Typy oscyloskopów
To jest podrozdział artykułu Oscyloskop , w którym bardziej szczegółowo omówiono różne typy i modele oscyloskopów.
Oscyloskopy cyfrowe
Podczas gdy urządzenia analogowe wykorzystują stale zmieniające się napięcia, urządzenia cyfrowe wykorzystują liczby binarne, które odpowiadają próbkom napięcia. W przypadku oscyloskopów cyfrowych do zamiany mierzonych napięć na informacje cyfrowe służy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC). Przebiegi są traktowane jako seria próbek. Próbki są przechowywane i gromadzone do momentu pobrania wystarczającej liczby próbek do opisania kształtu fali, które są następnie ponownie składane w celu wyświetlenia. Technologia cyfrowa umożliwia wyświetlanie informacji z jasnością, przejrzystością i stabilnością. Istnieją jednak ograniczenia, jak w przypadku każdego oscyloskopu. Najwyższa częstotliwość, z jaką może pracować oscyloskop, jest określona przez analogową szerokość pasma przednich komponentów instrumentu i częstotliwość próbkowania.
Oscyloskopy cyfrowe można podzielić na dwie podstawowe kategorie: cyfrowe oscyloskopy z pamięcią i cyfrowe oscyloskopy próbkujące. Nowsze warianty obejmują oscyloskopy komputerowe (które podłącza się do komputera w celu przetwarzania i wyświetlania danych) oraz oscyloskopy sygnałów mieszanych (które oprócz pomiaru napięcia wykorzystują inne funkcje).
Cyfrowy oscyloskop z pamięcią
Cyfrowy oscyloskop z pamięcią , w skrócie DSO , jest obecnie preferowanym typem w większości zastosowań przemysłowych. Zamiast kineskopów z pamięcią masową , OSD używają pamięci cyfrowej , która może przechowywać dane tak długo, jak jest to wymagane, bez degradacji. Cyfrowy oscyloskop z pamięcią umożliwia również złożone przetwarzanie sygnału przez szybkie cyfrowego przetwarzania sygnału .
Wejście pionowe jest przetwarzane na postać cyfrową przez przetwornik analogowo-cyfrowy w celu utworzenia zestawu danych, który jest przechowywany w pamięci mikroprocesora . Zbiór danych jest przetwarzany, a następnie przesyłany do wyświetlacza, który we wczesnych DSO był kineskopem, a dziś jest LCD . DSO z kolorowymi wyświetlaczami LCD są powszechne. Zestaw danych próbkowania może być przechowywany w pamięci wewnętrznej lub wymiennej lub przesyłany przez sieć LAN lub USB do przetwarzania lub archiwizacji. Obraz ekranu można również zapisać w pamięci wewnętrznej lub wymiennej albo wysłać do wbudowanej lub podłączonej zewnętrznie drukarki, bez potrzeby stosowania kamery oscyloskopowej. Własne oprogramowanie do analizy sygnału oscyloskopu może wyodrębnić wiele przydatnych cech w dziedzinie czasu (np. telekomunikacja, analiza dysków i energoelektronika.
Oscyloskopy cyfrowe są ograniczone głównie wydajnością analogowych obwodów wejściowych, czasem trwania okna próbkowania i rozdzielczością częstotliwości próbkowania. Gdy nie stosuje się próbkowania w czasie równoważnym, częstotliwość próbkowania powinna być wyższa niż częstotliwość Nyquista , która jest dwukrotnością częstotliwości składowej o najwyższej częstotliwości obserwowanego sygnału, w przeciwnym razie wystąpi aliasing .
Zalety w stosunku do oscyloskopu analogowego to:
- Jaśniejszy i większy wyświetlacz z kolorowym rozróżnieniem wielu śladów
- Prosta, jednorazowa akwizycja danych do pamięci bez problemów związanych z kineskopami typu Storage
- Znacznie bardziej wszechstronne wyzwalacze
- Brak ukrywania się szumu w półmroku luminoforu, jak to bywa w oscyloskopach analogowych
- Sygnał wejściowy nie jest po prostu przekształcany w linię na ekranie, ale jest dostępny jako przykładowe dane, które można przechowywać lub dalej przetwarzać (np. za pomocą narzędzi pomiarowych i analitycznych dostarczanych z oscyloskopem).
- Uśrednianie kolejnych próbek lub skanów, a także określone tryby HiRes, które działają poprzez nadpróbkowanie, mogą prowadzić do wyższej rozdzielczości pionowej
- Wszechstronne funkcje pomiarowe i analityczne ułatwiają gromadzenie wszystkich istotnych właściwości sygnału
- Wykrywanie szczytów w celu znalezienia określonych zdarzeń przy długich ustawieniach podstawy czasu na oscyloskopach cyfrowych z małą pamięcią (mniej istotne, ponieważ nowsze oscyloskopy są teraz wyposażone w duże pamięci, które utrzymują częstotliwość próbkowania na wystarczająco wysokim poziomie nawet przy bardzo długich ustawieniach podstawy czasu)
- Łatwe przesuwanie i powiększanie
- Zdalne sterowanie przez USB , Ethernet lub GPIB
Wadą starszych oscyloskopów cyfrowych jest ograniczona częstotliwość aktualizacji przebiegu (częstotliwość wyzwalania) w porównaniu z ich analogowymi poprzednikami, co może utrudniać wykrycie „usterek” lub innych rzadkich zjawisk za pomocą oscyloskopów cyfrowych, zwłaszcza starszych, które nie mają trybu trwałości. Jednak dzięki ulepszeniom w przetwarzaniu przebiegów nowsze oscyloskopy cyfrowe mogą osiągać częstotliwość wyzwalania przekraczającą 1 milion aktualizacji na sekundę, czyli więcej niż około 600 000 wyzwalań na sekundę, które były w stanie wykonać najlepsze oscyloskopy analogowe. Nowsze oscyloskopy cyfrowe są również wyposażone w analogowe tryby persystencji, które odtwarzają poświatę luminoforu CRT oscyloskopu analogowego.
Cyfrowe oscyloskopy próbkujące
Cyfrowe oscyloskopy próbkujące działają na tej samej zasadzie, co analogowe oscyloskopy próbkujące i, podobnie jak ich analogowe odpowiedniki, są bardzo przydatne podczas analizy sygnałów o wysokiej częstotliwości; to znaczy powtarzające się sygnały, których częstotliwości są wyższe niż częstotliwość próbkowania oscyloskopu. Do pomiaru powtarzających się sygnałów ten typ oferował kiedyś przepustowość i szybkie taktowanie nawet dziesięciokrotnie większe niż jakikolwiek oscyloskop czasu rzeczywistego.
Oscyloskop czasu rzeczywistego, który był również nazywany oscyloskopem „pojedynczym”, przechwytuje cały przebieg przy każdym zdarzeniu wyzwalającym. Wymaga to zakresu do przechwycenia dużej liczby punktów danych w jednym ciągłym rekordzie. Oscyloskop z sekwencyjnym próbkowaniem w czasie równoważnym, czasami nazywany po prostu „oscyloskopem do próbkowania”, mierzy sygnał wejściowy tylko raz na wyzwalacz. Przy następnym uruchomieniu oscyloskopu dodawane jest niewielkie opóźnienie i pobierana jest kolejna próbka. W związku z tym musi wystąpić duża liczba zdarzeń wyzwalających, aby zebrać wystarczającą liczbę próbek do zbudowania obrazu przebiegu. Pasmo pomiarowe jest określane przez odpowiedź częstotliwościową samplera, która obecnie może wykraczać poza 90 GHz.
Alternatywą dla sekwencyjnego próbkowania w czasie równoważnym jest losowe próbkowanie w czasie równoważnym. Próbki są synchronizowane nie ze zdarzeniami wyzwalającymi, ale z wewnętrznym zegarem próbkowania oscyloskopu. Powoduje to, że pojawiają się one w pozornie losowych momentach w stosunku do zdarzenia wyzwalającego. Oscyloskop mierzy odstęp czasu między wyzwalaczem a każdą próbką i wykorzystuje to do prawidłowego zlokalizowania próbki na osi x. Proces ten trwa do momentu zebrania wystarczającej liczby próbek, aby utworzyć obraz kształtu fali. Zaletą tej techniki w porównaniu z sekwencyjnym próbkowaniem w czasie równoważnym jest to, że oscyloskop może zbierać dane zarówno przed zdarzeniem wyzwalającym, jak i po nim, podobnie jak funkcja przed wyzwoleniem większości cyfrowych oscyloskopów do przechowywania danych w czasie rzeczywistym. Losowe próbkowanie w równoważnym czasie można zintegrować ze standardowym DSO bez konieczności stosowania specjalnego sprzętu do próbkowania, ale ma tę wadę, że ma gorszą precyzję synchronizacji niż metoda sekwencyjnego próbkowania.
Jednak ze względu na postęp w technologii ADC, który doprowadził do powstania oscyloskopów czasu rzeczywistego o szerokości pasma powyżej 100 GHz, zapotrzebowanie na cyfrowe oscyloskopy próbkujące maleje, podobnie jak potrzeba integracji próbkowania w czasie rzeczywistym w oscyloskopach czasu rzeczywistego. [ potrzebne źródło ]
Oscyloskopy ręczne
Ręczne oscyloskopy są przydatne w wielu testach i zastosowaniach serwisowych. Obecnie oscyloskop ręczny to zwykle oscyloskop czasu rzeczywistego, wykorzystujący monochromatyczny lub kolorowy wyświetlacz LCD . Zazwyczaj ręczny oscyloskop ma jeden lub dwa analogowe kanały wejściowe, ale dostępne są również wersje z czterema kanałami wejściowymi. Niektóre przyrządy łączą funkcje multimetru cyfrowego z oscyloskopem. Zwykle są lekkie i mają dobrą celność. [ potrzebne źródło ]
Oscyloskopy oparte na komputerze PC
Oscyloskop oparty na komputerze PC to rodzaj oscyloskopu cyfrowego, który opiera się na standardowej platformie PC do wyświetlania przebiegów i sterowania instrumentem. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją dwa rodzaje oscyloskopów opartych na komputerze PC
- Samodzielne oscyloskopy zawierające wewnętrzną platformę PC (płyta główna PC) – wspólne dla oscyloskopów wyższej klasy średniej i wysokiej klasy
- Zewnętrzne oscyloskopy, które łączą się przez USB lub Ethernet z oddzielnym komputerem PC (stacjonarnym lub laptopem)
Pod koniec lat 90-tych Nicolet i HP wprowadziły na rynek pierwsze samodzielne oscyloskopy oparte na komputerach PC, w których część „oscyloskopu” składała się ze specjalistycznego systemu akwizycji sygnału, składającego się z interfejsu elektrycznego zapewniającego izolację i automatyczną kontrolę wzmocnienia, szybkiego analogowego przetworniki cyfrowo-cyfrowe, pamięć sampli i wbudowany cyfrowy procesor sygnału (DSP). Część PC działała jako system operacyjny Microsoft Windows z aplikacją oscyloskopu, która wyświetlała dane przebiegu i służyła do sterowania instrumentem.
Od tego czasu wysokiej klasy linie oscyloskopów wolnostojących wszystkich czterech głównych producentów oscyloskopów (HP/Agilent/Keysight, LeCroy, Tektronix, Rohde & Schwarz) są oparte na platformie PC.
Drugą grupą oscyloskopów opartych na PC są oscyloskopy zewnętrzne, czyli takie, w których system akwizycji jest fizycznie odseparowany od platformy PC. W zależności od dokładnej konfiguracji sprzętowej oscyloskopu zewnętrznego, sprzęt można również określić jako digitizer , rejestrator danych lub jako część wyspecjalizowanego systemu automatycznego sterowania . Oddzielny komputer zapewnia wyświetlacz, interfejs sterowania, pamięć dyskową, sieć i często energię elektryczną dla sprzętu do pozyskiwania danych. Zewnętrzny oscyloskop może przesyłać dane do komputera na dwa główne sposoby – strumieniowo i w trybie blokowym. W trybie przesyłania strumieniowego dane są przesyłane do komputera w sposób ciągły bez utraty danych. Sposób, w jaki PCO jest podłączony do komputera (np. Ethernet , USB itp.) będzie dyktować maksymalną osiągalną prędkość, a tym samym częstotliwość i rozdzielczość przy użyciu tej metody. Tryb blokowy wykorzystuje wbudowaną pamięć zewnętrznego oscyloskopu do gromadzenia bloku danych, który jest następnie przesyłany do komputera PC po zarejestrowaniu bloku. Następnie sprzęt do akwizycji resetuje się i rejestruje kolejny blok danych. Proces ten przebiega bardzo szybko, ale jego czas będzie różny w zależności od rozmiaru bloku danych i szybkości, z jaką można go przesłać. Ta metoda umożliwia znacznie większą prędkość próbkowania, ale w wielu przypadkach sprzęt nie będzie rejestrował danych podczas przesyłania istniejącego bloku.
Zalety samodzielnych oscyloskopów opartych na komputerze PC obejmują:
- Łatwy eksport danych do standardowego oprogramowania komputerowego, takiego jak arkusze kalkulacyjne i edytory tekstu , które można uruchomić na oscyloskopie
- Możliwość uruchamiania narzędzi analitycznych, takich jak oprogramowanie do analizy numerycznej i/lub oprogramowanie do analizy sygnałów, bezpośrednio na oscyloskopie
- Umiejętność uruchamiania oprogramowania do automatyzacji w celu wykonywania testów automatycznych
- Możliwość łatwego sterowania oscyloskopem ze zdalnej lokalizacji za pośrednictwem sieci
Zalety zewnętrznych oscyloskopów są takie same jak w przypadku samodzielnych oscyloskopów opartych na komputerze PC, a dodatkowo:
- Koszty są często niższe niż w przypadku porównywalnego oscyloskopu wolnostojącego, zwłaszcza jeśli użytkownik posiada już odpowiedni komputer osobisty lub laptop
- Samodzielne komputery PC i laptopy są zwykle wyposażone w duże kolorowe wyświetlacze o wysokiej rozdzielczości, które mogą być łatwiejsze do odczytania niż mniejsze wyświetlacze w konwencjonalnych oscyloskopach.
- Przenośność w przypadku używania z laptopem
- Niektóre oscyloskopy zewnętrzne są fizycznie znacznie mniejsze niż nawet oscyloskopy ręczne
Jednak oscyloskopy oparte na komputerze PC, samodzielne lub zewnętrzne, mają również pewne wady, do których należą:
- Zasilacz i zakłócenia elektromagnetyczne z obwodów PC, które wymagają starannego i rozległego ekranowania w celu uzyskania dobrej rozdzielczości sygnału niskiego poziomu
- W przypadku oscyloskopów zewnętrznych konieczność zainstalowania przez właściciela oprogramowania oscyloskopu na komputerze PC, które może nie być zgodne z bieżącą wersją systemu operacyjnego komputera PC
- Czas uruchamiania platformy PC w porównaniu z niemal natychmiastowym uruchomieniem samodzielnego oscyloskopu opartego na platformie wbudowanej (chociaż każdy oscyloskop będzie wymagał okresu rozgrzewania, aby osiągnąć zgodność ze specyfikacją, więc rzadko powinno to stanowić problem)
Oscyloskopy sygnałów mieszanych
Oscyloskop sygnałów mieszanych (MSO) łączy w sobie wszystkie możliwości pomiarowe i model użytkowania oscyloskopu cyfrowego z niektórymi możliwościami pomiarowymi analizatora stanów logicznych . Sygnały analogowe i cyfrowe są zbierane z jedną podstawą czasu, są wyświetlane na jednym wyświetlaczu, a dowolna kombinacja tych sygnałów może być wykorzystana do wyzwolenia oscyloskopu.
MSO zazwyczaj nie mają zaawansowanych możliwości pomiarów cyfrowych i dużej liczby cyfrowych kanałów akwizycji, które występują w samodzielnych analizatorach logicznych. Typowe zastosowania pomiarów sygnałów mieszanych obejmują charakteryzację i debugowanie hybrydowych obwodów analogowo-cyfrowych, takich jak na przykład systemy wbudowane , przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), przetworniki cyfrowo-analogowe (DAC) i systemy sterowania .
Oscyloskop katodowy
Najwcześniejszy i najprostszy typ oscyloskopu składał się z lampy elektronopromieniowej , wzmacniacza pionowego , podstawy czasu, wzmacniacza poziomego i zasilacza . Są one obecnie nazywane oscyloskopami „analogowymi”, aby odróżnić je od oscyloskopów „cyfrowych”, które stały się powszechne w latach 90. i 2000.
Przed wprowadzeniem CRO w jego obecnej formie kineskop był już używany jako urządzenie pomiarowe. Kineskop to próżniowa szklana bańka, podobna do tej w czarno-białym telewizorze , z płaską powierzchnią pokrytą materiałem fluorescencyjnym (luminofor ) . Ekran ma zazwyczaj mniej niż 20 cm średnicy, czyli znacznie mniej niż ten w telewizorze. Starsze CRO miały okrągłe ekrany lub panele czołowe, podczas gdy nowsze CRT w lepszych CRO miały prostokątne panele czołowe.
W szyjce tuby znajduje się działo elektronowe, które jest małym podgrzewanym metalowym cylindrem z płaskim końcem pokrytym tlenkami emitującymi elektrony. W pobliżu znajduje się cylinder o znacznie większej średnicy, na którym na końcu katody znajduje się dysk z okrągłym otworem; nazywa się to „siatką” (G1), przez historyczną analogię do siatek lampowych wzmacniaczy. Mały ujemny potencjał siatki (w odniesieniu do katody) jest używany do blokowania elektronów przed przejściem przez otwór, gdy wiązka elektronów musi zostać wyłączona, na przykład podczas powrotu po przemiataniu lub gdy nie występują żadne zdarzenia wyzwalające.
Jednakże, gdy G1 staje się mniej ujemny w stosunku do katody, inna cylindryczna elektroda oznaczona jako G2, która ma setki woltów dodatnich w stosunku do katody, przyciąga elektrony przez otwór. Ich trajektorie zbiegają się, gdy przechodzą przez otwór, tworząc „uszczypnięcie” o dość małej średnicy, zwane skrzyżowaniem. Następujące elektrody („siatki”), soczewki elektrostatyczne, skupiają to skrzyżowanie na ekranie; miejsce to obraz skrzyżowania.
Zazwyczaj kineskop pracuje przy mniej więcej -2 kV i stosuje się różne metody, aby odpowiednio zrównoważyć napięcie G1. Poruszając się wzdłuż wyrzutni elektronowej, wiązka przechodzi przez soczewki obrazujące i pierwszą anodę, wychodząc z energią w elektronowoltach równą energii katody. Wiązka przechodzi przez jeden zestaw płytek odchylających, a następnie przez drugi, gdzie jest odchylana zgodnie z wymaganiami do ekranu luminoforowego.
Średnie napięcie płytek odchylających jest stosunkowo blisko masy, ponieważ muszą być one bezpośrednio podłączone do pionowego stopnia wyjściowego.
Sam z siebie, gdy wiązka opuści obszar odchylenia, może wytworzyć użyteczny jasny ślad. Jednak w przypadku CRO o większej przepustowości, w których ślad może poruszać się szybciej po ekranie luminoforowym, często stosuje się dodatnie przyspieszenie po odchyleniu („PDA”) o wartości ponad 10 000 woltów, zwiększając energię (prędkość) elektronów, które uderzają w fosfor. Energia kinetyczna elektronów jest przekształcana przez luminofor w światło widzialne w punkcie uderzenia.
Po włączeniu monitor CRT zwykle wyświetla pojedynczą jasną kropkę na środku ekranu, ale kropka ta może być przemieszczana elektrostatycznie lub magnetycznie. CRT w oscyloskopie zawsze wykorzystuje odchylenie elektrostatyczne. Zwykłe elektrostatyczne płyty odchylające mogą zazwyczaj przesuwać wiązkę w przybliżeniu tylko o około 15 stopni poza osią, co oznacza, że kineskopy oscyloskopowe mają długie, wąskie lejki, a przy wielkości ekranu są zwykle dość długie. To długość kineskopu sprawia, że CRO są „głębokie”, od przodu do tyłu. Nowoczesne oscyloskopy z płaskim panelem nie potrzebują tak ekstremalnych wymiarów; ich kształty bardziej przypominają jeden rodzaj prostokątnego pudełka na lunch.
Pomiędzy działem elektronowym a ekranem znajdują się dwie przeciwstawne pary metalowych płytek zwanych płytkami odchylającymi. Wzmacniacz pionowy generuje różnicę potencjałów na jednej parze płytek, powodując powstanie pionowego pola elektrycznego przez który przechodzi wiązka elektronów. Gdy potencjały płytek są takie same, wiązka nie jest odchylana. Kiedy górna płyta jest dodatnia w stosunku do dolnej płyty, wiązka jest odchylana do góry; gdy pole jest odwrócone, wiązka jest odchylana w dół. Wzmacniacz poziomy wykonuje podobną pracę z drugą parą płytek odchylających, powodując ruch wiązki w lewo lub w prawo. Ten system odchylania nazywany jest odchyleniem elektrostatycznym i różni się od elektromagnetycznego systemu odchylania stosowanego w lampach telewizyjnych. W porównaniu z odchyleniem magnetycznym, odchylenie elektrostatyczne może łatwiej podążać za przypadkowymi i szybkimi zmianami potencjału, ale jest ograniczone do małych kątów odchylenia.
Powszechne reprezentacje płyt odchylających są mylące. Po pierwsze, płytki dla jednej osi odchylenia są bliżej ekranu niż płytki dla drugiej. Płyty, które są bliżej siebie, zapewniają lepszą czułość, ale muszą być również rozciągnięte wystarczająco daleko wzdłuż osi kineskopu, aby uzyskać odpowiednią czułość. (Im dłuższy czas dany elektron spędza w polu, tym dalej jest odchylany.) Jednak blisko rozmieszczone długie płytki spowodowałyby kontakt wiązki przed wystąpieniem pełnego odchylenia amplitudy, więc kompromisowy kształt ma je stosunkowo blisko siebie w kierunku katody i rozbłysły płytkim V w kierunku ekranu. Nie są płaskie w żadnym, ale dość starym CRT!
Podstawa czasu to układ elektroniczny który generuje napięcie rampy. Jest to napięcie, które zmienia się w sposób ciągły i liniowy w czasie. Gdy osiągnie wstępnie zdefiniowaną wartość, rampa jest resetowana i ustawiana na wartość początkową. Po rozpoznaniu zdarzenia wyzwalającego, pod warunkiem zakończenia procesu resetowania (wstrzymania), rampa rozpoczyna się ponownie. Napięcie podstawy czasu zwykle steruje wzmacniaczem poziomym. Jego efektem jest omiatanie końca ekranu wiązką elektronów ze stałą prędkością od lewej do prawej przez ekran, a następnie wygaszenie wiązki i przywrócenie jej napięć odchylających w lewo, że tak powiem, na czas, aby rozpocząć następne przemiatanie. Resetowanie typowych obwodów przemiatania może zająć dużo czasu; w niektórych CRO szybkie przemiatanie wymagało więcej czasu na odtworzenie niż przemiatanie.
Tymczasem wzmacniacz pionowy jest zasilany napięciem zewnętrznym (wejście pionowe), które jest pobierane z mierzonego obwodu lub eksperymentu. Wzmacniacz ma bardzo wysoką impedancję wejściową , zazwyczaj jeden megaom, więc pobiera tylko niewielki prąd ze źródła sygnału. Sondy tłumiące jeszcze bardziej zmniejszają pobierany prąd. Wzmacniacz steruje płytami odchylania pionowego napięciem proporcjonalnym do wejściowego sygnału pionowego. Ponieważ elektrony zostały już przyspieszone o typowo 2 kV (w przybliżeniu), ten wzmacniacz musi dostarczyć również prawie sto woltów, i to z bardzo szerokim pasmem przenoszenia. Zysk _ wzmacniacza pionowego można dostosować do amplitudy napięcia wejściowego. Dodatnie napięcie wejściowe wygina wiązkę elektronów w górę, a napięcie ujemne wygina ją w dół, tak że odchylenie pionowe w dowolnej części śladu pokazuje wartość wejściową w tym czasie.
Odpowiedź dowolnego oscyloskopu jest znacznie szybsza niż mechanicznych urządzeń pomiarowych, takich jak multimetr , gdzie bezwładność wskazówki (i być może tłumienie) spowalnia jej reakcję na wejście.
Obserwacja sygnałów o dużej prędkości, zwłaszcza sygnałów niepowtarzających się, za pomocą konwencjonalnego CRO jest trudna ze względu na niestabilny lub zmienny próg wyzwalania, co utrudnia „zamrożenie” przebiegu na ekranie. Często wymaga to zaciemnienia pomieszczenia lub umieszczenia specjalnej osłony wziernikowej na powierzchni tuby ekspozycyjnej. Aby pomóc w oglądaniu takich sygnałów, specjalne oscyloskopy zapożyczono z noktowizyjnej , wykorzystując mikrokanałowy multiplikator elektronów za powierzchnią rury, aby wzmocnić słabe prądy wiązki.
Chociaż CRO umożliwia oglądanie sygnału, w swojej podstawowej formie nie ma możliwości zapisania tego sygnału na papierze w celu dokumentacji. Dlatego opracowano specjalne kamery oscyloskopowe do bezpośredniego fotografowania ekranu. Wczesne aparaty używały filmu rolkowego lub płytowego, podczas gdy w latach 70. popularne stały się aparaty natychmiastowe Polaroid . Fosfor P11 CRT (optycznie niebieski) był szczególnie skuteczny w naświetlaniu filmu. Kamery (czasami wykorzystujące pojedyncze przeciągnięcia) były używane do rejestrowania słabych śladów.
Zasilacz jest ważnym elementem oscyloskopu. Dostarcza niskie napięcia do zasilania grzałki katodowej w lampie (izolowanej dla wysokiego napięcia!), wzmacniaczy pionowych i poziomych oraz obwodów wyzwalania i zamiatania. Do napędzania elektrostatycznych płyt odchylających potrzebne są wyższe napięcia, co oznacza, że stopień wyjściowy wzmacniacza odchylania pionowego musi generować duże wahania sygnału. Napięcia te muszą być bardzo stabilne, a wzmocnienie wzmacniacza musi być odpowiednio stabilne. Wszelkie znaczące różnice spowodują błędy w rozmiarze śladu, przez co oscyloskop będzie niedokładny.
Późniejsze oscyloskopy analogowe dodały przetwarzanie cyfrowe do standardowego projektu. Zachowano tę samą podstawową architekturę — kineskop, wzmacniacze pionowe i poziome — ale wiązka elektronów była kontrolowana przez obwody cyfrowe, które mogły wyświetlać grafikę i tekst zmieszane z przebiegami analogowymi. Czas wyświetlania dla nich został przepleciony — zmultipleksowany — z wyświetlaniem przebiegu w zasadzie w taki sam sposób, w jaki oscyloskop z dwoma/wieloma śladami wyświetla swoje kanały. Dodatkowe funkcje oferowane przez ten system to:
- wyświetlanie na ekranie ustawień wzmacniacza i podstawy czasu;
- kursory napięcia — regulowane poziome linie z wyświetlaniem napięcia;
- kursory czasu — regulowane pionowe linie z wyświetlaniem czasu;
- menu ekranowe dla ustawień wyzwalania i innych funkcji.
- automatyczny pomiar napięcia i częstotliwości wyświetlanego śladu
Oscyloskop dwuwiązkowy
Oscyloskop dwuwiązkowy był kiedyś rodzajem oscyloskopu używanego do porównywania jednego sygnału z drugim. Wyprodukowano dwie belki w specjalnym typie kineskopu .
W przeciwieństwie do zwykłego oscyloskopu „podwójnego śladu” (który dzielił czasowo pojedynczą wiązkę elektronów, tracąc w ten sposób około 50% każdego sygnału), oscyloskop dwuwiązkowy jednocześnie wytwarzał dwie oddzielne wiązki elektronów, przechwytując całość obu sygnałów. Jeden typ (Cossor, Wielka Brytania) miał płytkę rozdzielającą wiązkę w swoim CRT i jednostronne odchylenie pionowe za rozdzielaczem. (Więcej informacji na temat tego typu oscyloskopów znajduje się pod koniec tego artykułu).
Inne oscyloskopy dwuwiązkowe miały dwa kompletne działa elektronowe, co wymagało ścisłej kontroli osiowego (obrotowego) mechanicznego wyrównania podczas produkcji CRT. W tym drugim typie dwie niezależne pary pionowych płyt odchylają wiązki. Płyty pionowe dla kanału A nie miały wpływu na wiązkę kanału B. Podobnie dla kanału B istniały osobne płytki pionowe, które odchylały tylko wiązkę B.
W niektórych oscyloskopach dwuwiązkowych podstawa czasu, płytki poziome i wzmacniacz poziomy były wspólne dla obu wiązek (w ten sposób działał CRT z rozdzielaczem wiązki). Bardziej złożone oscyloskopy, takie jak Tektronix 556 i 7844, mogą wykorzystywać dwie niezależne podstawy czasu oraz dwa zestawy poziomych płytek i poziomych wzmacniaczy. W ten sposób można było spojrzeć na bardzo szybki sygnał na jednej wiązce i wolny sygnał na drugiej wiązce.
Większość oscyloskopów wielokanałowych nie ma wielu wiązek elektronów. Zamiast tego wyświetlają tylko jeden ślad na raz, ale przełączają późniejsze stopnie wzmacniacza pionowego między jednym kanałem a drugim albo naprzemiennymi przemiataniami (tryb ALT), albo wiele razy na przemiatanie (tryb CHOP). Zbudowano bardzo niewiele prawdziwych oscyloskopów dwuwiązkowych .
Wraz z pojawieniem się cyfrowego przechwytywania sygnałów, prawdziwe oscyloskopy dwuwiązkowe stały się przestarzałe, ponieważ możliwe było wówczas wyświetlanie dwóch naprawdę równoczesnych sygnałów z pamięci przy użyciu techniki wyświetlania ALT lub CHOP, a nawet trybu wyświetlania rastrowego.
Oscyloskop analogowy z pamięcią
Przechowywanie śladów to dodatkowa funkcja dostępna w niektórych oscyloskopach analogowych; używali CRT z bezpośrednim podglądem . Przechowywanie umożliwia zachowanie wzoru śladu, który normalnie zanika w ciągu ułamka sekundy, na ekranie przez kilka minut lub dłużej. Następnie obwód elektryczny może zostać celowo aktywowany w celu zapisania i wymazania śladu na ekranie.
Magazynowanie odbywa się na zasadzie emisji wtórnej . Kiedy zwykła wiązka elektronów piszących przechodzi przez punkt na powierzchni luminoforu, nie tylko powoduje to chwilowe oświetlenie luminoforu, ale także energia kinetyczna wiązki elektronów wybija inne elektrony z powierzchni luminoforu. Może to pozostawić dodatni ładunek netto. Oscyloskopy z pamięcią zapewniają następnie jedno lub więcej wtórnych dział elektronowych (zwanych „działami przeciwpowodziowymi”), które zapewniają stały strumień niskoenergetycznych elektronów przemieszczających się w kierunku ekranu luminoforowego. Pistolety zalewające pokrywają cały ekran, idealnie równomiernie. Elektrony z pistoletów zalewowych są silniej przyciągane do obszarów ekranu luminoforowego, w których pistolet do pisania pozostawił ładunek dodatni netto; w ten sposób elektrony z działek ponownie oświetlają luminofor w tych dodatnio naładowanych obszarach ekranu luminoforowego.
Jeśli energia elektronów działa przeciwpowodziowego jest odpowiednio zrównoważona, każdy uderzający elektron działa wybija jeden elektron wtórny z ekranu luminoforowego, zachowując w ten sposób ładunek dodatni netto w oświetlonych obszarach ekranu luminoforowego. W ten sposób obraz pierwotnie zapisany przez pistolet do pisania może być utrzymywany przez długi czas — od wielu sekund do kilku minut. W końcu niewielkie nierównowagi we współczynniku emisji wtórnej powodują, że cały ekran „zanika dodatnio” (zapala się) lub powoduje, że pierwotnie zapisany ślad „zanika ujemny” (zgaśnie). To właśnie te braki równowagi ograniczają ostateczny możliwy czas przechowywania.
Oscyloskopy z pamięcią (i wielkoekranowe wyświetlacze CRT) tego typu, z pamięcią na luminoforze, zostały wykonane przez Tektronix. Inne firmy, w szczególności Hughes, wcześniej produkowały oscyloskopy z pamięcią mającą bardziej skomplikowaną i kosztowną wewnętrzną strukturę pamięci.
Niektóre oscyloskopy wykorzystywały ściśle binarną (włączanie / wyłączanie) formę przechowywania, znaną jako „przechowywanie bistabilne”. Inne pozwalały na ciągłą serię krótkich, niepełnych cykli wymazywania, które tworzyły wrażenie luminoforu o „zmiennej trwałości”. Niektóre oscyloskopy pozwalały również na częściowe lub całkowite wyłączenie działek przeciwpowodziowych, umożliwiając zachowanie (choć niewidoczne) ukrytego zapisanego obrazu do późniejszego przeglądania. (Zanikanie dodatniego lub zanikającego ujemnego występuje tylko wtedy, gdy pistolety zalewowe są „włączone”; przy wyłączonych pistoletach zalewowych tylko wyciek ładunków na ekranie fosforowym pogarsza zapisany obraz.
Oscyloskop z próbkowaniem analogowym
Zasada próbkowania została opracowana w latach trzydziestych XX wieku w Bell Laboratories przez Nyquista, od którego pochodzi nazwa twierdzenia o próbkowaniu . Jednak pierwszy oscyloskop próbkujący został opracowany pod koniec lat pięćdziesiątych w Atomic Energy Research Establishment w Harwell w Anglii przez GBB Chaplina, AR Owensa i AJ Cole'a. [„Czuły oscylograf tranzystorowy z odpowiedzią DC do 300 Mc/s”, Proc IEE (Londyn) tom 106, część B. Suppl., nr 16, 1959].
Pierwszy oscyloskop próbkujący był instrumentem analogowym, pierwotnie opracowanym jako jednostka czołowa konwencjonalnego oscyloskopu. Zapotrzebowanie na ten instrument wyrosło z wymagań naukowców zajmujących się energią jądrową w Harwell, aby uchwycić kształt fali bardzo szybkich, powtarzalnych impulsów. Obecne najnowocześniejsze oscyloskopy — o szerokości pasma typowo 20 MHz — nie były w stanie tego zrobić, a efektywna szerokość pasma 300 MHz ich analogowego oscyloskopu próbkującego stanowiła znaczny postęp.
Krótka seria tych „front-endów” została wykonana w Harwell i znalazła wiele zastosowań, a Chaplin i in. opatentował wynalazek. Komercyjne wykorzystanie tego patentu zostało ostatecznie przeprowadzone przez firmę Hewlett-Packard (później Agilent Technologies).
Oscyloskopy próbkujące osiągają duże szerokości pasma, nie pobierając całego sygnału naraz. Zamiast tego pobierana jest tylko próbka sygnału. Próbki są następnie składane w celu utworzenia kształtu fali. Ta metoda działa tylko w przypadku powtarzających się sygnałów, a nie zdarzeń przejściowych. Pomysł pobierania próbek można traktować jako technikę stroboskopową. Podczas korzystania ze światła stroboskopowego widoczne są tylko fragmenty ruchu, ale po wykonaniu wystarczającej liczby tych zdjęć można uchwycić cały ruch
Powiązane instrumenty
Duża liczba przyrządów używanych w różnych dziedzinach techniki to tak naprawdę oscyloskopy z wejściami, kalibracją, kontrolkami, kalibracją wyświetlacza itp., wyspecjalizowane i zoptymalizowane pod kątem konkretnego zastosowania. W niektórych przypadkach dodatkowe funkcje, takie jak generator sygnału, są wbudowane w przyrząd, aby ułatwić pomiary, które w przeciwnym razie wymagałyby jednego lub więcej dodatkowych przyrządów.
Monitor kształtu fali w inżynierii telewizyjnej jest bardzo zbliżony do standardowego oscyloskopu, ale zawiera obwody wyzwalające i elementy sterujące, które umożliwiają stabilne wyświetlanie złożonej klatki wideo, pola, a nawet wybranej linii poza polem. Robert Hartwig objaśnia monitor kształtu fali jako „dostarczanie graficznego wyświetlenia czarno-białej części obrazu”. Czarno-biała część sygnału wideo jest nazywana „luminancją” ze względu na jej fluorescencyjną karnację. Wyświetlanie poziomów czerni i bieli na monitorze kształtu fali pozwala inżynierowi rozwiązać problemy z jakością obrazu i upewnić się, że spełnia on wymagane standardy. Dla wygody skala pionowa monitora kształtu fali jest skalibrowana w jednostkach IRE .