Jak działa wyzwalanie i generowanie piłokształtnej fali w oscyloskopie z czasową bazą wyzwalaną?

W oscyloskopie z czasową bazą wyzwalaną (triggered time-base oscilloscope), aby uzyskać stabilny i powtarzalny obraz przebiegu, niezbędne jest precyzyjne sterowanie momentem rozpoczęcia generowania piłokształtnej fali (sawtooth waveform). Proces ten opiera się na działaniu układu wyzwalania (trigger generator), który monitoruje sygnał wejściowy y i na podstawie osiągnięcia określonego poziomu napięcia oraz kierunku narastania sygnału (jego nachylenia, czyli „slope”) generuje impuls startowy dla generatora piłokształtnej.

W trybie pracy CRO (Cathode Ray Oscilloscope) należy stosować wygaszanie obrazu (blanking) nie tylko w chwili przejścia sygnału z +VXm do −VXm na piłokształtnej fali, ale także w czasie, gdy piłokształtna jest zatrzymana na poziomie −VXm. Dzięki temu na ekranie nie pojawiają się niepożądane przebiegi podczas tych chwil, co widać na przykładzie ilustrującym schemat pracy wygaszania. Kiedy wyzwalanie następuje przy zerowym poziomie sygnału y i dodatnim nachyleniu, generator piłokształtnej wypuszcza jedną pełną falę o okresie 10 ms, powodując powtarzalne wyświetlanie pierwszych 10 ms sygnału sinusoidalnego.

Warto zauważyć, że zmiana nachylenia z dodatniego na ujemne powoduje zmianę momentu wyzwalania. Wtedy wyzwalanie następuje, gdy sygnał osiąga poziom zerowy z ujemnym nachyleniem, co skutkuje innym przebiegiem piłokształtnym i odpowiednią zmianą kształtu wygaszania sygnału na ekranie.

Układ wyzwalania opiera się na komparatorze, który porównuje sygnał wejściowy z ustawionym poziomem wyzwalania VL. Gdy sygnał przekracza ten poziom, na wyjściu komparatora następuje zmiana stanu (z 0 na 1 lub odwrotnie), co generuje krawędź wyzwalającą. To pozwala określić, czy wyzwalanie ma nastąpić na narastającej czy opadającej krawędzi sygnału, dzięki czemu możliwe jest ustawienie odpowiedniego nachylenia wyzwalania.

Generowanie piłokształtnej fali odbywa się poprzez prosty układ integratora oraz przełącznik SPST (single pole single throw) typu zatrzaskowego, który otwiera się po otrzymaniu impulsu wyzwalającego, co powoduje liniowy wzrost napięcia na wyjściu integratora. Po osiągnięciu określonego poziomu +VXm układ komparatora zamyka przełącznik, resetując napięcie integratora do −VXm i tym samym generując kolejne cykle piłokształtnej. Okres tej fali zależy od stałych RC układu i wynosi 2RC, co umożliwia dostosowanie czasu podstawy czasu oscyloskopu do potrzeb pomiarowych.

Wzmacniacz y-odchylenia w oscyloskopie posiada standardowe wartości czułości, które powtarzają się w popularnym ciągu 1-2-5-10-20-50-100. Wejście y może być sprzężone bezpośrednio (DC) lub poprzez kondensator (AC), co pozwala na blokowanie składowej stałej i wyświetlanie jedynie składowej zmiennej sygnału. Przełącznik umożliwia łatwą zmianę sposobu sprzężenia.

Ważne jest zrozumienie, że stabilność i powtarzalność wyświetlanego przebiegu na oscyloskopie zależy nie tylko od jakości generatora piłokształtnego i układu wyzwalania, ale także od poprawnej kompensacji opóźnień w układzie oraz właściwego ustawienia poziomu i nachylenia wyzwalania. Zmiana tych parametrów wpływa bezpośrednio na widoczność i interpretację sygnałów elektrycznych, dlatego ich odpowiednie dobranie jest kluczowe w praktyce pomiarowej.

Ponadto, ważne jest zrozumienie, że wyzwalanie może być realizowane zarówno na narastającej, jak i opadającej krawędzi sygnału, co pozwala na elastyczność w analizie przebiegów o różnych charakterystykach. Przy ustawieniu nieodpowiednich parametrów wyzwalania obraz na ekranie oscyloskopu może być niestabilny, rozmyty lub przesuwający się, co utrudnia dokładną analizę sygnału.

Znajomość działania linii opóźniającej pomaga zrozumieć, dlaczego pomiar jest precyzyjny mimo inherentnych opóźnień w układzie wyzwalania i generowania piłokształtnej. Bez tej kompensacji obraz na ekranie byłby niezgodny z rzeczywistym przebiegiem sygnału wejściowego.

Jak działa i czym się charakteryzuje cyfrowy oscyloskop oraz jego elementy sterujące?

W przeszłości oscyloskopy korzystały z wyświetlaczy CRT, gdzie cyfrowe dane musiały być konwertowane z powrotem na sygnał analogowy, aby móc je zobrazować. Obecnie stosuje się wyświetlacze cyfrowe, takie jak LCD, gdzie obraz tworzą piksele, czyli najmniejsze elementy obrazu wyświetlane jako punkty. Rozdzielczość ekranu oscyloskopu jest definiowana liczbą pikseli w poziomie i pionie, zaczynając od 640×480 (VGA), przez 1280×720 (HD), 1920×1080 (Full HD) aż do 3840×2160 (4K UHD). Każdy piksel w wyświetlaczu LCD reprezentowany jest przez 24 bity, z czego po 8 bitów przypada na intensywność barw składowych czerwonej (R), zielonej (G) i niebieskiej (B).

W kwestii sterowania DSO dziedziczy on wiele funkcji po oscyloskopie analogowym, takich jak wybór trybu kanałów (naprzemienny ALT, tryb przerywany CHOP), możliwość pracy w trybie Y-t (sygnał w funkcji czasu) lub X-Y (współzależność między dwoma sygnałami), a także włączanie i wyłączanie poszczególnych kanałów. Regulacja czułości kanałów Y i X odbywa się w typowym ciągu kroków 1-2-5-10-20 i pozwala dostosować skalę napięcia lub czasu wyświetlania.

Najważniejszą różnicą między CRO a DSO jest sposób wyzwalania (trigger). W oscyloskopie analogowym punkt wyzwolenia jest zawsze na skraju ekranu (z lewej strony), co oznacza, że widzimy sygnał po wystąpieniu wyzwalacza. DSO pozwala na umieszczenie punktu wyzwalania praktycznie w dowolnym miejscu na ekranie, co umożliwia obserwację sygnału zarówno przed, jak i po zdarzeniu wyzwalającym. Możliwe jest także ustawienie wyzwalania pojedynczego, pozwalającego zarejestrować i wyświetlić zdarzenia występujące jednorazowo. Wyzwalanie w DSO może być ciągłe (RUN) lub jednorazowe (RUN-STOP).

Dodatkowo, DSO posiada parametry niedostępne dla CRO, takie jak szybkość odświeżania ekranu (display update rate, DUR) oraz rozmiar pamięci kanału. DUR określa, ile klatek na sekundę jest w stanie wyświetlić oscyloskop, co wiąże się z czasem opóźnienia od momentu pomiaru sygnału do jego zobrazowania. Pamięć kanału wpływa na liczbę przechowywanych próbek, co ma kluczowe znaczenie dla rozdzielczości osi czasu i amplitudy, poprawiając dokładność pomiaru.

Ważne jest zrozumienie, że efektywność i możliwości cyfrowego oscyloskopu zależą od jakości i parametrów jego komponentów, przede wszystkim przetwornika ADC, który decyduje o szybkości próbkowania i rozdzielczości sygnału, oraz od możliwości procesora sygnałowego i pojemności pamięci. Znajomość tych elementów pozwala na świadome dobranie i wykorzystanie oscyloskopu do specyficznych zastosowań, takich jak analiza widmowa czy pomiary w warunkach sygnałów niestandardowych lub jednorazowych.