Oszilloskope, Teil XNUMX

Eine Einführung in das komplexe pädagogische Instrument, das vielseitig einsetzbar ist.

In diesem ersten einer zweiteiligen Serie betrachten wir das Oszilloskop als Lehrmittel. Es ist ein wunderbares Tor in die Welt der Elektronik, und es scheint, dass die vielfältigen Schichten der Elementarteilchen-Wechselwirkung, die es offenbaren kann, kein Ende nehmen können.

Wenn man ein neues Oszilloskop aus der Verpackung nimmt, kann die erste Reaktion sein: „Was habe ich mir dabei gedacht? Wie bin ich jemals dazu gekommen? So viele Knöpfe und Knöpfe und endlose kryptische Menüs!“ Aber keine Sorge. Die Bedienungsanleitung, gedruckt oder online, klärt vieles auf und verbleibende Informationslücken verschwinden nach und nach, da zunächst elementare und dann sukzessive komplexere Übungen durchgeführt werden.

Lernziele

Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, sollten Sie Folgendes erfahren haben:
♦ Die Geschichte des Oszilloskops
♦ Die Hauptkomponenten eines Oszilloskop-Displays
♦ Der Zweck der X- und Y-Achsen
♦ Wichtige Innovationen in der Oszilloskopentwicklung
♦ Nachteile der TV-Wandlung und des computerbasierten Oszilloskops

Das moderne digitale Oszilloskop besteht aus Tastköpfen; analoge Kanäle (normalerweise zwei oder vier); Analog-Digital-Umwandlung; Verarbeitung und Gedächtnis; und schließlich ein Display (jetzt überwiegend auf einem Flachbildschirm). Normalerweise gibt es zwei Achsen, X und Y, die sich in der Mitte des Bildschirms schneiden. Ein Lichtfleck bewegt sich vertikal und horizontal über den Bildschirm, um die Kurve zu bilden, die eine grafische Darstellung der am Eingang des Instruments angelegten Spannung ist.

In seiner häufigsten Anwendung ist das Oszilloskop so konfiguriert, dass die Position relativ zur Y-Achse die Spannung und die Position relativ zur X-Achse die Zeit repräsentiert. Die Achsen kreuzen rechtwinklig dazu Linien (sogenannte „Divisionen“), die es ermöglichen, die Spannungshöhe des Signals in bestimmten Zeitabständen abzuschätzen. Die so aufgebaute Spur kann sich bewegen oder statisch sein, aber in jedem Fall vermittelt sie eine immense Menge an Informationen über das untersuchte Signal.

Geschichte

Um die Funktionsweise des Oszilloskops zu verstehen, ist ein Blick auf seine Geschichte lehrreich, insbesondere im Hinblick auf zwei Meilensteine: die Triggerung und den digitalen Speicherbereich. Die ersten Oszilloskope umfassten die Erfassung von Wellenformen durch Messung von Spannungen an verschiedenen Punkten entlang des Umfangs eines sich drehenden Rotors. Eine dauerhafte Aufzeichnung in Form eines grafischen Bildes wurde durch Handzeichnung des Bildes auf Papier erstellt. Unnötig zu erwähnen, dass der Frequenzgang durch die Geschwindigkeit und Ausdauer des/der Künstler(s) begrenzt war.

Nachfolgende Oszilloskop-Innovationen waren inkrementell. Der erste große Durchbruch beinhaltete die Verwendung eines Galvanometers, das einen Stift über einen um eine Trommel gewickelten Papierstreifen bewegte. Es rotierte mit einer konstanten taktgesteuerten Geschwindigkeit, die die Zeitbasis lieferte. Ähnliche nachfolgende Methoden betrafen auch bewegliche Teile, und da diese Maschinen mechanisch (im Gegensatz zu elektronischen) waren, schränkte die Ruheträgheit den Frequenzgang stark ein.

Durchbrüche

Hybridgeräte, bei denen reflektiertes Licht von einem zitternden Spiegel Wellenformen auf Fotopapier erzeugte, steigerten den Frequenzgang des Oszilloskops in den 10er Jahren auf bis zu 1920 kHz. Später in diesem Jahrhundert kamen zwei wesentliche Innovationen auf, die die heute universell verwendeten Oszilloskope ermöglichten.

Die erste davon war Triggering, eingeführt von Howard Vollum und Jack Murdock, den Gründern von Tektronix. 1946 brachten sie das Tektronix Model 511 Triggered-Sweep-Oszilloskop auf den Markt, das eine stabile und kohärente Anzeige einer wiederkehrenden Wellenform ermöglichte. Dieses Hilfsmittel ermöglichte es, dass mehrere Wellenformbilder auf dem Oszilloskopbildschirm zusammenfallen, wodurch die bedeutungslose Lichtunschärfe ersetzt wurde, die aus einer fehlenden Synchronisation resultierte. Ein unveränderlicher Frequenz-Sweep-Eingang war für die Bildstabilität nicht erforderlich.

Die andere bedeutende Entwicklung fand vor den 1980er Jahren statt, als Walter LeCroy, Gründer der LeCroy Corp., das digitale Speicheroszilloskop vorstellte. Ein Analog-Digital-Wandler in Verbindung mit Speicherchips ermöglicht es modernen Oszilloskopen, eine digitale Darstellung jeder Art von elektrischer Wellenform aufzuzeichnen und zu speichern. Diese Entwicklung ermöglichte die Flachbildschirmanzeige. Zusammen mit der effektiven Triggerung hat die Digitalisierung eine Arbeitsplattform geschaffen, die Ingenieuren, Technikern und Studenten immens nützlich ist, um vielfältige elektronische Phänomene zu visualisieren und viele Probleme zu lösen, die in Forschung, Entwicklung und Wartung auftreten.

Zu den Arten

„Elektroniker“ ist ein weit gefasster Begriff und kann den Elektroingenieur einschließen, der neue Innovationen ersinnt, entwirft und möglicherweise auch zur Fehlerbehebung herangezogen wird. Dann gibt es den „Reparaturprofi“, zu dessen Aufgabenbeschreibung die Diagnose und Reparatur defekter elektrischer Systeme und Geräte gehört. Diese Aufgabe kann von sehr einfach (wie das Zurücksetzen eines ausgelösten Schutzschalters oder das Ersetzen eines verschlissenen Netzkabels) bis sehr schwierig (wie die Fehlersuche bei einem Aufzugsantriebsregler, der ohne ersichtlichen Grund in unregelmäßigen Abständen ausfällt) reichen. Eine weitere Kategorie ist der ernsthafte unabhängige Erfinder oder Hobbybastler. Diese Leute reichen von brillanten Innovatoren, die gelegentlich an der Spitze ganz neuer Technologien stehen, bis hin zu wahnhaften Spinnern, die mehr kaputt machen als sie reparieren.

Jede dieser Personen kann stark von der Verwendung eines fortschrittlichen Oszilloskops profitieren. Die traurige Realität ist jedoch, dass ein Spitzeninstrument weit mehr kostet, als sich viele von uns leisten können. (Der teuerste Agilent kostet etwa 500,000 US-Dollar.) Die gute Nachricht ist jedoch, dass Oszilloskope der mittleren Preisklasse wesentlich kostengünstiger sind. Viele Anbieter bieten Finanzierungen an, um Käufer anzuziehen. Es ist nicht schwer vorstellbar, dass die gesteigerte Ertragskraft die Ausgaben begleiten und rechtfertigen wird. Wenn nicht, gibt es andere kostengünstige Optionen, und wir werden sie nacheinander prüfen, beginnend mit der billigsten.

TV

Ein alter tragbarer Schwarz-Weiß-Fernseher kann in ein brauchbares Oszilloskop umgewandelt werden. Der Materialpreis beträgt etwa 1 US-Dollar, vorausgesetzt, ein geeigneter Fernseher ist kostenlos erhältlich und Löt- und Flussmittel, Drähte, Tüllen und Voltmetersonden sind bereits verfügbar.

Denken Sie vor dem Start daran, dass Fernsehgeräte gefährliche Hochspannungen in den Elektrolytkondensatoren ihrer Netzteile enthalten. (Für die Ablenkschaltung, die den Elektronenstrahl von der Mitte des Bildschirms wegbewegen kann, werden hohe Spannungspegel benötigt.) Darüber hinaus kann die Kathodenstrahlröhre (CRT) selbst elektrische Energie speichern. Dann gibt es auch so etwas wie eine verteilte Kapazität im gesamten Satz. Vor Beginn der Arbeiten am Gerät ist das Chassis aus dem Schrank zu entfernen und diese gefährlichen Spannungen auf Erdpotential abzuleiten. Wenn Sie sich bezüglich des Verfahrens nicht sicher sind, rufen Sie einen Fachmann an, der Ihnen in dieser Phase des Projekts hilft. Und denken Sie daran, dass der Entladevorgang wiederholt werden muss, wenn das Gerät wieder mit Strom versorgt wird.

Zwei große Kupferspulen umgeben das Joch der Kathodenstrahlröhre. Sie ermöglichen eine vertikale und horizontale Ablenkung des Elektronenstrahls. (In einem Oszilloskop sind sie Ablenkplatten, aber das Prinzip ist das gleiche.) Verfolgen Sie die Drähte einer dieser Spulen bis zu ihrem Endpunkt an einer Leiterplatte und trennen Sie sie. Bringen Sie das Fernsehgerät in seine Hülle zurück und schalten Sie es ein. Wenn eine horizontale Linie vorhanden ist, wurden die Drähte von der vertikalen Ablenkspule getrennt, und wenn eine vertikale Linie vorhanden ist, wurden die Drähte von der horizontalen Spule getrennt. Entlöten Sie bei Bedarf die vertikale Spule von der Platine und machen Sie die Kabel lang genug, um durch eine Tülle im TV-Schrank zu passen. Diese Drähte werden an die zu messende externe Stromquelle angeschlossen. Trennen Sie dann die horizontalen Spulendrähte von der Leiterplatte und führen Sie sie zu den Anschlüssen der vertikalen Ablenkspulen.

Für ein selbstgebautes Oszilloskop ist nichts weiter erforderlich. Leider ist es im Vergleich zu den von Händlern angebotenen Geräten sehr eingeschränkt. Da es nur Gleichstrom oder eine niederfrequente Wechselstromwellenform anzeigen kann, ist sein Wert auf ein Bildungsprojekt beschränkt.

PC-basiert

Eine andere Art von Oszilloskop ist ein Instrument, das an einen Personal Computer (PC) angeschlossen wird und seine Datenverarbeitungs- und Bildgebungsfähigkeit nutzt, um die Spannung von einer externen Stromquelle oder einem zu testenden Schaltkreis anzuzeigen. Das PC-basierte Oszilloskop (PCO) besteht aus einem spezialisierten Signalerfassungsboard. Es nimmt verschiedene Formen an, typischerweise ein externes USB- oder Parallelport-Gerät. Eine andere Art von PCO besteht aus einer im Computer installierten Karte. Für die Hardware gibt es eine elektrische Schnittstelle, die Isolation und automatische Verstärkungsregelungen bietet, einige Analog-Digital-Wandler und Pufferspeicher oder einen internen digitalen Signalprozessor. Anzeige- und Steuerschnittstellen werden vom Computer bereitgestellt, und aus diesem Grund sind die Kosten eines PCO viel geringer als die eines Oszilloskops in Originalgröße.

Wie zu erwarten ist, hat der PCO-Weg trotz der überraschenden Funktionalität einiger der besseren Instrumente einige erhebliche Nachteile. Der Hauptnachteil besteht darin, dass der Computer eine Quelle für Stromversorgung und elektromagnetisches Rauschen ist. Wenn der PCO bestrebt ist, Signale mit niedrigem Pegel zu untersuchen, kann das Erzielen einer guten Auflösung problematisch sein, was eine umfangreiche Abschirmung erfordert. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass die Übertragungsraten in den Computer sicher durch das schwächste Glied in der Kette begrenzt werden, ein Flaschenhals, der den Verkabelungsmedien innewohnt. Darüber hinaus benötigt der Computer eine Oszilloskop-aktivierende Software, die mit dem Betriebssystem kompatibel sein kann oder nicht. Natürlich haben kompatible Computer in der Regel nicht die hohe Lebenserwartung hochwertiger dedizierter Oszilloskope. Insgesamt ist der PCO als pädagogisches Werkzeug für Bastler und Studenten wertvoll. Es ist nützlich für einige niederfrequente Messungen, aber Geschwindigkeit und Präzision fehlen. Für ernsthafte Forschung und Anlagenwartung ist der PCO eine Idee, die noch nicht gekommen ist (und wahrscheinlich nie kommen wird).

Gebrauchte

Eine weitere kostengünstige Option ist der Kauf eines gebrauchten Oszilloskops. Das Problem dabei ist, dass, selbst wenn das Oszilloskop zu funktionieren scheint, später festgestellt werden kann, dass einige der Funktionen nicht voll funktionsfähig sind. Wenn Sie Teile finden und über das Fachwissen verfügen, um es zu reparieren, ist das in Ordnung, aber wenn eine Neukalibrierung im Werk erforderlich ist, ist es möglicherweise nicht verfügbar. Diese Option wird nicht empfohlen.

New

Schließlich, wenn die Kosten kein Hindernis sind, sollten Sie einen Neukauf in Betracht ziehen. Es gibt zahlreiche Hersteller, von denen einige auf den Low-End-Markt ausgerichtet sind, während andere in Forschung und Entwicklung investiert haben und derzeit investieren, um Qualität und Funktionalität auf höchstem Niveau zu bieten. Die großen Player sind Tektronix, LeCroy und Agilent (vor kurzem in Keysight Technologies ausgegliedert, behalten aber im Wesentlichen die gleiche Produktlinie bei). Diese Anbieter bieten qualitativ hochwertige, sehr fortschrittliche und langlebige Oszilloskope an, die für die kommenden Jahre wertvoll sein sollten.

 Merkmale und Funktionalität

Ein Mixed-Domain-Oszilloskop (MDO) ist in der Lage, elektrische Signale in mehr als einer Domäne anzuzeigen. Die mit einer Funktion verbundene Domäne ist, wie Mathematikstudenten wohl wissen, die Menge der für diese Funktion zulässigen Eingaben. Die Oszilloskopanzeige besteht aus einer horizontalen Linie, der X-Achse, entlang der sich die Eingänge befinden. In der Mitte des Displays schneidet die Y-Achse, entlang der sich die Ausgänge befinden, die X-Achse.

Das häufigste Szenario besteht darin, Zeiteinheiten in Bezug auf die X-Achse anzuzeigen, auf der die unabhängigen Variablen dargestellt werden. Amplitude (Spannung) ist auf die Y-Achse bezogen. Die abhängigen Variablen umfassen verschiedene Amplituden. Die Beziehungen zwischen Punkten auf der X-Achse und Punkten auf der Y-Achse werden durch die Funktion bestimmt.

Manchmal repräsentiert die Domäne (X-Achse) nicht die Zeit. Stattdessen kann es in Bezug auf die Frequenz definiert werden (wobei Y-Werte immer noch Amplitude sind). Dies führt zu einer anderen grafischen Darstellung desselben elektrischen Signals. Es ist möglich, zwischen den beiden Domänen hin und her zu übersetzen, und das Verfahren, um dies zu erreichen, ist als Fourier-Transformation bekannt, die 1822 von Joseph Fourier beschrieben wurde. Das damalige Protokoll war auf nichtelektrische Phänomene wie die Wellenbewegung in einem Gewässer und die akustische Mechanik anwendbar. In unserer Zeit liegt der Schwerpunkt auf der Elektrik.

Die Mathematik zur Durchführung der Fourier-Transformation ist immens komplex, aber Mitte der 1960er Jahre tauchte ein als Fast Fourier Transform (FFT) bekannter Algorithmus auf, der den Prozess stark beschleunigt. Dieses Verfahren ermöglicht es uns, die gleichen Hin- und Her-Übersetzungen zwischen den beiden Domänen mit weniger aufwendigen Berechnungen durchzuführen. Glücklicherweise kann FFT im Handumdrehen durch Drücken einer einfachen Tastenfolge auf einem MDO aufgerufen werden, und ein elektrisches Signal ist sofort in jeder der Domänen zu sehen. Diese Funktionalität ist sehr nützlich, um einen Einblick in das Innenleben vieler Arten von elektronischen Geräten zu Wartungszwecken sowie für Forschung und Entwicklung zu erhalten.

Erdung

Bevor wir ein Tischoszilloskop einschalten oder an ein Signal anschließen, müssen wir uns mit dem Konzept der Erdung sowohl des Instruments als auch des zu untersuchenden Schaltkreises beschäftigen. Wenn dies nicht vollständig verstanden wird, besteht die hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Benutzer irgendwann einen unsachgemäßen Anschluss vornimmt und das Oszilloskop und/oder das zu messende Werk beschädigt oder zerstört.

Als erstes und vor allem muss das Oszilloskop (es sei denn, es handelt sich um ein handgehaltenes, batteriebetriebenes Gerät, das von der Erde isoliert ist) bei jedem Einschalten korrekt geerdet werden. Dieser Erdungsanschluss erfolgt durch Einstecken in eine standardmäßige dreipolige Steckdose mit Geräteerdung. Dies setzt natürlich voraus, dass der Schutzleiter intakt und ordnungsgemäß am Elektroanschluss angeschlossen ist und das Gesamtsystem eine niederohmige Verbindung zur Erde hat. Ein gutes Werkzeug, um zu überprüfen, ob die Verkabelung richtig gepolt (und tatsächlich geerdet) ist, ist der Schaltungsanalysator (Abbildung 2).

Der Zweck der Geräteerdungsverbindung besteht darin, sicherzustellen, dass das Oszilloskop-Chassis, wie bei jedem Werkzeug oder Gerät, nicht aufgrund eines Erdschlusses unter Spannung bleibt, was zu Stromschlaggefahr führt. Zweitens muss das zu prüfende elektrische Gerät entweder vollständig von der Erde isoliert sein oder, wenn es mit Wechselstrom versorgt wird, muss es (wie das Oszilloskop) von zwei Leitern gespeist werden, von denen einer auf Erdpotential liegt. Ist dies nicht der Fall, ist es nicht sicher, das Oszilloskop an das Werkstück anzuschließen.

Darüber hinaus muss die Erdungsreferenzleitung, die Teil der Sonde ist, mit einem Punkt in der zu prüfenden Schaltung verbunden werden, der auf Erdpotential liegt, so dass die Sondenspitze für Kontaktpunkte innerhalb der Schaltung verfügbar bleibt. Es ist wichtig, dass die Signalmasse des zu testenden Schaltkreises und die Masse der Oszilloskopausrüstung, die vom Wechselstromnetz abgeleitet wird, sehr nahe auf demselben Potenzial liegen. Wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind (dh Gleichwertigkeit beider Erdungen und korrekter Anschluss des Erdungsbezugskabels des Oszilloskop-Tastkopfs), tritt ein starker Fehlerstrom auf, der zumindest das Erdungsbezugskabel des Tastkopfs durchbrennt und möglicherweise , das Oszilloskop und/oder das zu prüfende Gerät beschädigen. Dies geschieht sofort, wenn die Massereferenzleitung einen Punkt in der Schaltung berührt, der nicht auf Massepotential liegt. Tatsächlich tritt es sogar auf, bevor die Sondenspitze das Gerät berührt.

Es gibt einige Ausnahmen vom obigen Erdungsprotokoll. Das Oszilloskop kann durch Absägen des Erdungssteckers vom Netzkabel von der Erde getrennt werden. Dieses Hilfsmittel kann zwar die oben genannten Probleme verhindern, verstößt jedoch gegen den National Electrical Code und stellt eine verderbte Gleichgültigkeit gegenüber dem menschlichen Leben dar, da es die Schutzfunktionen der Geräteerdung deaktiviert. Es bereitet die Bühne für eine Katastrophe auf der Straße.

Wie bereits erwähnt, stellt die diskutierte Gefahr kein Problem dar, wenn die Arbeit vollständig von der Erde isoliert ist. Ein offensichtliches Beispiel wäre die Wellenform (eine gerade horizontale Linie) einer 9-V-Batterie. Da keine Seite auf Erdpotential liegt, ist es sicher, das Erdungsreferenzkabel der Sonde entweder mit dem Plus- oder Minuspol zu verbinden.

Ein tragbares, batteriebetriebenes Oszilloskop (Abbildung 3) kann an eine Punkt-zu-Punkt-Verkabelung innerhalb geerdeter elektrischer Geräte angeschlossen werden. Da beide Seiten des Geräts von der Erde isoliert sind, tritt kein gefährlicher Erdschluss auf, unabhängig davon, wie die Sonden angeschlossen sind.

Bei einem geerdeten Tischoszilloskop und der Notwendigkeit, eine Punkt-zu-Punkt-Messung an geerdeten Geräten durchzuführen (wie z. . Differenztastköpfe vereinen die Funktionen von zwei Tastköpfen in einem. Single-Ended-Tastköpfe messen eine Spannung in Bezug auf einen Massepunkt. Im Gegensatz dazu messen Differenztastköpfe die Spannungsdifferenz zwischen zwei Testpunkten. Es gibt nicht das Problem gefährlicher Lichtbögen, die durch den Anschluss des Sondenerdungskabels an eine Signalspannung verursacht werden, die in Bezug auf die Erdungsebene potentialfrei ist. Wichtige Eigenschaften, auf die Sie achten sollten, sind eine hohe Bandbreite, ein großer Dynamik- und Offsetbereich sowie ein geringes Rauschen.

Fazit

In diesem Artikel wurden einige Hintergrundinformationen zu Oszilloskopen untersucht, insbesondere zu deren Entwicklung im letzten Jahrhundert. Im nächsten und abschließenden Artikel dieser Serie werden einige Übungen durchgeführt, die die Verwendung eines Oszilloskops anhand des Tektronix MDO3104 veranschaulichen. Einige einfache Anschlüsse zeigen, wie das Oszilloskop verwendet werden kann, um Wellenformen darzustellen und verschiedene elektronische Phänomene zu veranschaulichen, die für das Multimeter unsichtbar sind.

Fragen zur Lernverstärkung

Verwenden Sie die unten stehenden Fragen zur Lernverstärkung, um für die Weiterbildungsbewertungsprüfung zu lernen, die online unter www.elevatorbooks.com oder auf S. 139 dieser Ausgabe.
♦ Was ist die Hauptgefahr beim Entfernen eines Fernsehers aus seinem Schrank?
♦ Was war der große Beitrag von Tektronix zur Entwicklung des Oszilloskops?
♦ Was war der große Beitrag von LeCroy zur Entwicklung des Oszilloskops?
♦ Was ist ein PCO und was sind einige seiner Nachteile?
♦ Was ist ein MDO?