Ostsilloskoop

Siinuslaine ja nelinurklaine lainekujud analoogostsilloskoobi ekraanil

Ostsilloskoop on mõõtevahend ajas muutuvate elektriliste suuruste lainekujude vaatlemiseks ja omavaheliseks võrdlemiseks, samuti mõõtesuuruste parameetrite mõõtmiseks ja salvestamiseks. Ostsilloskoobiga jäädvustatu on ostsillogramm. Kujutisi registreerivate mõõtevahendite kohta on kasutatud ka nimetust ostsillograaf.

Ostsilloskoop on üks tähtsamaid mõõtevahendeid elektriliste või nendeks muundatud suuruste funktsionaalse või ajalise sõltuvuse visualiseerimiseks, samuti elektroonikaseadmete kontrollimisel, seadistamisel ja rikete avastamisel.

Ajalugu

Esimese ostsilloskoobi valmistas Vene füüsik Robert Kolli 1885. aastal. See oli valguskiire ostsilloskoobi prototüüp, mis tegi nähtavaks madala sagedusega elektrilisi võnkeid. 1897. aastal leiutas Karl Braun katoodkiiretoru, mis oli 19. sajandi lõpus väga tähtis saavutus elektroonikas. Seda hakati nimetama Brauni toruks. Paljud füüsikud täiustasid seda toru paremate tulemuste saamiseks. 1899. aastal lisas Artur Venelt silindrilise elektroodi, mis andis võimaluse näidata ekraanil täpsemaid tulemusi.

Pärast katoodkiiretoru leiutamist algas ostsilloskoopide laialdane tootmine ja täiustamine. 1947. aastal tõi USA firma Tektronix turule oma esimese katoodkiiretoruga ostsilloskoobi. Esimesed ostsilloskoobid olid üsna suured. Nende suurus ja kaal hakkas vähenema pärast 1950. aastat, kui elektronlambid asendati transistoride ja mikrolülitustega. Hakati kasutama ka LCD-ekraane. 1980. aastal algas uus arendusetapp – firma LeCroy Corporation töötas välja esimesed digitaalsed ostsilloskoobid, mis salvestasid tulemused oma andmekandjale.

Analoogostsilloskoobid

Ostsilloskoobi tähtsamad osad

• 1. Sisselülitusnupp
• 2. Voolu indikaator
• 3. Graafiku pööramine
• 4. Graafiku joone intensiivsus
• 5. Graafiku joone fookus
• 6. 2 V ja 1 kHz pesa
• 7. Y-telje seadistus
• 9. Pinge seadistus
• 11. Maandus
• 13. Esimese kanali sisend
• 14. Teise kanali sisend
• 15. Režiimi valik
• 17. X-telje seadistus
• 19. Ajaskaala seadistus
• 22. GND-väljund (maandus)
• 32. Väljund

Signaalisisendid

Ostsilloskoobid võivad olla ühe- ja mitmekanalilised. Ühekanalilised ostsilloskoobid saavad ekraanil kuvada ainult ühe signaali graafiku, ent mitmekanalilised ostsilloskoobid võimaldavad erinevaid signaale omavahel võrrelda. Võrrelda saab lainekujusid, sagedusi ja amplituude.

Kujutiserežiimid

Ostsilloskoopidel on vähemalt kaks kujutiserežiimi: automaatne režiim ja ooterežiim.

Kasutades automaatset seadistust, töötab kujutise generaator automaatselt võnkuvas režiimis. Seega isegi kui signaal puudub, algab kujutisetsükli lõpus uus tsükkel. See võimaldab jälgida ekraanil kiirt ka signaali puudumisel või pinge pideva vertikaalse kõrvalekalde korral. Selles režiimis on võimalik jälgida mittepidevaid signaale, mis ei ole võimalik ooterežiimis.

Kui ooterežiimis pole signaali või see on nõrk, siis puudub ekraanil kujutis. Kui uuritakse impulssprotsesse, isegi kui need ei ole perioodilised, annab ooterežiim ekraanil liikumatu pildi. Sel juhul on võimalik saada kujutis mitte uuritava signaali järgi, vaid sellega sünkroonse signaaliga, milleks võib olla näiteks impulssgeneraatori signaal. Sel juhul antakse käivitav signaal ostsilloskoobi lisasisendisse, mida nimetatakse sünkroonimissisendiks.

Mõnel ostsilloskoobimudelil on ka kolmas, ühekordne režiim. Selles režiimis aktiveerub kujutise generaator lihtsalt vastavale nupule vajutamisel. Pärast režiimi käivitust ilmub kujutis ekraanile ainult üks kord. Selleks et seda veel kord teha, on vaja uuesti nupule vajutada. Režiim on kasulik, kui on vaja uurida mitteperioodilisi protsesse, nagu näiteks loogikalülituste signaale. Kuna kiir ilmub ekraanile ainult üks kord, siis on raske jälgida signaale, mis kujunevad liiga kiiresti. Selles olukorras tehakse ekraanist tihti pilt, et siis tulemusi põhjalikumalt uurida.

Seadistamine

Selleks, et saada stabiilne kujutis, on igal ostsilloskoobil sünkroonimislülitus. Kui kujutis ei ole uuritava signaaliga sünkroonitud, muutub ekraani pilt "jooksvaks" või halvasti nähtavaks.

Seadistamine tähendab eelkõige kanalite kalibreerimist. Selleks on vaja, et pingeskaala üks volt vastaks näiteks neljale skaalaühikule, seega üks skaalaühik oleks umbes 250 millivolti. Pärast seda lülitatakse mõõtepinge sisse ja ekraanile ilmub signaali lainekuju. Edasi seadistatakse ekraani kujutist nii, et näha oleks signaali 5–7 perioodi; siis saab juba otsustada, kas signaal on pidev ja kas signaali amplituud mahub y-teljele.

USB-ostsilloskoop, mis kasutab arvuti ekraani

Digitaalostsilloskoobid

Tänapäeval on valdavalt kasutusel digitaalostsilloskoobid. Ostsilloskoobi sisendis on analoog-digitaalmuundur, mis jaotab pideva sisendpinge (analoogpinge) üksteisele suure sagedusega järgnevateks pingeväärtusteks (sämpliteks) ja väljendab need kahendkoodis (koodisõna pikkus nt 8 bitti diskreetimissagedusel 500 MHz). Nii saadud digitaalsignaali töötleb üks või mitu signaaliprotsessorit (DSP). Seadistuste sisestamiseks on juhtplokk. Sisendsignaalide kujutised (lainekujud) on näha LCD-ekraanil või arvutikuvaril. Valmistatakse ka ilma ekraanita USB-ostsilloskoope.

Digitaalostsilloskoobid on võimelised salvestama lainekujud jm mõõteandmed oma andmekandjale (mäluplokki) edaspidiseks kasutamiseks. Seega on tegemist salvestava seadmega (ingl k digital storage oscilloscope, lühend DSO).

Digitaalostsilloskoobi eeliseid:

• kujutised võivad olla värvilised ja suuremad, seega eri kanalites paremini eristatavad;
• võimalus näha ekraanil olevate signaalide efektiiv- ja tippväärtusi numbrilisel kujul;
• suurem tundlikkus (kuni μV-piirkonnani) ja parem häirekindlus;
• optimaalne seadistus muutuva sisendsignaali korral;
• aeglaste muutuste esitamine, nt temperatuuri kulg ööpäeva jooksul;
• automaatne kaugjuhtimine jadaliidese või USB-pesa kaudu;
• võimalus luua nn matemaatilisi kanaleid, nt moodustada reaalajas signaali sagedusspekter Fourier’ transformatsiooni abil;
• teatud seadistusi on võimalik salvestada nende kasutamiseks edaspidi.

Välislingid

• Digitaalne ostsilloskoop
• Digitaalostsilloskoobi tööpõhimõte