapa
jauh sinyal adalah berupa derau dan apakah derau berubah terhadap
waktu.
Suatu osiloskop akan terlihat seperti satu set televisi kecil,
kecuali bahwa ia mempunyai garis-garis grid di layarnya dan lebih
terkontrol daripada televisi. Panel depan dari sebuah osiloskop
secara normal mempunyai bagian kontrol yang dibagi ke dalam seksi
vertikal, horizontal dan trigger. Demikian juga terdapat kontrol
tampilan serta konektor masukan.
Gambar 1. Komponen X, Y dan Z dari bentuk gelombang tampilan
1 of 16
Gambar 2. Panel depan dari osiloskop analog
Gambar 3. Panel depan dari osiloskop digital
1. Kegunaan Osiloskop Osiloskop digunakan oleh setiap orang dari
teknisi perbaikan TV ke saintis. Kegunaan osiloskop adalah tidak
terbatas pada dunia elektronika. Dengan transduser yang tepat,
osiloskop dapat mengukur segala jenis fenomena. Transduser adalah
alat yang membangkitkan sinyal elektris sebagai respons dari
stimulasi fisik seperti, bunyi, tegangan mekanis, tekanan, cahaya
atau panas. Sebagai contoh, mikrofon adalah sebuah transduser.
Seorang insinyur otomotif dapat menggunakan osiloskop untuk
mengukur vibrasi mesin. Peneliti medis menggunakan osiloskop untuk
mengukur gelombang otak dan lain-lain.
2 of 16
Gambar 4. Data ilmiah yang mampu dihimpun oleh osiloskop
2. Analog dan Digital Peralatan elektronika dapat dibagi ke
dalam dua kategori: analog dan digital. Peralatan analog bekerja
dengan tegangan variabel kontinyu, sementara peralatan digital
bekerja dengan bilangan-bilangan biner yang mungkin mewakili
sampel-sampel tegangan. Sebagai contoh, pemutar piringan hitam
adalah divais analog; pemutar CD (compact disk) adalah digital.
Osiloskop juga dapat berupa tipe analog atau digital. Suatu
osiloskop analog bekerja secara langsung menggunakan tegangan
terukur untuk membangkitkan berkas elektron yang bergerak pada
layar osiloskop. Tegangan akan membelokkan berkas ke atas dan ke
bawah secara proporsional, sehingga membuat jejak di layar. Ini
yang akan memberikan gambar bentuk gelombang di layar. Berbeda
dengan yang di atas, osiloskop digital akan mencuplik (sampling)
bentuk gelombang dan menggunakan konverter-analog ke digital (ADC,
analog to digital converter) untuk mengonversi tegangan terukur ke
informasi digital. Ia lalu menggunakan informasi digital tersebut
untuk merekonstruksi bentuk gelombang ke layar.
Gambar 5. Osiloskop analog dan digital menampilkan bentuk
gelombang
3 of 16
Untuk banyak aplikasi, baik yang analog maupun digital dapat
digunakan secara bergantian. Penggunaannya nanti bergantung pada
kebutuhan. Biasanya, ada kecenderungan memilih tipe analog bila
kita menghendaki untuk menampilkan sinyal yang bervariasi cepat
secara real-time (atau sebagaimana kejadiannya). Osiloskop digital
memungkinkan kita untuk menangkap dan melihat kejadian-kejadian
yang hanya terjadi sekali saja. Ia dapat memproses bentuk gelombang
digital atau mengirim data ke komputer untuk pemprosesan. Juga, ia
dapat menyimpan data bentuk gelombang digital untuk dilihat dan
dicetak, saat dibutuhkan kelak. 3. Prinsip Kerja Osiloskop
Pengertian yang lebih baik tentang pengaturan pada osiloskop,
mendorong pengetahuan lebih tentang bagaimana osiloskop menampilkan
sinyal. Osiloskop analog bekerja dengan prinsip berbeda dengan yang
digital. Akan tetapi, beberapa komponen internalnya, serupa adanya.
Osiloskop analog lebih sederhana dalam konsep. 3.1. Osiloskop
analog Ketika kita menghubungkan probe osiloskop ke rangkaian,
sinyal tegangan akan bergerak melalui probe ke sistem vertikal dari
osiloskop. Gambar 6 adalah diagram balok yang memperlihatkan
bagaimana osiloskop analog menampilkan sinyal terukur. Bergantung
pada cara kita menyetel skala vertikal (kontrol volts/div), suatu
attenuator akan mengurangi tegangan sinyal atau sebaliknya suatu
amplifier akan memperkuat tegangan sinyal. Berikutnya, sinyal
bergerak langsung ke plat pembelok vertikal dari CRT (chatode ray
tube). Tegangan yang diterapkan ke plat pembelok tersebut
menyebabkan titik sinar akan bergerak (suatu berkas elektron yang
menumbuk fosfor di bagian dalam CRT menyebabkan titik-titik sinar).
Sinyal juga bergerak untuk men-trigger sistem start atau sweep
horizontal. Sweep horizontal adalah istilah yang mengacu kepada
aksi sitem horizontal yang menyebabkan titik-titik sinar untuk
bergerak pada layar. Pen-trigger-an sweep horizontal menyebabkan
dasar waktu horizontal menggerakkan titiktitik sinar pada layar
dari kiri ke kanan dalam interval waktu tertentu.
4 of 16
Gambar 6. Diagram balok dari osiloskop analog
Secara bersama, aksi ayunan horizontal dan simpangan vertikal
membekaskan grafik sinyal pada layar. Trigger diperlukan untuk
menstabilkan sinyal berulang. Ia akan menjamin bahwa ayunan akan
dimulai pada titik yang sama dari sinyal berulang, yang akan
menghasilkan gambar sebagaimana pada Gambar 7.
Gambar 7. Pen-trigger-an untuk menstabilisasi gelombang
berulang
Sebagai kesimpulan, untuk menggunakan osiloskop analog,
dibutuhkan tiga setelan (setting) dasar untuk mengakomodasikan
sinyal yang akan diukur:
5 of 16
Redaman atau amplifikasi sinyal: menggunakan kontrol volt/div
untuk mengatur amplitudo sinyal sebelum ia diproses oleh sistem
defleksi vertikal; Dasar waktu: menggunakan kontrol sec/div untuk
mengatur jumlah waktu per divisi yang direpresentasikan secara
horizontal pada layar; Pen-trigger-an osiloskop: menggunakan level
trigger untuk menstabilisasi sinyal berulang, sekaligus sebagai
pen-trigger-an atas single event.
Juga, pengaturan kontrol fokus dan intensitas agar didapatkan
tampilan yang jelas dan visibel. 3.2. Osiloskop digital Beberapa
komponen pada osiloskop digital, serupa dengan yang ada pada
osiloskop analog; hanya saja, osiloskop digital mengandung sistem
pemprosesan data (Gambar 8). Dengan sistem tambahan tersebut,
osiloskop digital mengumpulkan data untuk seluruh bentuk gelombang
dan menampilkannya kemudian. Ketika, kita memasang probe osiloskop
digital ke rangkaian, sistem vertikal mengatur amplitudo sinyal,
sebagaimana pada osiloskop analog. Berikutnya, ADC dalam sistem
akuisisi data akan mencuplik sinyal di titik-titik diskret dalam
waktu dan mengonversi tegangan sinyalnya pada titik-titik tersebut
yang disebut titik-titik cuplik. Klok cuplik sistem horizontal
menenentukan seberapa sering ADC mencuplik. Kecepatan detikan klok
disebut kecepatan cuplik dan terukur dalam jumlah cuplikan per
detik. Titik-titik cuplik dari ADC disimpan dalam memori sebagai
titik-titik bentuk gelombang. Secara bersama, titik-titik bentuk
gelombang membangun satu rekaman bentuk gelombang. Jumlah titik
gelombang yang dibutuhkan untuk membangun satu gelombang disebut
panjang rekaman. Sistem trigger menentukan titik awal dan akhir
dari rekaman. Penampil (display) akan menerima titik-titik rekaman
sesudah disimpan di memori. Bergantung pada kemampuan osiloskop,
pemprosesan tambahan dari titik-titik cuplik adalah berperan dalam
memperbaiki tampilan.
6 of 16
Gambar 8. Diagram balok dari osiloskop digital
Pada dasarnya, dengan osiloskop digital, sebagaimana pada yang
analog, dibutuhkan pengaturan setelan vetikal, horizontal dan
trigger untuk pengukuran suatu besaran.
4. Measurement Techniques
This section teaches you basic measurement techniques. The two
most basic measurements you can make are voltage and time
measurements. Just about every other measurement is based on one of
these two fundamental techniques. This section discusses methods
for taking measurements visually with the oscilloscope screen. Many
digital oscilloscopes have internal software that will take these
measurements automatically. Knowing how to take the measurements
manually will help you understand and check the automatic
measurements of the digital oscilloscopes.
4.1. The Display Take a look at the oscilloscope display. Notice
the grid markings on the screen - these markings create the
graticule. Each vertical and horizontal line constitutes a major
division. The graticule is usually laid out in an 8-by-10 division
pattern. Labeling on the oscilloscope controls (such as volts/div
and sec/div) 7 of 16
always refers to major divisions. The tick marks on the center
horizontal and vertical graticule lines (see Figure 1) are called
minor divisions. Many oscilloscopes display on the screen how many
volts each vertical division represents and how many seconds each
horizontal division represents. Many oscilloscopes also have 0%,
10%, 90%, and 100% markings on the graticule (see Figure 1) to help
make rise time measurements, described later.
Gambar 9. An Oscilloscope Graticule (Figure 1)
4.2. Voltage Measurements Voltage is the amount of electric
potential, expressed in volts, between two points in a circuit.
Usually one of these points is ground (zero volts) but not always.
Voltages can also be measured from peak-topeak - from the maximum
point of a signal to its minimum point. You must be careful to
specify which voltage you mean. The oscilloscope is primarily a
voltage-measuring device. Once you have measured the voltage, other
quantities are just a calculation away. For example, Ohm's law
states that voltage between two points in a circuit equals the
current times the resistance. From any two of these quantities you
can calculate the third. Another handy formula is the power law:
the power of a DC signal equals the voltage times the current.
Calculations are more complicated for AC signals, but the point
here is that measuring the voltage is the first step towards
calculating other quantities.
8 of 16
Figure 2 shows the voltage of one peak - V[p] - and the
peak-to-peak voltage - V[p-p] -, which is usually twice V[p]. Use
the RMS (root-mean-square) voltage - V[RMS] - to calculate the
power of an AC signal.
Gambar 10. Voltage Peak and Peak-to-peak Voltage (Figure 2)
You take voltage measurements by counting the number of
divisions a waveform spans on the oscilloscope's vertical scale.
Adjusting the signal to cover most of the screen vertically, then
taking the measurement along the center vertical graticule line
having the smaller divisions, makes for the best voltage
measurements. The more screen area you use, the more accurately you
can read from the screen.
9 of 16
Gambar 11. Measure Voltage on the Center Vertical Graticule Line
(Figure 3)
Many oscilloscopes have on-screen cursors that let you take
waveform measurements automatically on-screen, without having to
count graticule marks. Basically, cursors are two horizontal lines
for voltage measurements and two vertical lines for time
measurements that you can move around the screen. A readout shows
the voltage or time at their positions.
Gambar 12. Measure Time on the Center Horizontal Graticule Line
(Figure 4)
4.3. Pulse and Rise Time Measurements In many applications, the
details of a pulse's shape are important. Pulses can become
distorted and cause a digital circuit to malfunction, and the
timing of pulses in a pulse train is often significant. Standard
pulse measurements are pulse width and pulse rise time. Rise time
is the amount of time a pulse takes to go from the low to high
voltage. By convention, the rise time is measured from 10% to 90%
of the full voltage of the pulse. This eliminates any
irregularities at the pulse's transition corners. This also
explains why most oscilloscopes have 10% and 90% markings on their
screen. Pulse width is
10 of 16
the amount of time the pulse takes to go from low to high and
back to low again. By convention, the pulse width is measured at
50% of full voltage. See Figure 5 for these measurement points.
Gambar 13. Rise Time and Pulse Width Measurement Points (Figure
5)
Pulse measurements often require fine-tuning the triggering. To
become an expert at capturing pulses, you should learn how to use
trigger holdoff and how to set the digital oscilloscope to capture
pretrigger data, as described earlier in the Controls section.
Horizontal magnification is another useful feature for measuring
pulses, since it allows you to see fine details of a fast
pulse.
4.4. Phase Shift Measurements The two waves shown (A versus B)
are of the same amplitude and frequency, but they are out of step
with each other. In technical terms, this is called a phase
shift.
Gambar 14. Wave A leads wave B by 45
o
11 of 16
Gambar 15. Examples of phase shifts.
4.4.1. AC resistor circuits
Gambar 16. Pure resistive AC circuit: resistor voltage and
current are in phase.
12 of 16
Gambar 17. Voltage and current in phase for resistive
circuit.
4.4.2. AC inductor circuits
Gambar 18. Pure inductive circuit: Inductor current lags
inductor voltage by 90 .
o
Gambar 19. Pure inductive circuit, waveforms.
Example: e v
13 of 16
=
( Div. for. ) 360 0 ( Div. for.T ) 1.5 = 360 0 = 67.5 0 8
The horizontal control section may have an XY mode that lets you
display an input signal rather than the time base on the horizontal
axis. (On some digital oscilloscopes this is a display mode
setting.) This mode of operation opens up a whole new area of phase
shift measurement techniques. The phase of a wave is the amount of
time that passes from the beginning of a cycle to the beginning of
the next cycle, measured in degrees. Phase shift describes the
difference in timing between two otherwise identical periodic
signals. One method for measuring phase shift is to use XY mode.
This involves inputting one signal into the vertical system as
usual and then another signal into the horizontal system. (This
method only works if both signals are sine waves.) This set up is
called an XY measurement because both the X and Y axis are tracing
voltages. The waveform resulting from this arrangement is called a
Lissajous pattern (named for French physicist Jules Antoine
Lissajous and pronounced LEE-sa-zhoo). From the shape of the
Lissajous pattern, you can tell the phase difference between the
two signals. You can also tell their frequency ratio. Figure 6
shows Lissajous patterns for various frequency ratios and phase
shifts.
Gambar 20. Lissajous figure: same frequency, zero degrees phase
shift.
14 of 16
Gambar 21. Lissajous figure: same frequency, 90 or 270 degrees
phase shift.
Gambar 22. Lissajous figure: same frequency, 180 degrees phase
shift.
Gambar 23. Lissajous Patterns (Figure 6)
15 of 16
4.5. Frequency Measurements
Period and frequency are mathematical reciprocals of one
another. That is to say, if a wave has a period of 10 seconds, its
frequency will be 0.1 Hz, or 1/10 of a cycle per second:
The relationship between period and frequency is very useful to
know when displaying an AC voltage or current waveform on an
oscilloscope screen. By measuring the period of the wave on the
horizontal axis of the oscilloscope screen and reciprocating that
time value (in seconds), you can determine the frequency in
Hertz.
Gambar 24. Time period of sinewave is shown on oscilloscope.
16 of 16
