Oskilloskooppi

 

Oskilloskooppi on elektroniikan ja sähkötekniikan mittalaite, joka piirtää mitattavan signaalin kuvaajan näyttölaitteelle.

Oskilloskoopin tavanomainen käyttötapa on jännitteen mittaus ajan funktiona. Sopivan anturin avulla mitattava suure voi olla muukin kuin jännite, esimerkiksi sähkövirta, ääni, voima, kiihtyvyys.

Periaatteessa oskilloskooppi toimii samaan tapaan kuin piirturi mutta on paljon nopeampi. Oskilloskooppi soveltuukin parhaiten suhteellisen nopeiden ilmiöiden tarkasteluun. Hyvälaatuisen oskilloskoopin kaistaleveys voi olla useita satoja megahertzejä.

Perinteisessä, analogisessa oskilloskoopissa katodisädeputken sädettä poikeutetaan vaakasuunnassa vakionopeudella ja pystysuunnassa suhteessa mitattavaan signaalin. Jaksollisia ilmiöitä mitattaessa säteen vaakapyyhkäisy tahdistetaan mitattavaan signaalin liipaisupiirin avulla. Liipaisu voidaan ottaa joko mitattavasta signaalista tai erillisestä liipaisusignaalista.

Usein näytöllä näkyvän signaaliosan pituus on vain pieni osa signaalin kokonaiskestosta tai -jaksosta. Tätä varten oskilloskoopin kuvaputkessa käytetään hyväksi fosforenssia, jolloin signaalin jälki jää näkyviin näytölle vaikka pyyhkäisy toistuisi harvakseltaan.

Kahta signaalia voidaan samanaikaisesti tutkia kaksoissädeoskilloskoopilla, jossa oskilloskooppi piirtää kummastakin signaalista oman kuvaajan. Vaihtoehtoisesti kahta signaalia voidaan tutkia käyttäen yhtä sädettä oskilloskoopin x-y moodissa, jossa toinen signaali poikkeuttaa sädettä pystysuunnassa ja toinen vaakasuunnassa.

Nykyiset oskilloskoopit ovat usein digitaalisia. Niissä mitattava signaali digitoidaan A/D muuntimella ja signaali tallennetaan laitteen muistiin digitaalisessa muodossa ja esitetään sieltä näytöllä. Tämä toimintaperiaate soveltuu erinomaisesti myös kertaluontoisten ilmiöiden tarkasteluun. Signaali voidaan myös siirtää tietokoneelle tarkempaa analyysia tai tulostusta varten.

Taajuuden mittaus analogiaoskilloskoopilla

Kaupallisissa digitaalioskilloskoopeissa on olemassa tila, jossa oskilloskooppi ilmoittaa suoraan mitattavan signaalin taajuuden numeerisesti (hertseinä). Signaalin taajuus voidaan mitata myös analogisella oskilloskoopilla, mutta tarkka mittaus vaatii ulkopuolisen tunnetun taajuuslähteen.

• Perinteinen menetelmä

Perinteisessä oskilloskoopin taajuuden mittausmenetelmässä, mitataan oskilloskoopin näytöltä yhden jakson kestoaika ja lasketaan tuloksesta taajuus. Ellei yhden jakson signaalipulssi näy oskilloskoopin näytöllä, on pyyhkäisyaikaa pienennettävä: oskilloskoopin pyyhkäisyaika (maksimi mittaustaajuus) on oltava suurempi kuin suurin mitattava taajuus. Mittaustarkkuutta voidaan parantaa mittaamalla useamman jakson aika ja laskemalla keskiarvo. Menetelmä on yksinkertainen, mutta epätarkka: jos mitattava taajuusvaste ei ole suoraan puhdas vaihtojännite (esimerkiksi siniaalto), on taajuusmittausta varten mitattava kaikki eri signaalin taajuudet.

• Lissajousin menetelmä

Lissajousin menetelmällä päästään parempaa tarkkuuteen kuin perinteisellä menetelmällä suoritetussa taajuuden oskilloskooppimittauksessa, mutta mittaukseen tarvitaan erillinen tarkka generaattori. Lissajousin menetelmässä tutkittava signaali syötetään pystypoikkeutuslevyille (y-levyt) ja tunnettu signaali (ulkopuolisesta tarkasta generaattorista) vaakapoikkeutuslevyille (x-levyt), jolloin oskilloskoopin näyttöön syntyy lissajous-kuvio. Tuntemattomassa signaalissa taajuus kerrotaan generaattorin lukemasilmukoiden lukumäärällä (kuvan oltava stabiili). Menetelmän tarkkuus määräytyy generaattorin lukematarkkuudesta.

• Z-modulointimenetelmä

Z-modulointimenetelmää voidaan käyttää haluttaessa mitata oskilloskoopilla tuntematonta taajuutta tarkasti. Oskilloskoopin kuvapinnalle saadaan menetelmässä ellipsi jos tutkittava jännite syötetään oskilloskoopin toiselle levyparille ja RC-piirin virtaan verrannollinen jännite toiselle levyparille. Kuvan kirkkauden ohjaus suoritetaan syöttämällä (tarkkuus)funktiogeneraattorista suorakaidesignaali oskilloskoopin z-modulaatio porttiin. Tunnettua taajuutta säätämällä saadaan pysähtynyt kuva, missä ellipsi koostuu kaaren osista, jolloin mitattava taajuus saadaan jakamalla tunnettu taajuus kaaren osien lukumäärällä. Menetelmä on vähemmän altis virhetoiminnoille verrattuna lissajous-menetelmään. Z-modulointimenetelmän tarkkuus on sama kuin funktiogeneraattorin lukematarkkuus.