Practicum Natuurkunde Oscilloscoop - 1

- 1/5 -

De Oscilloscoop

Nuttige informatie

http://www.ugent.be/we/vastestofwetenschappen/nl/onderwijs/practicum/geluid/oscilloscoop

Figuur 1 Afbeelding van een analoge twee-kanaalsoscilloscoop

1 Inleiding De oscilloscoop (afgekort scoop) is een instrument, waarmee het verloop van een

te onderzoeken spanning als functie van de tijd op een (beeld)scherm zichtbaar kan worden gemaakt. Dit toestel is heel geschikt voor het bestuderen van vooral periodieke signalen. Vanaf het scherm kunnen niet alleen absolute waarden worden afgelezen, maar kunnen ook verschillende signalen met elkaar worden vergeleken door ze gelijktijdig af te beelden. Er zijn twee soorten oscilloscopen: de analoge en de digitale. Hieronder wordt de werking beschreven van de analoge scoop die gebruik maakt van een kathodestraal-buis om het te onderzoeken signaal op een scherm weer te geven, zoals bij een televisietoestel. Bij digitale oscilloscopen wordt het signaal eerst gedigitaliseerd en in een geheugen opgeslagen en vervolgens wordt die digitale informatie op een scherm (eventueel LCD) weergegeven.

2 De analoge oscilloscoop

Werking

Het belangrijkste onderdeel van de oscilloscoop is de zgn. kathodestraalbuis, een vacum gepompte kolfvormige glazen buis zoals geschetst in figuur 2. Aan het begin van de kathodestraalbuis (zie figuur 2a en figuur 2b links) bevindt zich het elektronenkanon waarin een gebundelde elektronenstraal wordt opgewekt. Via de nodige versnellings-elektrodes wordt deze elektronenstraal versneld en gestuurd naar de platte achterzijde van de buis (zie figuur 2b rechts).

(a) (b)

Figuur 2 Kathodestraalbuis: (a) gedetailleerd schema van het elektronenkanon; (b) de

volledige buis met het elektronenkanon, Y-platen, X-platen en scherm.

Practicum Natuurkunde

Het elektronenkanon het filament F dat opgewarmd wordt tot enkele duizenden Cdoor te sturen. Zo wordt de kathode zelf gloeiend heet en zendt elektronen uit door thermionische emissie. Tussen kathode K en anode A wordt nu een grote gelijkspanning aangelegd zodat de elektronen die uit de kathode ontsnappen versneld worden naar de anode toe. Een gedeelte van de elektronen vliegt doorheen de kleine opening in de anode richting scherm waar in het midden kathode is het cilindervormig rooster en kathode regelt de focussering van de elektronenbundel en dus en grootte van de lichtspot (o.a. aangeduid door focus op het paneel van de scoop)

De elektronen kunnen onderweg in elektrostatische veld van een stel de spanning die over die platen aangelegd wordtgelijkaardige manier afgebogen platen (X en X).

Tegen de achterzijde van heaangebracht, die oplicht zodra er elektronen tegen botsen. In een rustsituatie, waaronder we hier verstaan een situatie waarbij geen afbuiging plaats vindt, is danvoorzijde van de buis een klein, meestal groen, lichtpuntje zichtbaar. scoop is voorzien van een horizontale en verticale schaalverdeling (zie figuur raster. De afstand tussen twee lijnen van het raster (dikwijls 1 cgenoemd.

Figuur 3 Zaagtandspanning gegenereerd over de X

Door via de nodige versterkende elementen spanningen aan te

platenstelsels kan de lichtstip nagenoeg

- 2/5 -

zelf is afgebeeld in figuur 2a. In de kathode K bevindt zich opgewarmd wordt tot enkele duizenden C door er elektrische

door te sturen. Zo wordt de kathode zelf gloeiend heet en zendt elektronen uit door thermionische emissie. Tussen kathode K en anode A wordt nu een grote gelijkspanning aangelegd zodat de elektronen die uit de kathode ontsnappen versneld worden naar de

de toe. Een gedeelte van de elektronen vliegt doorheen de kleine opening in de anode in het midden een oplichtende spot gecreerd wordt.

cilindervormig rooster R (Wehlnelt-cilinder) geplaatst. De spanning de focussering van de elektronenbundel en dus (o.a. aangeduid door focus op het paneel van de scoop)onderweg in verticale richting afgebogen

een stel horizontale parallelle platen (Y en Y)de spanning die over die platen aangelegd wordt. Vervolgens kunnen

manier afgebogen worden in horizontale richting door een stel

Tegen de achterzijde van het beeldscherm is een dunne fluoaangebracht, die oplicht zodra er elektronen tegen botsen. In een rustsituatie, waaronder

hier verstaan een situatie waarbij geen afbuiging plaats vindt, is danklein, meestal groen, lichtpuntje zichtbaar. Het scherm van de

scoop is voorzien van een horizontale en verticale schaalverdeling (zie figuur raster. De afstand tussen twee lijnen van het raster (dikwijls 1 cm) wordt de

Zaagtandspanning gegenereerd over de X-as van het scoopscherm.

Door via de nodige versterkende elementen spanningen aan te sluiten op de beide platenstelsels kan de lichtstip nagenoeg traagheidsloos over het

Oscilloscoop - 2

. In de kathode K bevindt zich door er elektrische stroom

door te sturen. Zo wordt de kathode zelf gloeiend heet en zendt elektronen uit door thermionische emissie. Tussen kathode K en anode A wordt nu een grote gelijkspanning aangelegd zodat de elektronen die uit de kathode ontsnappen versneld worden naar de

de toe. Een gedeelte van de elektronen vliegt doorheen de kleine opening in de anode een oplichtende spot gecreerd wordt. Rond de

geplaatst. De spanning tussen de focussering van de elektronenbundel en dus de intensiteit (o.a. aangeduid door focus op het paneel van de scoop).

afgebogen worden door het (Y en Y), veroorzaakt door

kunnen ze op een door een stel verticale

fluorescerende laag aangebracht, die oplicht zodra er elektronen tegen botsen. In een rustsituatie, waaronder

hier verstaan een situatie waarbij geen afbuiging plaats vindt, is dan ook aan de Het scherm van de

scoop is voorzien van een horizontale en verticale schaalverdeling (zie figuur 3) en een m) wordt de verdeling

as van het scoopscherm.

sluiten op de beide over het scherm worden

Practicum Natuurkunde Oscilloscoop - 3

- 3/5 -

bewogen, elke variatie in de elektrisch velden van X en Y wordt immers ogenblikkelijk gevolgd door de positie van de lichtspot. Indien we bijvoorbeeld op de bovenste plaat van Y een spanning aanleggen positief t.o.v. de onderste, dan zien we de spot op het scherm omhoog gaan en de positie is afhankelijk van de grootte van de aangelegde spanning.

Als we nu een wisselspanning aanleggen zal de spot op en neer gaan, omdat de bovenste plaat afwisselend positief en negatief wordt t.o.v. de onderste. Indien de wisselspanning een frequentie heeft van meer dan 10 perioden per seconde (10 Hz) dan zullen we een continue verticale lijn zien verschijnen door de nawerking van het scherm en van onze ogen die de snelle veranderingen niet kunnen volgen.

Y-t-mode

Om de tijdsafhankelijkheid en dus ook de golfvorm van een (periodiek) signaal te kunnen bestuderen (Y in functie van t) moet er aan de lichtspot een horizontale uitwijking gegeven worden die evenredig is met de tijd. Daardoor wordt het op en neer bewegende signaal uitgesmeerd over het gehele scherm. Dit lineair verband tussen spanning en tijd wordt gevormd door een tijdsgenerator (ingebouwd in de scoop en gekoppeld aan de X-platen) die een zaagtandsspanning aanlegt. Deze tijdsspanning is afgebeeld in figuur 3 onderaan.

Vanaf tijdstip t0 tot t1 wordt de lichtspot afgebogen van links naar rechts (lineair met t). De tijd tussen tijdstip t1 en t2 (~t0) is de terugslagtijd, hier keert de spot terug naar zijn beginpunt. De lengte van de tijd [t0,t1] kan ingesteld worden met behulp van een regelknop op het bedieningspaneel, meestal aangeduid met TIME/DIV. De standen van deze knop zijn meestal geijkt in seconden per verdeling (seconds per division): vb. 1 ms/div , 0.2 s/div enz.

Enkel tijdens de tijd [t0,t1] wordt de spanning over de Y-platen afgebeeld op het scherm. De terugslagtijd is zo kort dat de bundel tijdens het terugslaan niet te zien is. De spanning over de Y-platen is het te onderzoeken periodieke signaal (ingangssignaal of input van de scoop). Dit wordt meestal vooraan het bedieningspaneel verbonden. De verticale grootte of amplitude van de weergave van dit ingangssignaal kan ook worden geschaald. Dit gebeurt met een regelknop op het bedieningspaneel, meestal aangeduid met VOLTS/DIV. De standen van deze knop zijn meestal geijkt in volt, millivolt.

Voorbeeld - De regelknop staat ingesteld op stand 1 ms/div en we bekomen periodiek signaal zoals afgebeeld in het scoopscherm van figuur 3. We zien op het scherm dat de lengte van 1 periode van het signaal 4 verdelingen bedraagt. De periode van dit signaal is dan: 4 verdelingen x 1 ms/verdeling = 4 ms. Dit komt overeen met de frequentie (4 ms)-1 = (0.004 s) -1 = 250 Hz.

Triggeren

Het beeld verkregen op het scoopscherm zoals in figuur 3 is eigenlijk een voortdurende afbeelding van nieuwe periodes van de periodieke ingangsspanning, het beeld wordt immers telkens ververst tijdens de tijd [t0,t1]. Aangezien er geen verband is tussen de periode van het ingangssignaal en de mogelijke instellingen voor de tijdsas, zal het signaal chaotisch op het scherm verschijnen omdat bij elke verversing het signaal met een willekeurige beginfase zal te zien zijn: het beeld loopt. Als het starten van de weergave (dus tijdstip t0 van de tijdsspanning) altijd zou samenvallen met n bepaalde fase van de periodieke ingangsspanning, dan zouden we de indruk hebben slechts n afbeelding te zien. Dit is eigenlijk wat we nodig hebben om een signaal goed te kunnen onderzoeken. Om dit te realiseren moeten we triggeren.

Het triggeren gebeurt op basis van een bepaald spanningsniveau. Dit triggerniveau ligt binnen het bereik van het ingangssignaal en kan ingesteld worden met een regelknop op het bedieningspaneel, meestal aangeduid met TRIGGER LEVEL. Als het triggeren geactiveerd is, dan zal de tijdsgenerator het horizontale afbuigen tegenhouden (dus de tijdsspanning vasthouden in t0) tot de spanning van het ingangssignaal het triggerniveau bereikt heeft. Pas dan zal de opgaande tijdsspanning tussen [t0,t1] gestart worden.

Practicum Natuurkunde Oscilloscoop - 4

- 4/5 -

Dit triggerniveau kan bereikt worden door een stijgende of dalende ingangsspanning. Welke van de twee moet gebruikt worden om te triggeren, kunnen we instellen met een regelknop, meestal aangeduid door TRIGGER SLOPE. Op deze manier start de weergave van het ingangssignaal steeds op dezelfde vaste fase.

Een andere regelknop (meestal aangeduid als TRIGGER SOURCE) stelt in welk bronsignaal we als trigger gaan gebruiken. Want naast het ingangssignaal zelf (INT) is het ook mogelijk een andere, uitwendig aan te sluiten signaal (EXT) te gebruiken als trigger. Ook de fase van de netspanning (LINE) kan daarvoor gebruikt worden.

AC/DC

We kunnen met de oscilloscoop zowel wisselspanning als gelijkspanning meten. Meestal is er een schakelaar voorzien met volgende instellingen: GND: ground: in deze stand wordt zien we de verticale positie van het effectieve 0 V

signaal. Dit is nodig om in de stand DC de grootte van een wisselspanning te kunnen aflezen.

DC: direct current: we wensen de gelijkspanning van het ingangssignaal te onderzoeken om eventueel de grootte te bepalen (kijk eerst met GND waar de positie van 0 V is !).

AC: alternating current: we wensen de wisselspanning van het ingangssignaal te onderzoeken om eventueel frequenties te meten. Elke constante spanning (of heel traag varirende) is uit het signaal verwijderd. Het signaal wisselt nu symmetrisch rond 0 V.

X-Y-mode

Men kan eveneens een ingangssignaal onderzoeken op de scoop als functie van een ander ingangssignaal i.p.v. de tijd. De tijdsregelknop moet dan in X-Y-mode geplaatst worden, waardoor de zaagtandspanning uitgeschakeld wordt.

Twee-kanaals-oscilloscoop

De twee-kanaals-oscilloscoop kan opgevat worden als twee oscilloscopen samen-gebracht op n scherm. De twee kanalen (channels) kunnen afzonderlijk geregeld worden maar gebruiken wel dezelfde tijdsbasis. Eigenlijk is er slechts n bundel maar worden de twee kanalen afwisselend weergegeven op het scherm (volgens de CHOP- of ALTERNATE- methode, afhankelijk van de tijdsinstelling). Op die manier kunnen we twee verschillende signalen onderzoeken en vergelijken.

Gebruik van de oscilloscoop

Om uzelf vertrouwd te maken met de scoop kan u een functiegenerator rechtstreeks verbinden als ingangssignaal. Neem een sinussignaal van bv. 1 kHz. Let op de regelknoppen voor amplitude en tijd. Probeer achtereenvolgens 1, 2, 3 .. sinusoden op het scherm te verkrijgen.

Verander de frequentie tot 10 kHz en kijk weer naar verschillende beelden op de scoop. Lees telkens T of f af. Schakel over naar een rechthoekgolf en bekijk deze eveneens op de scoop.

LAAT NOOIT EEN ZEER INTENSE LICHTSPOT OP HET SCHERM STAAN !! (inbranden van het scherm)

Voorbeeld: Dynatek 8120

Om een beeld te krijgen van alle regelknoppen die besproken zijn hierboven, is in figuur 4 het bedieningspaneel te zien van n van de analoge oscilloscopen die in het practicum gebruikt wordt: de Dynatek 8120 oscilloscoop. De afbeelding in figuur 1 is eveneens van hetzelfde toestel. Deze scoop is een twee-kanaals-oscilloscoop.

Practicum Natuurkunde Oscilloscoop - 5

- 5/5 -

Figuur 4 Overzicht van het bedieningspaneel van de Dynatek oscilloscoop als voorbeeld.

1 Intensiteit van de elektronenbundel

2 Focusseren van de elektronenbundel

3 Verticaal positioneren van het ingangssignaal aangesloten op kanaal 1 (CH1)

4 Verticaal positioneren van het ingangssignaal aangesloten op kanaal 2 (CH2)

5 Wijze van weergeven: CH1 (enkel kanaal 1), CH2 (enkel kanaal 2), DUAL (beide

afzonderlijk), ADD (beide opgeteld met schakelaar ernaast op NORM, beide

afgetrokken met schakelaar op INV)

6 Regelknop voor de verticale grootte (amplitude) voor kanaal 1

7 Regelknop voor de verticale grootte (amplitude) voor kanaal 2

8 AC/DC/GND voor kanaal 1 (daaronder is de ingang voor kanaal 1)

9 AC/DC/GND voor kanaal 2 (daaronder is de ingang voor kanaal 2)

10 Regelen van het triggerniveau, dit kan zowel positief als negatief zijn

11 Triggeren op stijgend of dalend gedeelte van het signaal

12 Bepalen van de triggerbron: INT (inwendig), LINE (netspanning), EXT (uitwendig)

13 Bepalen van de inwendige triggerbron: kanaal 1 (CH1) of kanaal 2 (CH2). De VERT-

stand schakelt de scoop in X-Y-mode. Daaronder kan eventueel de externe trigger

aangesloten worden.

14 Horizontaal positioneren van tijdsbasis voor beide ingangssignalen

15 Regelknop voor de tijdsbasis voor beide ingangssignalen

1

2

3 4

5

6 7

8 9

10

15

14

13

12

11