METc_Curs_4

Măsurări în Electronică şi Telecomunicaţii

www.comm.pub.ro

2. Osciloscopul

2.5 Canalul Y


Caracteristici şi performanţe ale canalului Y

Caracteristica de frecvenţă Amplificarea în tensiune a canalului Y:

A0 – amplificarea în tensiune la frecvenţe joase. ω0 – pulsaţia de tăiere a osciloscopului.

( ) 0 0

0

A ωj

j ωA ω

ω=

+

0

0 min

1

y y

AS C

=



Caracteristica de frecvenţă

A(jω) – funcţie complexă. |A(jω)| – caracteristică amplitudine-frecvenţă. φ(ω) – caracteristică fază frecvenţă.

( ) 0 0

0

A ωj

j ωA ω

ω=

+( ) ( )j

jA eϕ ω

ω=



Cum variază amplificarea odată cu creșterea frecvenței?

Se consideră A0 şi ω0 cunoscute. ω<< ω0 ω>> ω0 ω = ω0.

( ) 0 0

0

A ωj

j ωA ω

ω=

+

( )

0

0

2

2

Aj

1ω

A ωω

=

+



Caracteristica amplitudine frecvenţă a canalului Y în decibeli:

ω<<ω0 ω>>ω0 ω = ω0.

( ) ( )1020logdB

A j A jω ω=

0

2

10 0 10 220log 10log 1A

ω

ω

= − +

Caracteristica amplitudine frecvenţă a canalului Y în decibeli:



|A(jω)|[dB]

ω0 ω

A0 = 0dB

-3dB



Banda osciloscopului (banda la 3dB) - reprezintă domeniul de frecvenţe în care semnalele vizualizate suferă modificări minime.

Frecvenţa la 3dB (la -3dB) – este frecvenţa la care |A(jω)| scade cu 3 dB faţă de valoarea maximă.

03 0

2dBf f

ω

π= =



Răspunsul la impuls treaptă În mod ideal, aplicând la intrare o treaptă ar trebui să

rezulte la ieşire tot o treaptă, având o anumită întârziere şi o modificare a amplitudinii faţă de cea de la intrare.

AI

t

AO

t

t0



În realitate apar două elemente de distorsiune. Existenţa unor oscilaţii amortizate în vecinătatea

tranziţiei. Tranziţia între cele două nivele nu se mai face

instantaneu ci într-un timp numit durata frontului tf.

AO

t

AI

t



2 1ft t t= −

y(t)

x(t)=σ(t)

1

A0

0,9A0

0,1A0

t1 t2 t t



y(t)

A0

0,9A0

0,1A0

t1 t2 t

1

0

1 1ln

0,9t

ω⇒ =

2

0

1 1ln

0,1t

ω⇒ =

0 0

1 2,2ln9ft

ω ω= =

0

0,35ft

f=



Dacă semnalul aplicat la intrare nu este o treaptă perfectă, ci are o durată a frontului ts , durata frontului vizualizat se aproximeaza cu: Dacă măsurarea făcută este valabilă fără a

face această corecţie, adică

Dacă însă tv şi ts sunt comparabili, pentru calculul lui ts trebuie aplicată formula inițială

2 2

v s ft t t= +

v ft t>>

v st t≅



Impedanţa de intrare Are o componentă rezistivă

şi una capacitivă. În mod frecvent,

La frecvenţe mici componenta capacitivă poate fi neglijată.

La frecvenţe mari componenta capacitivă tinde să şunteze componenta rezistivă şi impedanţa de intrare devine puternic dependentă de frecvenţă.

Ri Ci

1 , 10 80i i

R M C pF= Ω = ÷


Cy [V/div] Cy POZ Y

Y INV

ACY PAY CC

YA

YB

ADY

SINCRCC

GND

CA

Blocurile funcţionale ale canalului Y

Comutatorul modurilor de cuplaj (CC, CA, GND) Atenuatorul calibrat (ACY) Preamplificatorul canalului Y (PAY) Comutatorul de canale (CC) Amplificatorul de deflexie pe verticală (ADY)



Atenuatorul calibrat (ACY) permite modificarea în trepte calibrate a coeficientului

de deflexie pe verticală. astfel, se obţine o relaţie cunoscută între dimensiunea

imaginii pe ecran şi valoarea tensiunii de la intrare.

ACY TK ADY

yMAX

UyMAX

YA



Atenuatorul calibrat Ex: UyMAX = CyMINnyMAX = 40mV. Semnalul de intrare are amplitudinea:

U = 40 mV, Cy=10mV/div ny = 4 div

ACY TK ADY

yMAX

UyMAX

YA

Cy=10mV/div

1/1

U = 40 mV 40mV



Atenuatorul calibrat Ex: UyMAX = 40mV yMAX = 4 div. Semnalul de intrare are amplitudinea:

U = 40 mV, Cy=10mV/div ny = 4 div U = 20 mV, Cy=10mV/div ny = 2 div

ACY TK ADY

yMAX

UyMAX

YA

Cy=10mV/div

1/1

U = 20 mV 40mV




U = 0.1 V, Cy=10mV/div ny = 10 div > Ny

ACY TK ADY

yMAX

UyMAX

YA

Cy=10mV/div

1/1

U = 100 mV 40mV




U = 0.1 V, Cy=50mV/div ny = 2 div

ACY TK ADY

yMAX

UyMAX

YA

Cy=50mv/div

1/5

U = 100 mV 40mV




U = 4 V, Cy=1V/div ny = 4 div

ACY TK ADY

yMAX

UyMAX

YA

Cy=1V/div

1/100

U = 4V 40mV



Atenuatorul calibrat Dacă se doreşte realizarea unui atenuator cu treptele

Cy=10-20-50-100-200-500 mV/div, 1-2-5 V/div, vor fi necesare atenuările din tabel.

Cy 10 mV/div

20 mV/div

50 mV/div

100 mV/div

200 mV/div

500 mV/div

1 V/div

2 V/div

5 V/div

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


Atenuatorul calibrat


Se pot utiliza doar patru atenuatori elementari, cu atenuările 1/2, 1/5, 1/10, 1/100 conectaţi în mod convenabil în cascadă, când este necesar.

De exemplu, atenuarea 1/50 se poate realiza conectând în cascadă un atenuator 1/10 cu unul 1/5.

1/10

1/100

1/2

1/5

YA PAY


www.comm.pub.ro/curs/metc

2. Osciloscopul

Atenuatorul compensat



Atenuatorul = un divizor rezistiv R1 şi R2 ; Sarcină impedanţa de intrare în preamplificator Zip(ω).

1U R2

R1

Rip Cip 2U

( )( )

( )22

1 1 2

ip

ip

R ZUH

U R R Z

ωω

ω= =

+



Evident, deoarece Zip(ω) scade cu frecvenţa din cauza componentei capacitive, şi H(ω) va avea o tendinţă de scădere.

Pentru a compensa această tendinţă se poate introduce un condensator C1 în paralel cu R1, care să favorizeze trecerea frecvenţelor înalte.

Ca Cb U2 Rb

U1

Ra



Ca Cb U2 Rb

U1

Ra

( )( )

( ) ( )2

1

b

a b

U ZH

U Z Z

ωω

ω ω= =

+



Ca Cb U2 Rb

U1

Ra

( )1

||a a

a

Z Rj C

ωω

=

( )1

|| ,1 1

b bb b b b b

b b b b

R RZ R R C

j C j R C jω τ

ω ω ωτ= = = =

+ +

1

a

a a

R

j R Cω=

+,

1

aa a a

a

RR C

jτ

ωτ= =

+



La frecvenţe joase

( )( )

( )2

1

1b a

a b a b b a

U R jH

U R R j R R

ωτω

ω τ τ

+= = =

+ + +

1

1

b a

a b a b b a

a b

R j

R R R Rj

R R

ωτ

τ τω

+=

+ ++

+

( )0 b

a b

RH k

R R= =

+



Este de dorit ca funcţia de transfer să nu depindă de frecvenţă, ceea ce se întâmplă dacă

ceea ce implică

( )1

1

b a

a b a b b a

a b

R jH

R R R Rj

R R

ωτω

τ τω

+=

+ ++

+

a b b aa

a b

R R

R R

τ ττ τ

+= =

+

a bτ τ τ= =



Aceasta este condiţia de compensare perfectă a atenuatorului.

Atenuarea este constantă cu frecvenţa, răspunsul atenuatorului la un semnal complex nu este

distorsionat.

În cazul în care , atenuarea nu mai este constantă cu frecvenţa

erori în măsurarea amplitudinii unor semnale sinusoidale. semnalele cu o formă mai complexă vor fi distorsionate.

a bτ τ τ= =

a bτ τ≠



EXEMPLU: răspunsul atenuatorului compensat la semnalul treaptă va fi tot un impuls treaptă ponderat cu valoarea k,

t

x(t) = σ(t)

1

t

y(t)

τb=τa - compensat

( ) ( )x t tσ=

( ) ( )y t k tσ=



Când nu se îndeplinește condiția de compensare perfectă, semnalul de la ieşirea atenuatorului este distorsionat.

τb > τa – atenuator subcompensat.

t

x(t) = σ(t)

1

t

y(t)

τb=τa - compensat

τb>τa - subcompensat



Când nu se îndeplinește condiția de compensare perfectă, semnalul de la ieşirea atenuatorului este distorsionat.

τb > τa – atenuator subcompensat. τb < τa – atenuator supracompensat.

τb>τa - subcompensat

t

x(t) = σ(t)

1

t

y(t)

τb=τa - compensat

τb<τa - supracompensat



EXEMPLU: În figură sunt prezentate imaginile care se obţin pe ecranul osciloscopului, când la intrarea sa se aplică un semnal dreptunghiular periodic, în cele trei cazuri în care se poate afla atenuatorul, din punctul de vedere al condiţiei de compensare.

Atenuator

compensat

Atenuator

subcompensat

Atenuator

supracompensat



Preamplificatorul canalului Y – Realizează o bună parte din funcţiunile specifice canalului Y: realizează o primă amplificare a semnalului de la

ieşirea atenuatorului face trecerea de la intrarea asimetrică la ieşire

simetrică (diferenţială) necesară pentru sistemul de deflexie;

asigură o impedanţă de intrare mare (Rin=1MΩ, Cin=10÷80pF);

asigură protecţia la supratensiuni aplicate pe borna de intrare;



Comutatorul de canale Este necesar în cazul în care osciloscopul are mai

multe canale (posibilitatea de a afişa simultan mai multe semnale, cel mai frecvent două).

În acest caz, dacă osciloscopul nu are decât un singur fascicol de electroni, nu pot fi afişate mai multe imagini simultan.



Modul alternat Modul comutat

Modul ALT

Cursa n+1

Cursa n

Modul CHOP

Cursa n

Cursa n


www.comm.pub.ro/curs/metc

2. Osciloscopul

2.5 Sistemul de sincronizare şi baza de timp


Caracteristici generale

Funcţionarea în modul Y(t) în acest caz osciloscopul reprezintă variaţia în timp a

semnalului de intrare.

(x,y)

nx

ny

( )y y yu t n C=

x xt n C=


Poziţionarea spotului pe orizontala

Funcţionarea în modul Y(t) Deplasarea spotului pe verticală: Deplasarea spotului pe orizontală: Cerinţe:

viteză constantă de deplasare a spotului parcurgerea întregului ecran revenirea la începutul ecranului după terminarea unei curse

( )yu t

( )xu t

t

( )xu t

dt it


Tensiunea generată de baza de timp

tx – intervalul de timp corespunzător întregii axe orizontale gradate. Nx = 10 div. Cx - coeficientul de deflexie pe

orizontală

td – durata cursei directe

(osciloscop analogic)

ux(t)

td t

tx

(1,1 1,2)d x xt N C= ÷ ⋅

x x xt N C= ⋅


Reglajele bazei de timp

Coeficientul de deflexie pe orizontală Cx exprimat în secunde (milisecunde, microsecunde,

nanosecunde)/diviziune.

Pot fi trei moduri de reglaj: În trepte fixe (ex: 1ms/div, 0,5ms/div, 20µs/div) Continuu (necalibrat) Extensie pe X (de obicei în treptele x5, x10, x50)


Aplicarea extensiei pe X (x10) este echivalentă cu reducerea lui Cx cu factorul de multiplicare x10.




Poziţia pe orizontală (POZ X sau ↔) se realizează prin însumarea unei

componente continue reglabile peste tensiunea liniar variabilă.

poate fi folosit pentru aducerea unui anumit element al imaginii în dreptul unei gradaţii a ecranului în vederea măsurării unui interval de timp.


Sincronizarea osciloscopului

Osciloscopul fără memorie este cel mai frecvent utilizat pentru vizualizarea unor semnale repetitive, periodice.

Osciloscopul va capta şi afişa segmente de durată limitată (cadre):

Cadrul n+2

Cadrul n

Cadrul n+1

Ts



Durata cadrelor tv (fereastra de timp vizualizată) osciloscopul digital: osciloscopul analogic:

ta = timpul de aşteptare

tv

v xt t=

( )1,1 1,2v x x

t N C= ÷

Cadrul n+2

Cadrul n

Cadrul n+1

ta



Pentru a avea o imagine stabilă pe ecran, ar trebui ca toate aceste cadre să fie identice.

În acest caz, se spune că imaginea este sincronizată.

Cadrele succesive vor fi şi ele periodice Tv perioada cadrelor sau perioada de vizualizare.

Tv



Dacă semnalul are perioada Ts , în situaţia în care sincronizarea a fost realizată, avem relaţia:

De exemplu: k=2

Tv

,v sT kT k N= ∈

Ts Ts



Realizarea condiţiei de sincronizare, depinde de reglarea lui Tv

tv este dependent de coeficientul de deflexie Cx. pentru realizarea sincronizării poate fi utilizat doar

timpul de aşteptare ta.

,v sT kT k N= ∈

v v aT t t= +

tv ta

Tv



Pentru sincronizare, vizualizarea semnalului trebuie să înceapă întotdeauna în acelaşi punct corespunzator perioadei semnalului.

Pentru aceasta osciloscopul dispune de câteva elemente de reglaj: Nivelul de declanşare (sau pragul triggerului, marcat

de obicei prin LEVEL) – Up

Frontul semnalului de sincronizare pe care are loc declanşarea (marcat prin SLOPE).



Condiţia de declanşare a triggerului: Declanşarea se produce în momentul când semnalul atinge nivelul Up pe frontul precizat (+ crescător sau – scăzător).

Triggerul din sistemul de sincronizare al osciloscopului este un circuit care generează un impuls, numit impuls syncro (Sy), când sunt îndeplinite condiţiile anterioare

FRONT +

Up Up

Sy Sy

FRONT -



EXEMPLU Se dă un semnal sinusoidal de frecvenţă f=1kHz şi

amplitudine A=2V. Să se reprezinte imaginea care apare pe ecranul unui osciloscop analogic dacă acesta are următoarele reglaje: Cx=0,5ms/div, Cy=1V/div, Up=1V, front pozitiv. Se consideră ta>0.



Perioada semnalului este

Cx=0,5ms/div pe ecran vor fi afişate 5 perioade ale semnalului. Amplitudinea exprimată în diviziuni va fi:

Deoarece pragul triggerului Up = 1V, afişarea va începe când nivelul semnalului atinge 1V pe front pozitiv.

11T ms

f= =

[ ][ ]

2/

y

y

A Vn div

C V div= =

5v x x

t N C ms= =



A=2V 1V

u(t)

t

ta tv=5ms tv

Osciloscop analogic Cy=1V/div

Cx=0,5ms/div

Up=1V



A=2V 1V

u(t)

t

Osciloscop digital Cy=1V/div

Cx=0,5ms/div

ta tv tv/2 tv/2

Up=1V



Reglajul timpului de reţinere, tRET (HOLDOFF)

ta

Cadrul n+2

Cadrul n

Cadrul n+1

tv

RET

Sy

RETt RET

t



Daca tRET e ales incorect -> desincronizarea osc.

ta

Cadrul n+2

Cadrul n

Cadrul n+1

tv

RET

Sy

RETt



a) imagine nesincronizată

Prima afişare

A doua afişare

b) imagine sincronizată

Prima afişare

A doua afişare


Moduri de lucru ale bazei de timp

A. După modul în care se face declanşarea bazei de timp

Declanşat (Normal - NORM) O nouă cursă începe numai când există semnal de

sincronizare şi acesta îndeplineşte condiţiile de prag şi de front ale triggerului.

În absenţa semnalului de sincronizare nu există “desfăşurare” – afişare pe ecran.



Automat (AUTO) Desfăşurarea are loc şi în absenţa semnalului. În acest caz dacă semnalul de sincronizare nu este

găsit, după un anumit interval de timp este declanşată automat afişarea obţinându-se o imagine nesincronizată.

Dacă semnalul există, el este cel care declanşează baza de timp.



Automat (AUTO) Acest mod este util deoarece ne permite sa

constatăm existenţa semnalului chiar dacă nu avem sincronizare (în caz contrar nu ştim care este cauza absenţei semnalului de pe ecran: lipsa lui sau lipsa sincronizării).

Este util de asemenea pentru reglarea nivelului de zero (când suntem pe modul de cuplare GND, nivelul de zero apare doar în modul AUTO).



B. După modul de succedare a desfăşurărilor Desfăşurare continuă (CONT)

Cursa se reia automat după trecerea timpului de reţinere, când sunt din nou îndeplinite condiţiile de declanşare.

MONO Este afişată o singură cursă, la acţionarea unui buton

de armare (RESET). Acest mod de lucru este util în cazul osciloscoapelor

cu memorie, când se doreşte achiziţia semnalului într-o singură trecere.



C. În funcţie de semnalul folosit pentru sincronizare

Sincronizare internă Se foloseşte pentru sincronizare semnalul furnizat de

preamplificatorul canalului Y. Dacă osciloscopul are două canale putem avea mai

multe cazuri de sincronizare internă

CH1 – sursa de sincronizare este luată de pe canalul 1

CH2 - sursa de sincronizare este luată de pe canalul 2.



VERT MODE – semnalul de sincronizare este luat alternativ de pe canalul 1 respectiv canalul 2 în modul de vizualizare ALT. În modul CHOP sursa de sincronizare este dată de suma semnalelor de pe cele două canale.

Sincronizare externă Se foloseşte pentru sincronizare semnalul aplicat la

borna TRG EXT.



EXEMPLU: Semnalele periodice din figură se aplică pe intrarea Y respectiv la intrarea TRG EXT a unui osciloscop cu bază de timp simplă. Reglajele osciloscopului sunt: Up = 0,5V; Front = – ; tRET = 0,1ms;

Cx = 0,1ms/div; Cy = 0,5V/div, sincronizare externă.

La momentul iniţial a trecut intervalul de reţinere şi se aşteaptă declanşarea bazei de timp.

u2[V]

u1[V]

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 t[ms]

2

1

-1

-2

1



a) Să se deseneze imaginea care apare pe ecran. Discuţie. Semnalul de sincronizare va fi u2

La momentul tStart=0,1 ms semnalul u2 atinge valoarea Up=0,5V pe front negativ => impulsul de sincronizare

La declanşarea cursei directe, semnalul u1 are valoarea 1V

Durata cursei directe este: tx=NXCx=1 ms

şi se termină la momentul tStop=tStart+tx=1,1 ms

UP=0,5V

tStart=0,1

Declanşare BT

tStop=1,1

u2[V]

u1[V]

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 t[ms]

2

1

-1

-2

1



în intervalul 1,1ms–1,2ms este activ semnalul de reţinere. După momentul t = 1,2ms semnalul de reţinere este dezactivat şi se

aşteaptă generarea impulsului de pornire a bazei de timp.

La momentul t = 1,3ms se va declanşa baza de timp

Semnalul u1(t) are la acest moment valoarea –1V => imaginea obţinută nu este sincronizată

La următoarele curse semnalul va repeta cursa 1 respectiv cursa 2, alternativ

UP=0,5V

tStart=0,1

Declanşare BT

tStop=1,1 tRET

Declanşare BT

cursa 2 u2[V]

u1[V]

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 t[ms]

2

1

-1

-2

1



Imaginea obţinută

Cursele 1,3,5…

Cursele 2,4,6…

UP=0,5V

tStart=0,1

Declanşare BT

tStop=1,1 tRET

Declanşare BT

cursa 2 u2[V]

u1[V]

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 t[ms]

2

1

-1

-2

1



b) Dacă u1, u2 se aplică la intrarea YA(CH1) respectiv YB(CH2) a unui osciloscop cu două canale să se reprezinte imaginea care apare pe ecran pentru cele 3 poziţii ale comutatorului de sincronizare: CH1, CH2, VERTICAL MODE. Forma de vizualizare se consideră ALT (alternativ). Reglajele bazei de timp rămân cele de la punctul

anterior. CyA=CyB=0,5 V/div.



1) Sincronizarea dupa CH1 (semnalul u1)

u2

u1

u2[V]

u1[V]

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 t[ms]

2

1

-1

-2

1

UP=0,5V



2) Sincronizarea după CH2 (semnalul u2)

u2

u1

u2[V]

u1[V]

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 t[ms]

2

1

-1

-2

1

UP=0,5V



3) În modul ALT semnalele sunt afişate alternativ pe ecranul osciloscopului, dar, datorită vitezei mari de alternare, utilizatorul are senzaţia că apar simultan pe ecran.

Pentru poziţia VERTICAL MODE sincronizarea se face după semnalul de la intrarea 1 (CH1), când pe ecran se afişează semnalul de la această intrare, şi după semnalul de la intrarea 2 (CH2), când pe ecran se afişează semnalul de la intrarea 2.



3) VERTICAL MODE

u2

u1

u2[V]

u1[V]

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 t[ms]

2

1

-1

-2

1



EXEMPLU: Să se reprezinte tensiunea generată de baza de timp pentru două valori ale coeficientului de deflexie pe orizontală: Cx1 = 0,1ms/div, Cx2 = 0,25ms/div.

Se cunosc Uxmax = 0,04V,, durata cursei inverse ti =0,1ms şi timpul de aşteptare ta = 0,2ms.

La momentul iniţial are loc declanşarea bazei de timp.

Documents

METc_Curs_4