Osiloskoplar, Birinci Kısım

Çeşitli kullanımları olan karmaşık eğitim aracına giriş.

İki bölümden oluşan bu serinin ilkinde, osiloskopu bir eğitim aracı olarak ele alacağız. Elektronik dünyasına harika bir giriş kapısıdır ve ortaya çıkarabileceği çok sayıda temel parçacık etkileşimi katmanının sonu yok gibi görünmektedir.

Kutudan yeni bir osiloskop alındığında, ilk tepki “Ne düşünüyordum? Kendimi nasıl bu hale getirdim? Pek çok düğme ve düğme ve sonsuz şifreli menüler!” Ama endişelenme. Basılı veya çevrimiçi kullanım kılavuzu, birçok şeyi açıklığa kavuşturur ve kalan bilgi boşlukları, önce temel ve ardından ardışık olarak daha karmaşık alıştırmalar yapıldığından birer birer ortadan kalkar.

Öğrenme hedefleri

Bu makaleyi okuduktan sonra şunları öğrenmiş olmalısınız:
♦ Osiloskopun tarihçesi
♦ Bir osiloskop ekranının temel bileşenleri
♦ X ve Y eksenlerinin amacı
♦ Osiloskop geliştirmede önemli yenilikler
♦ TV dönüştürme ve bilgisayar tabanlı osiloskopun dezavantajları

Modern dijital osiloskop, problardan oluşur; analog kanallar (genellikle iki veya dört); analogdan dijitale dönüştürme; işleme ve bellek; ve son olarak, bir ekran (şimdi ağırlıklı olarak düz ekranda). Tipik olarak, ekranın ortasında kesişen X ve Y olmak üzere iki eksen vardır. Bir ışık noktası, cihazın girişinde uygulanan voltajın grafik bir temsili olan izi oluşturmak için ekran boyunca dikey ve yatay olarak hareket eder.

En yaygın uygulamasında, osiloskop, Y eksenine göre konumun voltajı temsil edeceği ve X eksenine göre konumun zamanı temsil edeceği şekilde yapılandırılır. Eksenleri onlara dik açılarla kesmek, sinyalin voltaj düzeyini belirli zaman aralıklarında ölçmeyi mümkün kılan çizgilerdir ("bölümler" olarak bilinir). Bu şekilde oluşturulan iz, hareketli veya statik olabilir, ancak her iki durumda da, araştırılan sinyal hakkında muazzam miktarda bilgi iletir.

Tarihçe

Osiloskopun nasıl çalıştığını anlamak için, özellikle iki dönüm noktası ile ilgili olarak geçmişine bir göz atmak öğreticidir: tetikleme ve dijital depolama kapsamı. İlk osiloskoplar, dönen bir rotorun çevresi boyunca çeşitli noktalarda voltajların ölçülmesi yoluyla dalga biçimlerinin yakalanmasını içeriyordu. Görüntünün kağıda elle çizilmesi ile grafik görüntü şeklinde kalıcı bir kayıt yapılmıştır. Söylemeye gerek yok, frekans tepkisi sanatçının/sanatçıların hızı ve dayanıklılığı ile sınırlıydı.

Daha sonraki osiloskop yenilikleri artımlı idi. İlk büyük buluş, bir kalemi bir tamburun etrafına sarılmış bir kağıt şeridi boyunca hareket ettiren bir galvanometrenin kullanımını içeriyordu. Zaman tabanını sağlayan sabit bir saat odaklı hızda dönüyordu. Benzer müteakip yöntemler de hareketli parçaları içeriyordu ve bu makineler mekanik (elektronik yerine) olduğu için, dinlenme ataleti frekans tepkisi üzerinde ciddi bir sınır oluşturdu.

buluşlar

Titreyen bir aynadan yansıyan ışığın fotoğraf kağıdı üzerinde dalga biçimi görüntüleri oluşturduğu hibrit ekipman, 10'lerde osiloskop frekans tepkisini 1920 kHz'e kadar yükseltti. O yüzyılın sonlarında, günümüzde evrensel olarak kullanılan osiloskopları mümkün kılan iki önemli yenilik meydana geldi.

Bunlardan ilki, Tektronix'in kurucuları Howard Vollum ve Jack Murdock tarafından tanıtılan tetiklemeydi. 1946'da, tekrarlayan bir dalga formunun istikrarlı ve tutarlı bir görüntüsünü kolaylaştıran Tektronix Model 511 tetiklemeli tarama osiloskopunu çıkardılar. Bu amaç, senkronizasyon eksikliğinden kaynaklanan anlamsız ışık bulanıklığının yerini alarak, osiloskop ekranında birden fazla dalga biçimi görüntüsünün çakışmasına izin verdi. Görüntü kararlılığı için değişmeyen bir frekans tarama girişi gerekli değildi.

Diğer önemli gelişme, 1980'lerden önce, LeCroy Corp.'un kurucusu Walter LeCroy'un dijital depolama osiloskopunu tanıttığı zaman meydana geldi. Bellek yongaları ile bağlantılı bir analogdan dijitale dönüştürücü, çağdaş osiloskopların her türlü elektrik dalga biçiminin dijital bir temsilini kaydetmesine ve saklamasına izin verir. Bu gelişme, düz ekran gösterimini kolaylaştırdı. Etkili tetikleme ile birlikte dijitalleştirme, mühendisler, teknisyenler ve öğrenciler için çeşitli elektronik fenomenleri görselleştirmek ve araştırma, geliştirme ve bakımda ortaya çıkan birçok sorunu çözmek için son derece yararlı bir çalışma platformu yarattı.

Türleri

"Elektronik teknisyeni" geniş bir terimdir ve yeni yenilikleri tasarlayan, tasarlayan ve hata ayıklamak için çağrılabilen elektrik mühendisini içerebilir. Sonra, iş tanımı arızalı elektrik sistemlerini ve ekipmanlarını teşhis etmeyi ve onarmayı içeren "onarım uzmanı" vardır. Bu görev çok basit (atmış bir kesiciyi sıfırlamak veya yıpranmış bir güç kablosunu değiştirmek gibi) ile çok zor (görünürde hiçbir neden olmadan garip aralıklarla kesilen bir asansör hareket kontrol cihazında sorun giderme gibi) arasında değişebilir. Bir diğer kategori ise ciddi bağımsız mucit veya ev hobisi meraklısıdır. Bu kişiler, ara sıra tamamen yeni teknolojilerin ön saflarında yer alan parlak yenilikçilerden, tamir ettiklerinden daha fazlasını bozan hayalperestlere kadar çeşitlilik gösterir.

Bu kişilerden herhangi biri, gelişmiş bir osiloskop kullanarak büyük fayda sağlayabilir. Ancak üzücü gerçek şu ki, birinci sınıf bir enstrüman, çoğumuzun karşılayabileceğinden çok daha pahalıya mal oluyor. (En pahalı Agilent'in fiyatı yaklaşık 500,000 ABD Dolarıdır.) Ancak, iyi haber şu ki orta kademe osiloskoplar çok daha az maliyetlidir. Birçok satıcı, alıcıları çekmek için tasarlanmış finansman sunar. Kişinin artan kazanç gücünün harcamaya eşlik edeceğini ve onu haklı çıkaracağını hayal etmek zor değil. Değilse, başka düşük maliyetli seçenekler de var ve bunları en ucuzdan başlayarak birer birer ele alacağız.

TV

Eski bir siyah beyaz taşınabilir TV, uygun bir osiloskopa dönüştürülebilir. Uygun bir TV'nin ücretsiz olarak bulunabileceğini ve lehim ve akı, tel, rondelalar ve voltmetre problarının zaten mevcut olduğunu varsayarsak, malzemelerin fiyatı yaklaşık 1 ABD dolarıdır.

Başlamadan önce, TV'lerin güç kaynaklarıyla ilişkili elektrolitik kapasitörlerde tutulan tehlikeli yüksek voltajları barındırdığını unutmayın. (Elektron demetini ekranın merkezinden uzaklaştırabilen saptırma devresi için yüksek voltaj seviyelerine ihtiyaç vardır.) Ayrıca, katot ışın tüpünün (CRT) kendisi elektrik enerjisini depolayabilir. O zaman, set boyunca dağıtılmış kapasitans gibi bir şey de var. Set üzerinde çalışmaya başlamadan önce şase kabinden çıkarılmalı ve bu tehlikeli voltajlar toprak potansiyeline deşarj edilmelidir. Prosedürden hiç emin değilseniz, projenin bu aşamasına yardımcı olması için bir profesyoneli arayın. Ve eğer sete yeniden enerji verilirse, boşaltma işleminin tekrarlanması gerekeceğini unutmayın.

İki büyük bakır bobin, katot ışınlı tüp boyunduruğu çevreler. Elektron ışınının dikey ve yatay sapmasını mümkün kılarlar. (Bir osiloskopta bunlar saptırma plakalarıdır, ancak prensip aynıdır.) Bu bobinlerden birinin kablolarını bir devre kartında sonlandıkları yere kadar takip edin ve ayırın. TV'yi kasasına geri koyun ve açın. Yatay hat varsa dikey saptırma bobininden gelen teller, dikey hat varsa yatay bobinden gelen teller çıkarılmıştır. Gerekirse, dikey bobini devre kartından sökün ve kabloları TV kabinindeki grometli bir delikten geçecek kadar uzun yapın. Bu teller ölçülecek dış güç kaynağına bağlanacaktır. Ardından, yatay bobin kablolarını devre kartından ayırın ve bunları dikey saptırma bobini uçlarına taşıyın.

Ev yapımı bir osiloskop için başka bir şeye gerek yoktur. Ne yazık ki, satıcıların sunduğu aletlerle karşılaştırıldığında çok sınırlıdır. Sadece DC veya düşük frekanslı bir AC dalga formu görüntüleyebildiği için değeri bir eğitim projesiyle sınırlıdır.

PC Tabanlı

Başka bir osiloskop türü, bir kişisel bilgisayara (PC) bağlanan, veri işleme ve görüntüleme yeteneğinden yararlanarak test edilen bir dış güç kaynağından veya devreden gelen voltajı gösteren bir araçtır. PC tabanlı osiloskop (PCO), özel bir sinyal toplama kartından oluşur. Genellikle harici bir USB veya paralel bağlantı noktası aygıtı olmak üzere farklı biçimler alır. Başka bir PCO türü, bilgisayara takılı bir karttan oluşur. Donanım için, izolasyon ve otomatik kazanç kontrolleri sağlayan bir elektrik arayüzü, bazı analogdan dijitale dönüştürücüler ve tampon bellek veya dahili bir dijital sinyal işlemcisi vardır. Ekran ve kontrol arayüzleri bilgisayar tarafından sağlanır ve bu nedenle bir PCO'nun maliyeti tam ölçekli bir osiloskoptan çok daha düşüktür.

Beklenebileceği gibi, bazı daha iyi araçların şaşırtıcı işlevselliğine rağmen, PCO yoluna gitmenin bazı önemli dezavantajları vardır. Başlıca dezavantajı, bilgisayarın bir güç kaynağı ve elektromanyetik gürültü kaynağı olmasıdır. PCO düşük seviyeli sinyalleri incelemeye çalışıyorsa, iyi çözünürlük elde etmek sorunlu olabilir ve kapsamlı koruma gerektirebilir. Diğer bir zorluk, bilgisayara aktarım hızlarının, kablolama ortamının doğasında var olan bir darboğaz olan zincirdeki en zayıf halka tarafından kesinlikle sınırlandırılmasıdır. Ek olarak, bilgisayar, işletim sistemiyle uyumlu olabilecek veya olmayabilecek osiloskop etkinleştirme yazılımı gerektirecektir. Tabii ki, uyumlu bilgisayarlar genellikle yüksek kaliteli özel osiloskopların uzun ömür beklentisine sahip değildir. Genel olarak, PCO, hobiler ve öğrenciler için bir eğitim aracı olarak değerlidir. Bazı düşük frekanslı ölçümler için kullanışlıdır, ancak hız ve hassasiyet eksiktir. Ciddi araştırma ve tesis bakımı için PCO henüz gelmemiş (ve muhtemelen asla gelmeyecek) bir fikirdir.

Kullanılmış

Başka bir düşük maliyetli seçenek, kullanılmış bir osiloskop satın almaktır. Buradaki sorun, osiloskop çalışıyor gibi görünse bile sonradan bazı özelliklerin tam olarak işlevsel olmadığı gözlemlenebilir. Parçaları bulabilir ve tamir etme uzmanlığına sahipseniz, sorun değil, ancak fabrikada yeniden kalibrasyon gerektiğinde, mevcut olmayabilir. Bu seçenek önerilmez.

Yeni

Son olarak, maliyet bir engel değilse, yenisini satın almayı düşünün. Çok sayıda üretici var, bazıları düşük kaliteli pazara hizmet verirken, diğerleri en üst düzeyde kalite ve işlevsellik sağlamak için Ar-Ge'ye yatırım yapmış ve şu anda yatırım yapıyor. Büyük oyuncular Tektronix, LeCroy ve Agilent'tir (yakın zamanda Keysight Technologies'e dönüşmüştür, ancak temelde aynı ürün hattını korumaktadır). Bu satıcılar, gelecek yıllar için değerli olması gereken yüksek kaliteli, çok gelişmiş ve dayanıklı osiloskoplar sunar.

 Özellikler ve İşlevler

Karışık alanlı osiloskop (MDO), birden fazla alanda elektrik sinyallerini görüntüleme yeteneğine sahiptir. Matematik öğrencilerinin çok iyi bildiği gibi, bir işlevle ilişkili alan, o işlev için izin verilen girdiler kümesidir. Osiloskop ekranı, girişlerin yerleştirildiği X ekseni olan yatay bir çizgiden oluşur. Ekranın ortasında, çıkışların yer aldığı Y ekseni X ekseniyle kesişir.

En yaygın senaryo, bağımsız değişkenlerin temsil edildiği X eksenine başvurulan zaman birimlerini görmektir. Genlik (voltaj) Y eksenine atıfta bulunur. Çeşitli genlikler bağımlı değişkenleri oluşturur. X eksenindeki noktalar ile Y eksenindeki noktalar arasındaki ilişkiler fonksiyon tarafından belirlenir.

Bazen etki alanı (X ekseni) zamanı temsil etmez. Bunun yerine, frekans cinsinden tanımlanabilir (Y değerleri hala genliktir). Bu, aynı elektrik sinyalinin farklı bir grafik tasvirini yapar. İki alan arasında ileri geri çevirmek mümkündür ve bunu gerçekleştirme prosedürü, 1822'de Joseph Fourier tarafından açıklanan Fourier Dönüşümü olarak bilinir. O zamanki protokol, bir su kütlesindeki dalga hareketi ve akustik mekanik gibi elektriksel olmayan olaylara uygulanabilirdi. Çağımızda, ana odak elektriktir.

Fourier Dönüşümünü gerçekleştirmenin matematiği son derece karmaşıktır, ancak 1960'ların ortalarında, süreci büyük ölçüde hızlandıran Hızlı Fourier Dönüşümü (FFT) olarak bilinen bir algoritma ortaya çıktı. Bu prosedür, daha az külfetli hesaplamalarla iki etki alanı arasında aynı ileri geri çevirileri gerçekleştirmemize izin verir. Neyse ki, bir MDO üzerindeki basit bir dizi düğmeye basılarak FFT anında başlatılabilir ve etki alanlarının herhangi birinde hemen bir elektrik sinyali görülebilir. Bu işlevsellik, Ar-Ge'nin yanı sıra bakım amacıyla birçok elektronik ekipmanın iç işleyişine ilişkin bilgi edinmede çok yararlıdır.

topraklama

Tezgah tipi bir osiloskopu bir sinyale açmadan veya bağlamadan önce, hem enstrümanı hem de incelenen devreyi topraklama konsepti hakkında biraz ayrıntıya girmemiz gerekir. Bu tam olarak anlaşılmazsa, kullanıcının sonunda uygunsuz bir bağlantı kurması ve osiloskopa ve/veya ölçülen işe zarar vermesi veya tahrip etmesi olasılığı yüksektir.

İlk ve en temel olarak, osiloskop (topraktan izole edilmiş el tipi, pille çalışan tip olmadığı sürece) her çalıştırıldığında doğru şekilde topraklanmalıdır. Bu toprak bağlantısı, ekipman topraklaması olan standart üç uçlu bir prize takılarak gerçekleştirilir. Bu, elbette, ekipman-topraklama iletkeninin sağlam olduğunu ve elektrik hizmetinde düzgün şekilde bağlı olduğunu ve genel sistemin toprakla düşük empedanslı bir bağlantısı olduğunu varsayar. Kablolamanın doğru şekilde kutuplandığını (ve aslında topraklandığını) doğrulamak için iyi bir araç devre analizörüdür (Şekil 2).

Ekipman-topraklama bağlantısının amacı, herhangi bir alet veya cihazda olduğu gibi osiloskop şasisinin, bir toprak arızası nedeniyle bir şok tehlikesine neden olacak şekilde enerjili kalmamasını sağlamaktır. İkinci olarak, test edilen elektrikli ekipman ya topraktan tamamen izole edilmiş olmalı ya da şebekeden türetilen AC gücüyle besleniyorsa, (osiloskop gibi) biri toprak potansiyelinde olan iki iletken tarafından güçlendirilmelidir. Bunlardan biri yoksa osiloskopu işe bağlamak güvenli değildir.

Ayrıca, sondanın parçası olan toprak referans kablosu, test edilen devrede, toprak potansiyelinde olan bir noktaya bağlanarak, prob ucunu devre içindeki temas noktalarına açık bırakmalıdır. Test edilen devrenin sinyal topraklamasının ve AC şebekesinden türetilen osiloskop ekipman topraklamasının aynı potansiyele çok yakın olması önemlidir. Bu koşullar karşılanmazsa (yani, her iki toprağın eşdeğeri ve osiloskop sondası toprak referans kablosunun doğru şekilde bağlanması), en azından sonda toprak referans ucunu yakacak ve belki de , osiloskopa ve/veya test edilen ekipmana zarar verin. Bu, toprak referans kablosu devrede toprak potansiyelinde olmayan bir noktaya temas ettiğinde anında gerçekleşir. Aslında, prob ucu ekipmana temas etmeden önce bile gerçekleşecektir.

Yukarıdaki topraklama protokolünün bazı istisnaları vardır. Osiloskop, güç kablosundan toprak fişi kesilerek topraktan izole edilebilir. Bu çare, yukarıda bahsedilen sorunları önlemek için işe yarasa da, Ulusal Elektrik Yasasına aykırıdır ve ekipman topraklamasının koruyucu işlevlerini devre dışı bıraktığı için insan yaşamına aykırı bir kayıtsızlık oluşturur. Yolda felaket için zemin hazırlar.

Daha önce de belirtildiği gibi, çalışma zeminden tamamen izole edildiğinde, tartışılan tehlike bir sorun değildir. Açık bir örnek, 9 V'luk bir pilin dalga biçimi (düz yatay bir çizgi) olacaktır. Her iki taraf da toprak potansiyelinde olmadığından, probun toprak referans ucunu pozitif veya negatif kutba bağlamak güvenlidir.

Taşınabilir bir el tipi, pille çalışan osiloskop (Şekil 3), topraklanmış elektrikli ekipman içindeki noktadan noktaya kablolara bağlanabilir. Enstrümanın her iki tarafı topraktan izole edildiğinden, probların hangi şekilde bağlandığına bakılmaksızın tehlikeli bir toprak arızası olmayacaktır.

Tezgah tipi topraklanmış bir osiloskop ve topraklanmış ekipman üzerinde noktadan noktaya ölçüm yapma ihtiyacı ile (değişken frekanslı bir sürücünün DC bara voltajının ölçülmesi gibi), bir diferansiyel prob kullanılmasına izin verilir (Şekil 4) . Diferansiyel problar, iki probun işlevlerini bir arada birleştirir. Tek uçlu problar, bir toprak noktasına referansla bir voltajı ölçer. Buna karşılık, diferansiyel problar, iki test noktası arasındaki voltaj farkını ölçer. Prob topraklama kablosunun yer düzlemine göre yüzen bir sinyal voltajına bağlanmasından kaynaklanan tehlikeli ark parlaması sorunu yoktur. Aranacak önemli özellikler, yüksek bant genişliği, geniş dinamik ve ofset aralığı ve düşük gürültüdür.

Sonuç

Bu makale, osiloskoplar hakkında, özellikle geçtiğimiz yüzyılda geliştirdikleri bazı arka plan bilgilerini incelemiştir. Bu serinin bir sonraki ve sonuç makalesinde, Tektronix MDO3104'e referansla bir osiloskop kullanımını gösteren bazı alıştırmalar yapılacaktır. Birkaç basit bağlantı, osiloskopun dalga biçimlerini göstermek ve multimetre tarafından görülmeyen çeşitli elektronik olayları göstermek için nasıl kullanılabileceğini gösterecektir.

Öğrenme-Takviye Soruları

www.elevatorbooks.com veya sf.139'de çevrimiçi olarak bulunan Sürekli Eğitim Değerlendirme Sınavına çalışmak için aşağıdaki öğrenme-pekiştirme sorularını kullanın. Bu konunun XNUMX.
♦ Bir TV'yi kabininden çıkarmanın başlıca tehlikesi nedir?
♦ Tektronix'in osiloskopun gelişimine büyük katkısı neydi?
♦ LeCroy'un osiloskopun gelişimine büyük katkısı neydi?
♦ PCO nedir ve dezavantajları nelerdir?
♦ MDO nedir?