Oszcilloszkóp

Az oszcilloszkóp mérési elve

Az oszcilloszkóp sokoldalúan felhasználható elektronikus mérőműszer, melynek legáltalánosabban használt funkciója a mérendő feszültség időbeli változásának vizsgálata.

A mérési eredmény az oszcilloszkóp katódsugárcsövének ernyőjén jelenik meg. (Megjegyzés: A legutóbbi időben megjelentek LCD megjelenítésű oszcilloszkópok is, amelyek folyadékkristály pontmátrix kijelzőjükön jelenítik meg a mérési eredményt. Noha e műszerek fejlődése nagyon lendületes, és kis méretük, intelligens szolgáltatásaik nagyon vonzóak, még nem egyenértékűek minden tekintetben a hagyományos katódsugárcsöves kijelzésű műszerekkel.)

A katódsugárcső egy elektroncső, melynek katódjából nagy sebességű, fókuszált elektronok haladnak az ernyő felé. Az ernyő belső felülete fényporral van bevonva. A nagy sebességű elektronok mozgási energiája a fényporba történő becsapódáskor részben fény- részben pedig hőenergiává alakul át, így a becsapódás helyén egy fénypont válik láthatóvá.

A fénypont helyét az ernyőn a katódsugárcső függőleges illetve vízszintes eltérítő elektródáira adott feszültséggel lehet befolyásolni.

A függőleges eltérítő elektródapár két vízszintes, egymással szemben elhelyezett eltérítő lemezből áll, melyek között haladnak át a katódból az ernyő felé haladó elektronok. Ha e két eltérítő lemez közül pl. a felső pozitívabb, az alsó negatívabb potenciálon van, a köztük áthaladó, negatív töltésű elektronokat a felső eltérítő lemez jobban vonzza mint az alsó, ezért az elektronsugárra felfelé ható erő hat, és az felfelé térül el. Az eltérítő erő, és így az elektronsugár eltérülésének nagysága az eltérítő lemezek közé kapcsolt feszültséggel arányos. Az eltérítő elektróda párra fordított polaritású feszültséget kapcsolva, az elektronsugár lefelé térül el.

Teljesen hasonló módon téríti el vízszintes irányban az elektronsugarat a két függőleges, egymással szemben elhelyezett vízszintes eltérítő lemez, a közéjük kapcsolt feszültség irányától függően balra vagy jobbra, illetve a feszültség nagyságával arányos mértékben.

Az eltérítő elektródákra kapcsolt, megfelelő irányú és nagyságú feszültséggel az elektronsugár becsapódási helye az ernyő aktív területének bármely pontjára beállítható.

Amikor az oszcilloszkópot a feszültség időbeli változásának vizsgálatára használják fel, a vízszintes eltérítő lemezpárra egy belső generátorból az idővel egyenletesen növekvő feszültséget kapcsolnak, melynek a hatására az elektronsugár (tehát az ernyőn megjelenő fénypont) egyenletes sebességgel halad az ernyő bal oldalától a jobb oldaláig. Ezzel egyidejűleg a függőleges eltérítő lemezpárra a mérendő feszültséggel arányos eltérítő feszültséget kapcsolnak. Ezért az elektronsugár függőleges irányban is eltérül, a vizsgált feszültség adott pillanatban mért értékével arányosan. Mindez azt jelenti, hogy az ernyőn megjelenő fénypont vízszintesen az idővel arányos utat tesz meg, miközben függőlegesen az adott időpontban mért feszültséggel arányosan tér ki, tehát „felrajzolja” az ernyőre a mért jel feszültség/idő függvényét.

A katódsugárcsővel kapcsolatos tudnivalók, kezelő szervek és beállításuk

A fénypor

A fénypor feladata, hogy az elektronok becsapódása (gerjesztés) hatására fényt bocsátson ki. Elkerülhetetlen azonban, hogy a becsapódó elektronok energiájának egy része hővé alakuljon. Azt, hogy a becsapódott elektronok energiájának hány %-a alakul fénnyé, a fénypor hatásfoka adja meg. Ez - a fénypor összetételétől függően - 5% és 25% között van, tehát az energia nagyobb része hővé alakul. Nagy fényerő esetén nagy a keletkező hő mennyisége is, és - különösen akkor, ha az elektronsugár az ernyőnek folytatólagosan ugyanazt a pontját gerjeszti - a fénypor az adott helyen túlhevülhet, és fénykibocsátó képessége csökkenhet vagy megszűnhet (a fénypor kiég).

Fényerő

A gerjesztés helyén létrejövő fény intenzitása és a keletkező hő mennyisége (a fénypor összetételén kívül) függ a beeső elektronok számától, azaz a katódsugárcső katódáramától. A katódáram - tehát a fényerő - az oszcilloszkóp előlapjára kivezetett fényerőszabályozó potenciométerrel állítható be, melynek szokásos felirata INTENSITY (INT, INTENS) esetleg BRIGHTNES (USA) vagy BRILLIANCE (GB). A potenciométert jobbra (az óramutató járásával megegyezően) elforgatva a fényerő nő. A fénypor kiégésének elkerülése céljából a fényerőt mindig arra a minimális értékre kell beállítani, amely mellett az ernyőkép még jól kiértékelhető! (Ugyanezt indokolja az is, hogy az ernyőn megjelenő kép élessége annál nagyobb, tehát a mérési eredmény annál pontosabban olvasható le, minél kisebb a fényerő.)

Élesség (fókusz, asztigmatizmus)

Az ernyőn megjelenő fénypont élességét az előlapra kivezetett fókusz (FOCUS) potenciométerrel lehet beállítani. Ezt a kezelő szervet úgy állítsd be, hogy az ernyőn megjelenő vonal minimális vastagságú legyen. A fókusz beállításához az ernyő aktív felületének kb. 80%-át sűrűn kitöltő jelet jeleníts meg (pl. olyan szinuszjelet, amelynek 8-10 periódusa fér az ernyőre), amelyen jól látható, hogy a vonalak mind vízszintes, mind függőleges irányban kellően élesek-e. Silányabb minőségű oszcilloszkópoknál a kép élessége más fókusz beállításnál jó az ernyő közepén, ill. széleinek közelében. Ilyen esetben a fókuszt úgy kell beállítani, hogy az élesség főként az ernyő központi részén legyen jó, de az ernyő minden pontján legyen még elfogadható.

Egyes oszcilloszkópokon az előlapra is kivezetik, de (mivel kezelése ritkán szükséges) újabban inkább a műszer belsejében állíthatóan helyezik el az asztigmatizmus (ASTIGMATISM, ASTIGM. stb.) potenciométert, amellyel az állítható be, hogy a megjelenő kép vízszintesen és függőlegesen egyszerre legyen éles.

Skála

Az oszcilloszkóp nem csak a vizsgált jel alakjának megjelenítésére alkalmas, hanem számszerű jellemzőinek mérésére is. Az ernyőn a vízszintes tengely az időnek, a függőleges tengely a mért feszültségnek felel meg, az adott tengelyek mentén e mennyiségeket lehet leolvasni.

A leolvasást a katódsugárcső ernyője előtt elhelyezett („külső”) vagy az ernyő belső felületére felvitt („belső”) vízszintes és függőleges osztásvonalakból (graticules) álló skála teszi lehetővé. A régebben alkalmazott „külső” skála az ernyő előtt elhelyezett átlátszó műanyag lapnak az ernyő felé eső oldalába gravírozott, négyzethálót alkotó osztásvonalakból áll. A műanyag lap oldalélét megvilágítva (skálavilágítás: SCALE ILLUMINATION, SCALE ILLUM.) a begravírozott osztásvonalak láthatóvá válnak. E megoldás hátránya, hogy - ugyanúgy, mint a mutatós műszereknél - ha a leolvasást nem a skálalapra merőleges irányból végzik, parallaxishiba lép fel. Előny viszont, hogy a skálalap cserélhető, és az adott mérési feladathoz speciális (pl. a mért jel megengedett tűrését is mutató) skálalapok alkalmazhatók.

A „belső” skálavonalakat a katódsugárcső ernyőjének belső felületére viszik fel. Mivel ekkor a skála és a keletkező fénypont egy síkban van, parallaxishiba nem lép fel. Alkalmas skálavilágítással a belső skálavonalak is kiemelhetők.

A korszerű oszcilloszkóp kezelő szervein beállítható, hogy vízszintes illetve függőleges irányban e skálavonalakból álló négyzetháló 1 osztása (osztás = division, rövidítve DIV) milyen időnek ill. feszültségnek feleljen meg.

Eltérően a mutatós műszertől, amely skálájának van „0” pontja, az oszcilloszkóp skálalapján nincs kijelölve „0” vonal. A mérést végző maga dönti el, hogy a skálalap melyik vonalát használja „0” szintnek, referenciának. E döntésnél azt kell figyelembe vennie, hogy a mérendő feszültség milyen értékek között változhat. A bemenetre adott, a földhöz képest pozitív feszültség hatására az oszcilloszkóp ernyőjén a sugár felfelé, míg negatív feszültség hatására lefelé térül el. A mérési eredmény annál pontosabban olvasható le, minél nagyobb méretű az ernyőn megjelenő kép. Ezért:

• ha a mérendő feszültség a földhöz képest kb. egyforma nagyságú pozitív és negatív értéket vehet fel, biztosítani kell, hogy a sugár felfelé és lefelé is kb. azonos mértékben térhessen ki. Ekkor „0” szintnek az ernyő vízszintes középvonalát választjuk.
• ha a mérendő feszültség a földhöz képest pozitív, a sugár csak felfelé fog eltérülni, ezért „0” szintet (alapvonalat) az ernyő aljára állítjuk,
• ha a mérendő feszültség a földhöz képes negatív, a sugár csak lefelé fog eltérülni, ezért a „0” szinten az ernyő tetejére állítjuk.

A „0” szintet (alapvonalat) az oszcilloszkóp függőleges eltérítő áramkörének (az előlapra szerelt) függőleges pozíciószabályozó potenciométerével lehet a megfelelő helyre beállítani. E potenciométer előlapi felirata: VERTICAL POSITION, VERT.POS, POSITION, Y POSITION stb. (Az ernyőn alkalmazott derékszögű négyzetháló vízszintes tengelyét és az ilyen irányú eltérítést a matematikai analógia alapján szokás X, a függőleges tengelyt és a függőleges irányú eltérítő rendszert Y irányú eltérítésnek nevezni.)

A korszerű oszcilloszkópokat nagy aktív felületű (általában vízszintesen 10, függőlegesen 8 DIV méretű), négyszögletes ernyőjű katódsugárcsövekkel készítik.

Az ernyőn megjelenő kép kiértékelésekor a sugár eltérülését mindig a beállított „0” szinthez (alapvonalhoz) képest kell meghatározni. Ezt segíti a (normál méretű asztali oszcilloszkóp skálalapján megszokott kb. 10 mm-es raszterhálón [1 DIV = 10 mm]) kívül pl. a függőleges és vízszintes felezővonalon található, finomabb (2 mm-es) osztás is.

Sugárforgatás

A katódsugárcső katódjától az ernyő felé haladó elektronsugarat nem csak az eltérítő lemezek közé kapcsolt feszültségből adódó elektrosztatikus erőtér téríti el, hanem az oszcilloszkópot körülvevő mágneses erőtér is. Utóbbi zavaró hatásának a kiküszöbölésére a katódsugárcsövet speciális fémből (mumetall) készült mágneses árnyékolással veszik körül. Ez az árnyékolás azonban nem elegendő a Föld mágneses hatásának teljes kiküszöbölésére. Ha az oszcilloszkópot átviszik egy másik terembe, vagy akár csak 180 fokkal elfordítják eredeti pozíciójához képest, az ernyőn a sugár korábbi helyzetéből elmozdulhat. Ha a sugár vízszintesen, vagy függőlegesen mozdul el, a vízszintes vagy függőleges pozíciószabályozó potenciométerrel az eredeti helyzetébe visszaállítható. Előfordulhat azonban az is, hogy a Föld mágneses terének hatására a sugár elfordul, azaz a skálalapon található vízszintes ill. függőleges tengellyel nem lesz párhuzamos, hanem azzal szöget zár be. Erre az esetre felkészülve a külső skálás oszcilloszkóp műanyag skálalapját nem fixen erősítik fel, hanem egyik sarka körül elfordíthatóan. A skálalap ezzel szemközti sarkának pontos helyzetét egy excenterrel lehet úgy beállítani, hogy a skála vízszintes középvonala párhuzamos legyen az ernyőn megjelenő (függőleges eltérítés nélküli) sugárral.

Belső skálás oszcilloszkópnál a skála elfordítása lehetetlen, ezért az elektronsugarat egy, a mágneses árnyékoláson belül elhelyezett tekercsbe vezetett, a sugárforgatás (TRACE ROTATION, TRACE ROT., TR.) potenciométerrel beállítható egyenárammal forgatják a skálával párhuzamos helyzetbe. Ez a beállító szerv az előlapról csavarhúzóval állítható.

Az oszcilloszkóp használatba vételekor meg kell győződni arról, hogy a sugár párhuzamos-e a skála alapvonalával. Szükség esetén a külső skála elbillentésével, vagy belső skála esetén a sugár forgatás beállításával a skálát és az alapvonalat párhuzamos helyzetbe kell állítani!

Sugárkereső

A helyesen beállított oszcilloszkópot bekapcsolva, az ernyőn vízszintes vonal jelenik meg. Ha ez nem így történik, annak több oka is lehet. Ez a helyzet pl. akkor, ha a sugár vízszintes vagy függőleges pozícióját szabályozó potenciométer el van állítva: ekkor a sugár az ernyő aktív felületén kívülre kerülhet, és nem látható.

A régebbi, elektroncsöves oszcilloszkópok előlapján egy-egy glimmlámpa kigyulladása jelezte a sugár pozícióját (balra, jobbra, fent, lent). E glimmlámpák gyújtási feszültsége azonos nagyságrendbe esett az elektroncsöves oszcilloszkópokban alkalmazott katódsugárcsövek eltérítő lemezeire adandó feszültséggel, ezért működtetésük rendkívül egyszerű áramköri megoldást igényelt.

A korszerű, félvezetős oszcilloszkópokban más megoldásokat alkalmaznak. Ritkábban elektronikus áramkör figyeli a sugár pozícióját, és ha az elhagyta az ernyő aktív felületét, a megfelelő irányba mutató nyíl alakú LED gyullad ki.

A gyakoribb megoldás a sugárkereső (TRACE FINDER, BEAM FINDER) alkalmazása. A sugárkereső gomb benyomásakor mind a vízszintes, mind a függőleges erősítés annyira lecsökken, hogy a sugár pozícióját szabályozó gombok teljesen elforgatott helyzetében is megjelenik a sugár az ernyőn. Ha ekkor a pozíciószabályozó gombokkal a sugarat az ernyő közepére állítják, a sugárkereső gomb felengedése után a sugár az ernyőn marad. Egyes oszcilloszkópok sugárkereső gombja megnyomásakor az indítás szabadonfutó üzembe kerül (ld. később), a fényerő is automatikusan megnő, a fókusz pedig elállítódik, azért, hogy a sugár mindenképpen megjelenjen az ernyőn, de ne okozza a fénypor kiégését.

Működési frekvenciatartomány

Már említettük, az Y eltérítés a skálalap Y, azaz függőleges tengelye irányú eltérítést jelenti. Az oszcilloszkóp szokásos üzemmódjában a függőleges eltérítő elektródákra a felerősített mért jel, a vízszintes eltérítő elektródákra pedig az idővel arányosan növekvő jel („fűrészjel”, ld. később) kerül.

A katódsugárcső függőleges eltérítő elektródáira (csőtípustól függően) néhányszor 1-10 V feszültséget kell kapcsolni a sugár 1 DIV eltérítéséhez. A mérendő feszültség azonban sokszor csak néhány millivolt, ezért szükséges a mért jelet a szükséges mértékben felerősíteni, mielőtt a függőleges eltérítő lemezpárra jutna. A korszerű oszcilloszkópban alkalmazott erősítő már DC-től (egyenfeszültségtől, azaz 0 Hz frekvenciától) erősít, a frekvencia növekedésével azonban erősítése csökken. Azt a frekvenciát, ahol az erősítő erősítése (általában 100 kHz-es „referencia” jelhez képest) 3 dB-el (azaz a feszültségerősítés kb. a 71%-ára) csökken, határfrekvenciának nevezik (f_c).

A függőleges erősítő erősítésének a csökkenése miatt az ernyőn megjelenő jel függőleges mérete is csökken. Ha pl. a bemenő osztón 1V/DIV eltérítési érzékenységet állítunk be, egy 100 kHz-es, 3V amplitudójú szinuszjel +/-3 DIV, azaz csúcstól csúcsig 6 DIV nagyságú ábrát hoz létre a katódsugárcső ernyőjén. Ugyanekkora amplitudójú, de f_c frekvenciájú szinuszjel erősítése az előbbinek már csak 71%-a, tehát az ernyőn csak kb. 4,2 DIV függőleges méretű szinuszjel jelenik meg, azaz ha a jel nagyságát az oszcilloszkóp ernyőjéről olvasod le, a jel csúcstól csúcsig vett értékét a tényleges 6V helyett 4,2V-nak mérheted.

Ez azt jelenti, hogy a mért jel frekvenciájától függő, nem elhanyagolható mértékű mérési hiba jön létre. Felvetődik a kérdés, hogy mindezek után mi a feltétele annak (milyen lehet a mért szinuszjel legnagyobb frekvenciája), hogy a mért (az ernyőről leolvasott függőleges méretet a függőleges osztó által megadott V/DIV értékkel beszorzott) feszültség az oszcilloszkóp adatlapján megadott, általában +/- 2...3% tűrésen belül maradjon a feszültség tényleges értékéhez képest.

Úgy tekintheted, hogy ez a frekvencia 0,3 f_c, ugyanis általában az erősítés ezen a frekvencián csökken kb. 3%-al.

Feszültségméréskor az oszcilloszkóp mérési pontossága akkor tekinthető az adatlapján megadottnak, ha a mért (szinusz-) jel frekvenciája nem nagyobb, mint az oszcilloszkóp határfrekvenciájának (f_c) 0,3-szorosa. Ennél nagyobb frekvenciájú (szinusz-) jelnél feszültségméréskor figyelembe kell venni az oszcilloszkóp függőleges erősítőjének frekvenciamenetét, és az annak megfelelő korrekciót kell alkalmazni.

(Azt, hogy szinuszjel méréséről van szó, azért kell hangsúlyozni, mert más jelalak esetén a jel az alapharmonikusán kívül harmonikusokat, azaz magasabb frekvenciájú komponenseket is tartalmaz, melyeket a függőleges erősítő frekvenciájuktól függően, nem egyforma mértékben erősít. Ennek eredményeként nem szinuszos jel mérésekor az ernyőn akkor is torzított jelalak jelenhet meg, ha a mért jel frekvenciája kisebb, mint 0,3 f_c.)

Csatornák

A korszerű oszcilloszkópok alkalmasak arra, hogy ernyőjükön egyidejűleg két (vagy több) jelalakot jelenítsenek meg, így lehetővé téve azok összehasonlítását, időbeli lefolyásuk egymáshoz képesti vizsgálatát. Az oszcilloszkóp annyi „csatornás” (csatorna = CHANNEL, rövidítve CH), amennyi jelet az ernyőjén egyidejűleg megjeleníteni képes. A komolyabb oszcilloszkópok legalább kétcsatornásak.

Az általánosan alkalmazott „elektronkapcsolós kétsugaras” (két nyomvonalas, DUAL TRACE) oszcilloszkópban a katódsugárcső egyetlen elektronsugarát kapcsolják át egy elektronikus áramkör: az elektronkapcsoló alkalmazásával úgy, hogy hol az egyik, hol a másik csatorna bemenetére adott jel képe jelenik meg az ernyőn.

Az elektronkapcsoló üzemmódjai

Az elektronkapcsoló két bemenetére előzetes erősítés után érkezik a két csatornabemenetre (CH.I, CH.II) adott jel. Az elektronkapcsoló Y kimenetén megjelenő jel a beállított üzemmódtól függ.

1. CH I. üzemmódban az elektronkapcsoló az I. csatorna jelét kapcsolja az Y kimenetre, ekkor tehát az ernyőn csak az I. csatorna jele jelenik meg.
2. CH II. üzemmódban az elektronkapcsoló a II. csatorna jelét kapcsolja az Y kimenetre, ekkor tehát az ernyőn csak a II. csatorna jele jelenik meg.
3. ALT (=ALTERNATE, váltakozó) üzemmódban az elektronkapcsoló először az I. csatornát kapcsolja az Y kimenetre, ekkor az elektronsugár az ernyőre rajzolja az I. csatorna jelét. Amikor az elektronsugár e jel rajzolását befejezte (elért az ernyő jobb oldalára), rövid idő alatt visszafut az ernyő bal oldalára. A visszafutással egyidejűleg az elektronkapcsoló átkapcsolódik a II. csatornára, és annak a jelét kapcsolja az Y kimenetre. Az elektronsugár következő lefutásakor így a II. csatornára adott jelet rajzolja az ernyőre. A sugár minden visszafutásával egyidejűleg az elektronkapcsoló átvált, így felváltva rajzolja az ernyőre az I. és II. csatornára kapcsolt jelalakot. Ha az elektronsugár rövid idő alatt járja be balról jobbra az ernyőt (majd indul el ismét), az I. és II. csatorna rajzolása között olyan rövid idő telik el, hogy a szem tehetetlensége (és a fénypor utánvilágítása) miatt úgy látjuk, mintha a két csatorna jelének képe egyszerre lenne jelen az ernyőn. (A szem tehetetlensége: a tapasztalatok szerint az emberi szem az 1/1000 másodpercre felvillanó képet kb. 1/16 másodpercig látja. Ha tehát legalább 1/16 másodpercenként felvillan az ernyőn egy kép, úgy látjuk, mint ha az folyamatosan az ernyőn lenne.)
4. CHOP (=CHOPPED, szaggatott) üzemmódban az elektronkapcsoló szintén váltakozva kapcsolja az Y kimenetre az I. illetve a II. csatorna jelét, de az átkapcsolás az elektronsugárnak az ernyőn való helyzetétől függetlenül, az adott műszertől függően 100 kHz - 1 MHz átkapcsolási frekvenciával történik. Ennek megfelelően, a sugár az ernyőn balról jobbra egyenletesen haladva, függőleges irányban hol az egyik, hol a másik csatorna jeléből rajzol az ernyőre egy szakaszt. Tekintettel arra, hogy az átkapcsoló jel frekvenciája csak a legritkábban adódik a vizsgált jel frekvenciájának egészszámú többszörösére, a sugár következő lefutásakor mindkét csatorna jeléből más-más szakaszt rajzol le, és így összességében megint csak úgy látjuk, mint ha a két csatorna jele egyszerre lenne jelen az ernyőn.
5. ADD (algebrai összegzés) üzemmódban mindkét csatorna jele az összegző áramkör bemenetére kerül és az Y kimeneten a két csatorna jelének algebrai összege jelenik meg. Ha az egyik csatorna jelét (még az elektronkapcsolóra jutása előtt) fázisfordító (invertáló) áramkörre vezetik, az „összegzés” eredménye a két csatorna jelének különbsége lesz (ld. szimmetrikus jelek mérése).

Csatornabemenetek

Az oszcilloszkóp bemenetei (különleges kivételektől eltekintve) aszimmetrikusak. Aszimmetrikus hálózatnál mind a jelforrás, mind a terhelés egyik kapcsa földelve van („hideg pont”), míg a jel a jelforrást és a terhelést összekötő vezetéken halad („meleg pont”). A jel a „meleg pont” és a föld között mérhető.

Ha a jelet szállító vezeték elektromágneses erőtérbe kerül (már pedig gyakorlatilag mindig ez a helyzet), feszültség indukálódik rajta. Ez a zavarfeszültség (a terhelésen mérve) a jelforrás által generált feszültségre szuperponálódik. Az ilyen zavarok kiküszöbölése céljából az aszimmetrikus jelet szállító vezeték „meleg” erét egy vezető anyagból készült „árnyékolással” (sűrű drótfonat vagy vékony fólia) veszik körül, ez az árnyékolt kábel. A külső elektromágneses tér az árnyékolásban feszültséget indukál, amely olyan örvényáramokat hoz léte, melyek mágneses hatásukkal (az árnyékolás belsejében) semlegesítik a külső mágneses teret. Ezért az árnyékolt kábel „meleg” ere védett a külső mágneses terek által keltett zavarfeszültségekkel szemben.

Aszimmetrikus pl. a jelátvitel az árnyékolt mikrofonkábelen vagy a koaxiális TV antennakábelen.

Az oszcilloszkópok csatorna bemenetei aszimmetrikus rendszerűek, azaz a mérendő jelet a föld és a csatlakozó „meleg” pontja közé kell kapcsolni. (A bemenő csatlakozó újabb oszcilloszkópoknál BNC típusú.) Az oszcilloszkóp bemenő ellenállása rendszerint 1 Mohm, amellyel 10-40 pF kiküszöbölhetetlen szórt kapacitás kapcsolódik párhuzamosan.

AC/DC/GND átkapcsoló

Az oszcilloszkóp alkalmas arra, hogy egyenfeszültséget mérjen: ha a bemenetre csak egyenfeszültséget kapcsolsz, az elektronsugár által az ernyőre rajzolt vízszintes egyenes függőleges helyzete változik meg (pozitív feszültség esetén felfelé, negatív feszültség mérésénél lefelé térül el).

A csatornák bemenetén átkapcsoló található, melynek állásai:

• DC állásában a csatornabemenetre adott jel teljes egészében tovább jut a megfelelő csatorna bemeneti osztójára.
• AC állásban a bemenettel egy nagy kapacitású kondenzátor kapcsolódik sorba. Ez a kondenzátor a bemenetre kapcsolt egyenfeszültség számára szakadást jelent, míg a (legalább néhány Hz frekvenciájú) váltakozófeszültségű komponenseket átengedi. Ilyen kapcsolóállásban tehát az ernyőn a vizsgált jelnek csak a váltakozófeszültségű komponense jelenik meg. (Nagy periódusidejű impulzusok vizsgálatakor a soros kondenzátor jeltorzulást: az impulzus tetőesését okozza!) E kapcsolóállás alkalmazása akkor indokolt, ha nagy egyenfeszültségre szuperponált kis váltakozófeszültséget kell megvizsgálni.
• GD állásban a kapcsoló az oszcilloszkóp csatornaerősítőjének (bemeneti osztójának) bemenetét (nem a mért jelet!!!) leföldeli. Ebben a kapcsolóállásban úgy lehet beállítani az „alapvonal” függőleges helyzetét, hogy e közben a csatornabemenetre kapcsolt jelet nem kell lekapcsolni.

Bemeneti osztó

Az oszcilloszkóp Y csatornájának erősítőit úgy méretezik, hogy a bemenetre adott néhány (pl. 5) mV feszültség hatására az ernyőn a sugár függőleges kitérése 1 DIV (pl. 10 mm) legyen. Szokásos, hogy az ernyő skálája függőleges irányban 8, vízszintes irányban 10 osztást tartalmaz. Így ha az alapvonalat a legalsó vízszintes skálavonalra állítjuk, 8 x 5 = 40 mV feszültség hatására a sugár már a legfelső skálavonalra kerül. Ennél nagyobb bemenő feszültség a sugarat már az ernyő aktív területén kívülre térítené ki. Az oszcilloszkóp azonban ugyanolyan „univerzális” műszer, mint a multiméter, azaz a bemenő feszültségek széles tartományában alkalmas kell, hogy legyen a mérések végzésére. Azt, hogy a sugár az ernyő aktív területén maradjon nagyobb feszültségek mérésekor is, úgy érik el, hogy - hasonlóan a digitális multiméterhez - nem a bemenetre kapcsolt teljes feszültséget, hanem annak csak egy, a bemeneti osztó által leosztott részét kapcsolják az erősítő bemenetére. A csatorna bemeneti osztóját fokozatkapcsolóval lehet beállítani. Az óramutató járásával azonos irányba forgatva a kapcsolót, az oszcilloszkóp érzékenysége általában egyre nő; végállásban a legnagyobb érzékenység. A bemeneti osztót úgy készítik el, hogy bármely osztási állásában ugyanakkora (1 Mohm) bemenő ellenállást, illetve bemenő kapacitást biztosítson, és a feszültségosztás frekvenciafüggetlen legyen.

Az oszcilloszkóp bemeneti osztójával a szokás szerint egy dekádban (tízszeres feszültségtartományban) három érzékenység állítható be, pl. az 1...10 V tartományban 1 V/DIV, 2 V/DIV és 5 V/DIV. (Emlékezz vissza, hogy a mutatós műszereknél viszont egy dekádban csak két fokozat, pl. 1 V és 3 V végkitérés volt beállítható. Ennek oka az volt, hogy így volt biztosítható, hogy bármely méréshatárban a mutató legalább a skála második harmadába térjen ki, amit viszont a megfelelő mérési pontosság igénye indokolt.) Az oszcilloszkóp feszültség leolvasási pontossága szintén függ az ernyőn megjelenő ábra függőleges méretétől: minél nagyobb az ábra, annál pontosabb lehet a leolvasás. Itt akkor mondható a mérési pontosság megfelelőnek, ha a sugár függőleges kitérése legalább 3...4 DIV. Ahhoz pedig, hogy bármilyen mért feszültségnél a bemenő osztó állításával ekkora jel kitérést érhess el, egy dekádon belül három érzékenység fokozat szükséges.

Indítás (triggerelés)

A hagyományos (real time) oszcilloszkópon az elektronsugár a vizsgált jel lefutásával egyidejűleg rajzolja fel annak időképét az ernyőre. Az általánosan alkalmazott fénypor utánvilágítási ideje néhány ezredmásodperc, az egyszer felrajzolt képet a szem 1/16 másodpercig látja. Ha az oszcilloszkóp csak egyszer rajzolná ernyőjére a jelalakot, az kb. 1/16 másodperc elteltével már nem lenne látható. A jelalak kiértékelése azonban ennél sokkal több időt igényel, arra van szükség, hogy a jel időképe a mérés alatt folyamatosan látható legyen az ernyőn. Ezt úgy érik el, hogy az elektronsugár nem egyszer rajzolja fel az ernyőre a vizsgált jel időképét, hanem rövid időnként ismétlődően. Amikor a kép felrajzolása befejeződött (a sugár elérte az ernyő jobb szélét), az elektronsugár rövid idő alatt visszatér az ernyő bal szélére, és a kép felrajzolása ismét megkezdődik. (Természetesen ilyen módon csak olyan jelet lehet oszcilloszkópon vizsgálni, amely periodikus, azaz ugyanazok a jelrészletek folytonosan ismétlődnek.)

Abban az esetben, ha nem volna kapcsolat a kép felrajzolásának ismétlődési ideje és a vizsgált jel periódusideje között, az elektronsugár minden rajzoláskor más fázisban rajzolná fel a képet az ernyőre („szabadonfutó” indítás). Így az ernyőn egymásra rajzolt különböző fázisú jelekből álló, kiértékelhetetlen kép alakul ki. Ahhoz, hogy a jel értékelhető legyen, „megálljon” az ernyőn, az szükséges, hogy az elektronsugár minden újabb rajzoláskor az előzővel azonos fázisban rajzolja fel a jelet. Ezt a korszerű oszcilloszkópon az indítás (triggerelés) révén valósítják meg.

A tiggerelhető (indítható) oszcilloszkóp működése a következő:

Az ernyőn megjelenő fénypontnak a vízszintes irányú mozgatását a vízszintes eltérítő generátor által keltett (és erősítés után a katódsugárcső vízszintes eltérítő elektródáira kerülő) „fűrészjel” (SAW-TOOTH) biztosítja. A fűrészjel felfutási szakasza lineáris (egyenes), ez alatt a fénypont az ernyőn egyenletes sebességgel halad balról jobbra, majd a visszafutás alatt a fénypont rövid idő alatt visszatér az ernyő bal oldalára. Ezt a kivárás (HOLD-OFF) szakasza követi, amely idő alatt a fénypont az ernyő bal oldalán várakozik. A felfutási szakasz időtartama széles tartományban beállítható (TIME/DIV fokozatkapcsoló), így válik lehetővé a különböző periódusidejű jelalakok oszcilloszkópos megfigyelése.

A vízszintes eltérítő generátor vezérli a kivilágító áramkört, mely a katódsugárcső katódáramát, tehát a fényerőt vezérli, és melynek feladata, hogy csak a felfutási idő alatt „világítsa ki” a fénypontot az ernyőn, a visszafutás és kivárás alatt az ernyő sötét marad.

A „kivárás” után a „felfutás” szakasz a trigger (indító) jel hatására kezdődik. A tigger jelet (általában a mért jelből) az oszcilloszkóp indítójelképző áramköre állítja elő. Az indítójelképző áramkör abban a pillanatban ad ki egy-egy indító (trigger) impulzust, amikor a bemenetére kapcsolt (mért) jel feszültsége átlépi az indítójelképző áramkör indítási szint (TRIGGER LEVEL) potenciométerén beállított feszültség értékét. A trigger (indító) impulzus hatására kezdődik meg a vízszintes eltérítő jel felfutási szakasza, ekkor az elektronsugár „kivilágosodik” és az ernyőre rajzolja a mért jelalak egy, a beállított felfutási idő által meghatározott szakaszát. A jel rajzolása abban a pillanatban kezdődik, amikor a trigger impulzus megjelent, tehát az ernyő bal oldalán megjelenő jel feszültségének kezdőértéke azonos a beállított indítási szinttel. Az indítási szint változtatásával az ernyőn megjelenő kép kezdőfázisa változik. A következő felfutás csak a következő trigger impulzus beérkezésekor indul meg, az pedig akkor keletkezik, amikor a mért jel ugyanabban a fázisban van (ugyanazt a feszültségszintet lépi át) mint az előző indításkor. Így tehát az elektronsugár az ernyő bal oldaláról indulva, mindig ugyanabban a fázisban rajzolja fel a jelet. Ha a felrajzolás kellő gyakorisággal történik, az ernyőn megjelenő kép villogásmentes, és, úgy látszik, mintha egy jel „állna” az ernyőn.

Automata triggerelés

Az indítójelképző áramkör akkor hozza létre a trigger impulzust, amikor a bemenetére adott jel feszültsége átlépi az előlapi TRIGGER LEVEL potenciométerrel beállított feszültségszintet. Abban az esetben, ha az indítójelképző áramkör bemenetére nem adunk jelet, vagy ha a jel feszültsége nem éri el a beállított TRIGGER LEVEL értéket, trigger impulzus nem keletkezik, azaz a vízszintes eltérítés felfutása nem indul meg, és a kivilágosító áramkör az ernyőt sötétíti.

A tapasztalatok szerint a sötét ernyő zavarja a mérést végző személyt, mert nem tudja, hogy a kép hiánya a trigger impulzus hiányából fakad, vagy az oszcilloszkóp meghibásodásából (esetleg kezelőszerveinek rossz beállításából). E zavaró hatás kiküszöbölésére komolyabb oszcilloszkópokon beállítható az AUTOMATA (AUTO, AT) trigger üzemmód. Ebben az üzemmódban az „automata” áramkör figyeli azt, hogy (a TIME/DIV fokozatkapcsoló beállításától függő) időtartam alatt keletkezett-e trigger impulzus, és ha nem, maga az áramkör indítja el bizonyos időnként a sugár vízszintes lefutását. Így el lehet érni, hogy a sugár akkor is megjelenjen az ernyőn, ha trigger jel nem keletkezik.

Egyszeres lefutás (SINGLE SWEEP)

Bizonyos esetekben (pl. az ernyő fényképezésekor) kívánatos lehet, hogy a sugár csak az üzemmód beállítása utáni első keletkező trigger jelre, egyszer fusson le. Jobb minőségű oszcilloszkópokon beállítható a SINGLE SWEEP üzem. Ekkor az áramkörhöz tartozó RESET gomb megnyomásával lehet a trigger áramkört készenléti állapotba helyezni, az ezt követő első trigger impulzus indítja az elektronsugár egyszeri lefutását. Az ezt követő trigger impulzusok (a RESET gomb ismételt megnyomásáig) hatástalanok.

Vízszintes eltérítő generátor

Az oszcilloszkóp szokásos (a jel időfüggvényét az ernyőre rajzoló) üzemmódjában a katódsugárcső vízszintes eltérítő elektródáinak vezérléséhez szükséges fűrészjelet a vízszintes eltérítő generátor állítja elő. A fűrészjel felfutása a generátort indító trigger jel hatására indul meg, időtartamát pedig a TIME/DIV fokozatkapcsolóval lehet beállítani.

X-Y üzemmód

X-Y üzemmódban - a szokásostól eltérően - az oszcilloszkóp az egyik csatornabemenetre kapcsolt jel a függőleges (Y), a másik csatornabemenetre kapcsolt jel a vízszintes (X) irányú eltérítést vezérli, tehát a két bemenetre adott jelet az oszcilloszkóp az XY koordinátarendszerben rajzolja az ernyőre. Az X-Y üzemmód bekapcsolásakor nem a vízszintes eltérítő generátor, hanem (pl.) a CH.II. erősítő kimenő jele juthat tovább a vízszintes (X) végerősítő bemenetére. Az Y végerősítő bemenetére az elektronkapcsoló által szolgáltatott jel kerül.

Könnyen belátható, hogy ha a két csatorna bemenetére azonos amplitúdójú és fázisú szinuszjelet kapcsolsz, X-Y üzemmódban az ernyőn jobbra 45 fokos szögben dőlő egyenes szakasz jelenik meg, hiszen bármely időpontban ugyanakkora az X és az Y irányú eltérítő feszültség.

Abban az esetben, ha a két csatornára azonos amplitúdójú, de ellentétes fázisú jelet kapcsolsz az ernyőn 45 fokos szögben balra dőlő szakasz jelenik meg, mert bármely időpontban az X irányú eltérítő jel az Y irányú eltérítő jel (-1)-szerese.

Belátható az is, hogy a két csatornára azonos frekvenciájú, egymáshoz képest 90 fok fáziseltérésű szinuszjelet adva, az ernyőn kör jelenik meg. Ha a két csatornára jutó jelek frekvenciája azonos, de fázisszöge nem pont 0, 90 vagy 180 fok, az ernyőn ellipszis jelenik meg, melynek méreteiből a jelek fázisszöge kiszámítható (Lissajous-módszer). Amikor a frekvencia mérésére még nem használtak digitális frekvenciamérőt, a mérendő jel frekvenciájának meghatározására szintén a Lissajous-módszert alkalmazták, az ismeretlen frekvenciájú jelet az X-Y üzemmódba kapcsolt oszcilloszkóp egyik, egy hiteles generátor jelét pedig a másik csatornabemenetére adva. A hiteles generátor frekvenciáját változtatva, amikor az ernyőn egy kör (ellipszis, egyenes vonal) jelenik meg, akkor a mért jel frekvenciája éppen megegyezik a generátor skáláján leolvasható frekvenciával. Ha az egyik jel frekvenciája a másiknak egész számú többszöröse, akkor az ernyőn megjelenő kép szintén állni látszik, a két frekvencia viszonyát pedig az adja meg, hogy az ernyőkép hányszor metszi a függőleges ill. a vízszintes tengelyt.

Mérőfejek, kalibrátor

A vizsgált áramkör mérendő pontját valamilyen módon össze kell kötni az oszcilloszkóp bemenetével. Ezt az összeköttetést létre lehet hozni egy darab vezetékkel (mérőzsinórral) is, de e vezetékben a környező mágneses terek zavarfeszültséget indukálhatnak (a vezeték „zavarokat szed fel”), amely a mérési eredményt meghamisíthatja. Mint láttad, az oszcilloszkóp aszimmetrikus bemenetű, azaz az említett zavarok ellen a mérővezeték árnyékolásával lehet védekezni. A szokásos 1-3 m hosszú árnyékolt mérővezeték belső ere és árnyékolása között azonban 100-200 pF kapacitás mérhető, amely az oszcilloszkóp bemenő kapacitásával párhuzamosan kapcsolódva terheli a mért áramkört.

Az oszcilloszkóp feszültségmérő, azaz akkor mér pontosan (akkor nem befolyásolja jelentősen a mért áramkör működését), ha a bemenő impedanciája nagy. A szokásos 1 Mohm bemenő ellenállással párhuzamosan kapcsolódó kapacitás a frekvencia növekedtével egyre kisebb reaktanciát jelent (pl. 200 pF reaktanciája 10 MHz frekvencián 79,6 ohm), amely megengedhetetlenül megváltoztatja a mért áramkörben az áramköri viszonyokat és a mérés jelentős hibáját (leosztás, torzítás) okozza. Ezért egyszerű árnyékolt vezetékkel történő mérés csak egyenfeszültségen vagy nagyon alacsony frekvencián megengedhető.

Magasabb frekvenciás mérésnél a mért áramkör kapacitív terhelés elleni védelmét mérőfej alkalmazásával oldják meg. A legáltalánosabban alkalmazott passzív mérőfej a jelet leosztja, de a mérendő pont kapacitív terhelését a töredékére csökkenti. A mérőfej kialakítása egyúttal biztonságos csatlakozási lehetőséget ad a mérőpontokhoz, alkatrészek kivezetéseihez, BNC csatlakozókhoz stb.

A leggyakrabban alkalmazott mérőfej 1:10 leosztású.

Az oszcilloszkóp bemenetére a mérőfej speciális, kikapacitású árnyékolt vezetékével csatlakozik (a kis kapacitást a belső, igen kis átmérőjű ér és az árnyékolás nagy távolsága biztsosítja). Maga a mérőfej a vezeték végén helyezkedik el, és elektromosan egy soros 9 Mohm nagyságú ellenállást és azzal párhuzamos trimmer kondenzátrot tartalmaz, melyek egyik kivezetése az árnyékolt vezeték meleg eréhez, márik kivezetése közvetlenül a mérőcsúcshoz csatlakozik. A mérendő pont és az oszcilloszkóp bemenete (1 Mohm || 25 pF) között a mérőfej révén létrejövő feszültségosztó 1:10 leosztású. Az alakhű átvitel érdekében az oszcilloszkóp (és az árnyékolt mérőkábel) bemenő kapacitásából, illetve a trimmer kondenzátorból álló feszültségosztónak ezzel azonos osztásviszonyt kell biztosítania. Ezért mérés előtt a mérőfejet az adott oszcilloszkóp bemenethez „ki kell egyenlíteni”, azaz a trimmer kondenzátort pontosan be kell állítani.

Az oszcilloszkóp - kifejezetten a mérőfej kiegyenlítésének lehetővé tétele céljából – általában egy négyszögjelgenerátort (kalibrátor) is tartalmaz. Az 1:10 osztású passzív mérőfej kiegyenlítése (hitelesítése) e kalibrátor segítségével pl.a következő módon történhet:

1. Az oszcilloszkóp adott csatornájának bemeneti osztóját 5 mV/DIV érzékenységre állítod. Ekkor (figyelembe véve a mérőfej 1:10 leosztását) az ernyőn 1 DIV = 1 cm. függőleges sugárkitéréshez 50 mV bemenő jel tartozik,
2. A TIME/DIV kapcsolót 0,2 ms/DIV állásba kapcsolod, ekkor a kb. 1 kHz-es kalibrátor jelnek kb. két teljes periódusa fér az ernyőre,
3. A mérőfej mérőcsúcsát a kalibrátor 0,2 Vpp jelű kimenetére csatlakoztatod. A 200 mV kalibráló jel függőlegesen 4 DIV sugárkitérést hoz létre. A mérőfejen található trimmer úgy állítod be, hogy az ernyőn alakhű négyszögjel jelenik meg.

Az 1:10 osztású mérőfej terhelő kapacitása a mért ponton (az árnyékolt mérővezeték hosszától, paramétereitől, az oszcilloszkóp bemenő kapacitásától függően) 10-25 pF, a terhelő ellenállás pedig 10 Mohm. (Ugyanilyen hosszú árnyékolt mérőkábellel, mérőfej nélkül a mért pontot az oszcilloszkóp 90-230 pF kapacitással terhelné!)

Egyes mérőfejeken egy kapcsolót helyeznek el, amely a feszültségosztó ellenállást és azzal párhuzamos trimmer kondenzátort 1:1 állásában rövidre zárja. E kapcsoló 1:1 állásában a mérőfej közönséges árnyékolt mérőzsinórrá alakul át, a mérőfej csak mint mechanikus eszköz (mérőcsúcs, csiptető) használható. Ilyenkor a „mérőfej” felhasználható pl. a generátor jelének az áramkör adott pontjára való eljuttatásához (ekkor a mérőfej 9 Mohmos soros ellenállása akadályt jelentene). Ha azonban oszcilloszkópos méréshez kívánod az átkapcsolható mérőfejet felhasználni, - rendkívüli esetektől eltekintve, amikor a mért jel kis szintje nem teszi lehetővé a feszültségosztó beiktatását - csak 1:10 kapcsolóállásban használd!