Oscilloscoop
Denisha Simcoe
De buis van Braun was al bekend in 1897, en in 1899 voegde Jonathan Zenneck platen toe om een straal te bekomen en een magnetisch veld om de straal te sturen.[1] Kathodestraalbuizen werden al experimenteel gebruikt voor laboratoriumexperimenten in de jaren 1920, maar hadden last van het instabiele vacum en van de kathode-emitters. V. K. Zworykin beschreef een permanent luchtdichte kathodestraalbuis met hoog vacum en een thermionische emitter in 1931. Deze stabiele component liet General Radio toe een oscilloscoop te maken die bruikbaar was buiten het laboratorium.Na de Tweede Wereldoorlog kreeg Heathkit Corporation een tweede leven en door de grote voorraad aan elektronische componenten kwam een kit van $50 beschikbaar, deze was een groot succes.
De gebruikelijke uitvoering maakt gebruik van een kathodestraalbuis met luminescerend scherm. Het beeld wordt opgewekt door een elektronenstraalbundel die horizontaal en verticaal afgebogen kan worden. Bij normaal bedrijf wordt op de horizontale afbuiging een in de scoop opgewekt zaagtandvormig signaal met goed gedefinieerde frequentie gezet; de 'tijdbasis'. Op deze wijze kan het verloop van een te meten spanning in de tijd weergegeven worden en de frequentie en amplitude van wisselspanningen gemeten worden.
De oscilloscoop kan ook in de XY-mode gezet worden, waarbij het ene kanaal de horizontale afbuiging is, en het andere kanaal de verticale afbuiging. Als bijvoorbeeld een linker en rechter kanaal van een audiosignaal worden toegevoerd, dan kan de harmonische vervorming en faseverschuiving snel zichtbaar gemaakt worden. Als twee elektrische spanningen worden toegevoerd die een veelvoud van dezelfde grondfrequentie zijn, dan wordt het verband ertussen weergegeven in een lissajousfiguur.
Door veel producenten van oscilloscopen worden geen analoge oscilloscopen meer ontwikkeld. Bij digitale oscilloscopen kan met een kleuren liquid-crystal display (lcd) gewerkt worden. Ook kunnen eenmalige signalen opgenomen worden, wat eerst alleen met de transient recorder of de analoge geheugenoscilloscoop mogelijk was.
Oscilloscopen zijn elektronische meetinstrumenten die meerdere elektrische spanningen tegelijk op een scherm weergeven. De focus van de metingen ligt vooral op het verloop in de tijd en de veranderingen in de spanningscurves in de tijd. Hiertoe wordt de spanningstijdreeks, ook wel de curve genoemd, weergegeven in een tweedimensionaal cordinatensysteem met een horizontale X-as (tijdas) en verticale Y-as (spanningsas). De afbeelding die op een klein scherm wordt weergegeven, is het oscillogram. Terwijl de voorheen gebruikelijke analoge oscilloscopen bestonden uit kathodestraalbuizen die vergelijkbaar waren met televisiebeeldbuizen, gebruiken hun digitale opvolgers nu LC-displays.
Afhankelijk van waarvoor de oscilloscoop wordt gebruikt, worden hand- of tafeloscilloscopen en oscilloscoopaccessoires aanbevolen. Hoewel de technologie in de oscilloscopen steeds compacter wordt en de apparaten daardoor steeds kleiner worden, zijn normale desktop-oscilloscopen niet onder een bepaalde grootte verkrijgbaar. Dit komt door de grootte van het scherm en toetsenbord, waardoor u een nauwkeuriger beeld van de geschiedenisgrafieken heeft.
Handheld oscilloscopen, ook wel ScopeMeters genoemd, werken op batterijen en zijn qua prestaties vergelijkbaar met grotere apparaten. Technici gebruiken ze graag in het veld of om grotere machines in productiehallen te onderhouden. Let op het verkleinde display en het kleinere toetsenbord.
Oscilloscoop-opzetstukken behoren tot de klasse van digitale oscilloscopen. Dit is ook beschikbaar als software die het signaal van een A / D-converterkaart of een audio-ingang gebruikt. Hun grafische uitvoer kan worden gedaan met behulp van een pc en is bijzonder geschikt voor lesdoeleinden. Oscilloscopen als computeraccessoires zijn goedkoper dan zelfstandige digitale oscilloscopen, maar bereiken hun parameters niet.
Er wordt voornamelijk onderscheid gemaakt tussen analoge en digitale oscilloscopen. Beiden visualiseren zowel het spanningssignaal als de frequentie, faseverschuivingen, doorgangskarakteristieken of pulsdiagrammen.
Als opslagoscilloscopen kunnen ze ook gegevens na de meting beschikbaar stellen, opslaan op een opslagmedium of overbrengen naar een pc. Nadelen zijn de meer gecompliceerde bediening in vergelijking met analoge apparaten en het risico op een vervormde weergave door het aliasingeffect. Hogere frequenties worden ten onrechte als lager genterpreteerd. Digitale oscilloscopen werken echter energiezuinig met LCD-technologie en snelle processoren. Ze geven de meetdata ook veel nauwkeuriger weer. Moderne, digitale oscilloscopen bieden ook uitgebreide functies voor signaalanalyse. U kunt uw weergave eenvoudig vergroten of scrollen.
Analoge oscilloscopen zijn veel groter en onhandiger dan digitale. Nadelen zijn orthogonale fouten, randvervaging of niet-lineariteiten. De lage prijs spreekt voor een analoge versie. Bovendien kan de capacitieve afbuiging van de elektronenbundel gemakkelijk worden geregeld over grote frequentiebereiken. Digitale oscilloscopen hebben analoge apparaten bijna volledig van de markt geweerd vanwege hun functionele diversiteit en opslagcapaciteit.
Naast de analoge en digitale oscilloscopen zijn er ook CCD-oscilloscopen, mixed-signal-oscilloscopen of de meer gespecialiseerde spectrum analisers (WFM) uit de videotechnologie.
De CCD-oscilloscoop heeft een kleine kathodestraalbuis voor het genereren van een schermbeeld op de CCD-sensor in de buis. De buis is extreem klein en kan daarom in het GHz-bereik werken. De CCD-oscilloscoop heeft geen scanafstand, de monitor geeft het beeld weer. Een enkel monster kan worden vastgelegd door de elektronenstraal uit te schakelen.
De spectrum analisers is een digitale oscilloscoop die zowel analoge als digitale ingangen heeft. De digitale kanalen kunnen meestal worden ingesteld op een specifieke logische familie (TTL, CMOS). Ze maken alleen onderscheid tussen de staten laag, hoog en ongedefinieerd.
De waveform monitor, afgekort WFM, is een speciale oscilloscoop die analoge videosignalen meet in professionele videotechnologie.
Voordat u een oscilloscoop koopt, moet u zich afvragen wat u wilt meten en of u deze stationair op het werk of onderweg nodig heeft. Bijzondere aandacht moet worden besteed aan de bemonsteringssnelheid, het aantal beschikbare kanalen, de bandbreedte, de meetnauwkeurigheid en de geheugendiepte. We zullen deze en andere factoren hieronder nader bekijken.
Digitale oscilloscopen zijn bij uitstek geschikt voor hoogfrequente signalen. Ze kunnen worden gebruikt voor het effectief opnemen, opslaan en analyseren van uitgebreide frequenties, functies en signalen. Bovendien hebben ze een groter scala aan functies en kunnen ze meerdere signalen parallel weergeven. Analoge oscilloscopen slaan daarentegen het beeld op de buis op in plaats van het signaal.
De bandbreedte bepaalt de maximale frequentie van alle componenten van een analoog of digitaal signaal die door het apparaat kunnen worden opgenomen. Het wordt geselecteerd op basis van de gewenste toepassing. Om analoge signalen te meten, moet de bandbreedte minstens drie keer zo groot zijn als de maximale frequentie van het bewegende signaal, voor digitale signalen minstens vijf keer zo groot. Dus als de hoogste klokfrequentie 100 MHz is, moet de oscilloscoop minimaal 500 MHz kunnen meten. Met name hoogfrequente signalen hebben een hoge bandbreedte nodig om betrouwbaar te kunnen meten en vervormde signalen te voorkomen.
Passieve probes zijn de meest gebruikte probes voor de oscilloscoop. Maar al te vaak worden probes als ideaal beschouwd, echter, niets is minder waar. Meestal wordt de ingangsweerstand nog wel in rekening gebracht, maar men vergeet dat de ingangscapaciteit een grote rol speelt bij hoge frequenties. Bij nog hogere frequenties gaat ook de lengte van de "sprunghook" en "groundlead" een rol spelen. Deze is terug te zien als een zelfinductie in serie met de probe.
Vaak zijn passieve probes voorzien van een omschakelbare verzwakker, bijvoorbeeld omschakelbaar tussen een verzwakking van 1:1 en 1:10. Het is belangrijk zich te realiseren dat de opgegeven bandbreedte van de probe alleen geldt voor de 1:10 verzwakkerstand. Niet alleen de bandbreedte, maar ook de fasefout is in de 1:1 stand een stuk ongunstiger.
In de figuren 2 & 3 zijn de resultaten te zien van een meting aan een omschakelbare 60 MHz probe in de 1:1 en 1:10 stand. Deze meting is tot stand gekomen door een vergelijking met een 500 MHz 1:10 probe en een 500 MHz oscilloscoop. Zowel de geteste 60 MHz als de 500 MHz referentie probe hadden dezelfde kabellengte.
De relatieve verzwakking is weergegeven in figuur 2. De bandbreedte wordt meestal opgegeven bij de 3 dB grens. Te zien is dat de probe in de 1:10 stand het +3 dB niveau bij 60 MHz bereikt zoals gespecificeerd. In de 1:1 verzwakkerstand wordt het -3 dB niveau al bij 20 MHz overschreden, een stuk lager dan de opgegeven 60 MHz.
Ook de faseverschuiving (figuur 3) geeft een opmerkelijk beeld. In de 1:10 verzwakkerstand is deze relatief vlak met een maximale fout van -7 binnen het gebied van DC tot 60 MHz.
In de 1:1 stand begint de fasefout vanaf ongeveer 1 MHz op te lopen om al bij 10 MHz een faseverschuiving te tonen van 20 en bij 60 MHz is dit opgelopen tot maar liefst 90.
Een oscilloscoop probe zal het meetobject altijd in meer of mindere mate belasten. Hoe groot deze belasting is hangt af van de gebruikte probe en de frequentie van het signaal. In figuur 4 is de impedantie van diverse probes uitgezet tegen de frequentie. Het gaat hier om een berekende impedantie van een 1:1 probe (rood) met een inwendige weerstand van 1 MΩ en een parallelcapaciteit van 45 pF. De blauwe lijn is de impedantiekarakteristiek van een 1:10 probe met een weerstand van 10 MΩ en 12 pF parallel.
Van beide probes is de impedantie in het gebied van DC tot ca. 1 kHz ongeveer gelijk aan de ohmse weerstand van de probe. Boven de 10 kHz is de reactantie van de parallel capaciteit bepalend. De belasting die een probe vormt op het meetobject neemt sterk toe naarmate de frequentie hoger wordt.
Bij 1 MHz is de impedantie al gedaald tot ca. 3,5 kΩ voor de 1:1 probe en ca. 13 kΩ voor de 1:10 probe.
Een 1:10 probe heeft behalve een hogere ohmse inwendige weerstand ook een kleinere ingangscapaciteit. Hierdoor is bij hoge frequenties ook de impedantie een stuk gunstiger.