Παλμογράφος

Ο παλμογράφος είναι το βασικό όργανο που συναντάται σε κάθε ηλεκτρονικό εργαστήριο, στο οποίο η χρήση του είναι ευρέα. Ο παλμογράφος απεικονίζει το σήμα εισόδου σε δυο άξονες – διαστάσεις. Στον κατακόρυφο αξονα απεικινίζει το πλάτος του σήματος και στον οριζόντιο άξονα τον χρόνο. Με άλλα λόγια με τον παλμογράφο μπορούμε να έχουμε την γραφική παράσταση του λάτους του σήματος σε συνάρτηση με τον χρόνο.

Οι περισσότεροι παλμογράφοι είναι dual-channel ή multichannel που επιτρέπει την ταυτόχρονη απεικόνιση δύο ή περισσότερων κυματομορφών σε κοινό άξονα του χρόνου.

Βασικές ρυθμήσεις του παλμογράφου

Ο παλμογράφος είναι ένα συνθετο όργανο που για να έχουμε το βέτλτισο αποτέλεσμα πρέπει να τον ρυθμήσουμε σωστά

Vertical gain (Κατακορυφο κέρδος): Αυτή η ρύθμηση ορίζει το κέρδος του ενισχυτή εισόδου και συνεπός το πλα΄τος της κυματομορφήςς στην είσοδο. Αυτή η ρύθμιση ορίζει τον αριθμό των volts ανά εκατοστό στην κατακόρυφη διεύθυνση. Αυξάνοντας την ρύθμιση του αριθμού των volts ανά εκατοστό, έχει σαν αποτέλεσμα την αυξηση του πλάτους της κυματομορφής.

Vertical position (κατακόρυφη θέση): Με αυτή τη ρύθμιση τοποθετούμε το ίχνος (όταν δεν έχουμε σήμα εισόδου) στην επιθυμητή κατακόρυφη θέση, για να τοποθετήσουμε το “μηδέν” πάνω στην οθόνη και έτσι θα μπορέσουμε να κάνουμε μετρήσεις πλάτους εύκολα. Υπάρχει και η ρύθμιση horizontal position (οριζόντια θέση) για την οριζόντια μετακίνηση της κυματομορφής, για να μπορούμε να κάνουμε μετρήσεις χρόνου.

Timebase: Με αυτή την ρύθμιση ορίζουμε το χρονικό οριζόντιο πλάτος της απεικονιζόμενης κυματομορφής. Ρυθμίζεται σε συγκεκριμένο χρόνο ανά εκατοστό πάνω στην οθόνη. Για παράδειγμα αν η timebase είναι ρυθμισμένη στα 1μs/cm και ένας κύκλος κυματομορφής επί την οθόνη έχει μήκος 10cm, η περίοδος της κυματομορφής είναι 1μs/cm x 10cm = 10μs δηλαδή έχει συχνότητα 1/10μs = 100kHz

Trigger (σκανδαλισμός): Με τη ρύθμιση του σκανδαλισμού, επιτρέπουμε στην κυματομορφή να ξεκινά από συγκεκριμένο σημείο, καθώς επαναλαμβάνεται η σάρωση της. Αυτό επιτρέπει την σταθερή απεικόνιση της κυματομορφής στην οθόνη του παλμογράφου. Κάθε φορά που ρυθμίζουμε το σκανδαλισμό, επιτρέπουμε η απεικονιζόμενη κυματομορφή να ξεκινά από διαφορετικό σημείο. Μπορούμε να τη ρυθμίσουμε να ξεκινά στην θετική άνοδο ή στην αρνητική κατάβαση της κυματομορφής.

Εκτός από τις παραπάνω ρυθμίσεις που θεωρούνται σημαντικές οι οποίες υπάρχουν σε όλους τους τύπους παλμογράφων, υπάρχουν και άλλες ανάλογα με το μοντέλο του παλμογράφοι που μπορεί ο ηλεκτρονικός να τις μάθει εύκολα με τέτοιο τρόπο να έχουμε το βέλτιστο τρόπο στην χρήση του παλμογράφου.

Για την καλύτερη δυνατή απεικόνιση της κυματομορφής, χωρίς παρεμβολές, οδηγούμε το σήμα από το εξεταζόμενο κύκλωμα στο παλμογράφο με ειδικά probes. Ένα probe αποτελείται από το ειδικού τύπου clips, το ομοαξονικό καλώδιο και τον BNC κονέκτορα.

Εκτός από τις παραπάνω ρυθμίσεις , που είναι οι κυριότερες ρυθμίσεις του παλμογράφου, για το βέλτιστο αποτέλεσμα, είναι χρήσιμο να μάθει ο ηλεκτρονικός όλες τις ρυθμίσεις, αλλά αυτές διαφέρουν από μοντέλο σε μοντέλο.

Τύποι παλμογράφων

Ο παλμογράφος είναι ένα βασικό όργανο του ηλεκτρονικού εργαστηρίου που βοηθά στης εύρεση του προβλήματος με την απεικόνιση της κυματομορφής στην οθόνη του παλμογράφου.

Οι παλμογράφοι κατασκευάζονται σε δυο τύπους, ανάλογα την τεχνολογία που χρησιμοποιούν. Οι αναλογικοί παλμογράφοι, κατασκευάζονται με αναλογικά κυκλώματα και οι ψηφιακοί παλμογράφοι, όπου τα κυκλώματα τους βασίζονται στη ψηφιακή τεχνολογία.

Αναλογικός παλμογράφος

Αν και οι αναλογικοί παλμογράφοι αν και είναι ξεπερασμένης τεχνολογίας, είναι χαμηλότερου κόστους και προσφέρουν καλά αποτελέσματα και για αυτούς τους λόγους ορμισμένοι ηλεκτρονικοί τους προτιμούν αντί το πιο αποδοτικούς ψηφιακούς παλμογράφους

Basic analogue oscilloscope look diagram Όπως το όνομα φανερώνει, οι αναλογικοί παλμογράφοι χρησιμοποιούν αναλογικές τεχνικές για την εμφάνιση της κυματομορφής. Τυπικά, χρησιμοποιούν τον καθοδικό σωλήνα με τα οριζόντια και κατακόρυφα πλακίδια απόκλισης, που με την κατάλληλη τροφοδότηση σήματος, προκαλούν την μετακίνηση του ίχνους στην οθόνη.

Η προβολή της κυματομορφής σε ένα αναλογικό παλμογράφο, βασίζεται στον καθοδικό σωλήνα. Στο πίσω μέρος του καθοδικού σωλήνα υπάρχει το ηλεκτρονικό πυροβόλο, που δημιουργεί τη δέσμη ηλεκτρονίων, η οποία έρχεται μπροστά και κτυπά τη φωσφορίζουσα οθόνη, με αποτέλεσμα να εμφανίζει ένα ορατό ίχνος πάνω στην οθόνη του παλμογράφου.

Η δέσμη στην πορεία της, εισέρχεται στα οριζόντια και κατακόρυφα πλακίδια, που ανάλογα την τάση που τροφοδοτούνται, προκαλούν απόκλιση της δέσμης κατά την Χ ή Υ διεύθυνση με αποτέλεσμα το ίχνος πάνω στην οθόνη να μπορεί να κινείται.

Στον αναλογικό παλμογράφο, τα πλακίδια για την οριζόντια απόκλιση τροφοδοτούνται με πριονωτό σήμα, με αποτέλεσμα το ίχνος να κινείται από αριστερά προς δεξιά, όπως βλέπουμε την οθόνη, με σταθερή ταχύτητα και μόλις φτάσει στο δεξιό άκρο μετακινείται απότομα στο αριστερό άκρο. Ταυτόχρονα με την οριζόντια απόκλιση της δέσμης (ίχνος), έχουμε και κατακόρυφη απόκλιση ανάλογη με το σήμα εισόδου. Με αυτό τον τρόπο ο Χ – άξονας παριστάνει το χρόνο και ο Υ – άξονας το πλάτος του σήματος με συνέπεια την απεικόνιση της κυματομορφής στην οθόνη.

Trigger capability Για να εμφανίζεται σταθερή η κυματομορφή στην οθόνη και να “μην τρέχει”, είναι απαραίτητο η πριονωτή τάση της οριζόντιας απόκλισης, να αρχίζει πάντα από το ίδιο σημείο του κύκλου του σήματος εισόδου και έτσι η κυματομορφή θα απεικονίζεται στην ίδια θέση στην οθόνη.

Για να το επιτύχουμε αυτό, ένα κύκλωμα σκανδαλισμού (trigger circuit) χρησιμοποιείται για το σημείο εκκίνησης της πριονωτής τάσης. Το κύκλωμα σκανδαλισμού δημιουργεί σκανδαλισμό επί της πριονωτής τάσης, όταν το σήμα εισόδου φτάσει σε ορισμένη τάση. Το επίπεδο σκανδαλισμού είναι ρυθμιζόμενο, σε όλους σχεδόν τους αναλογικούς παλμογράφους.

Analogue scope controls Για να κάνουμε όσο τον δυνατόν ξεκάθαρη την κυματομορφή στην οθόνη ενός αναλογικού παλμογράφου, πρέπει να ρυθμίσουμε κατάλληλα την ένταση και την εστίαση της ηλεκτρονικής δέσμης. Με την ρύθμιση της εστίασης κάνουμε όσο πιο δυνατόν λεπτό το ίχνος της δέσμης. Η ρύθμιση της έντασης της δέσμης χρειάζεται διότι η ένταση της κυματομορφής μεταβάλλεται ανάλογα με τον ρυθμό της οριζόντιας σάρωσης (συχνότητα πριονωτής τάσης). Καθώς η συχνότητα της οριζόντιας σάρωσης αυξάνει, θα πρέπει να αυξήσουμε την ένταση της δέσμης για να έχουμε μια καθαρή κυματομορφή.

Ψηφιακός παλμογράφος

Ο ψηφιακός παλμογράφος επεξεργάζεται ψηφιακά το σήμα εισόδου. Ο ψηφιακός παλμογράφος με ένα μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό μετατρέπει το αναλογικό σήμα εισόδου σε ψηφιακό.

Με τις μεθόδους ψηφιακής επεξεργασίας σήματος και του σχετικού λογισμικού που έχουν αναπτυχθεί ραγδαία τελευταία έχουν φτάσει σε πολύ υψηλό επίπεδο. Υπάρχει μεγάλος ανταγωνισμός στην ανάπτυξη και κατασκευή των ψηφιακών παλμογράφων, με αποτέλεσμα να αναπτυχθούν αρκετοί διαφορετικοί τύποι, ο καθένας με τα δικά του χαρακτηριστικά.

Ψηφιακός παλμογράφος/ ψηφιακός παλμογράφος αποθήκευσης. Τα πρώτα μοντέλα ψηφιακών παλμογράφων δεν διέθεταν μνήμη. Με την ανάπτυξη της ψηφιακής τεχνολογίας, τσιπ μνήμης ενσωματώθηκαν στους ψηφιακούς παλμογράφους. Σήμερα, όλα τα μοντέλα προσφέρουν μνήμη έτσι και οι δύο ονομασίες είναι συνώνυμες και περιγράφουν το ίδιο όργανο.

Η βασική αρχή του ψηφιακού παλμογράφου είναι η μετατροπή του εξεταζόμενου σήματος σε ψηφιακό με ένα μετατροπέα ADC και η μετέπειτα επεξεργασία του. Η βασική λειτουργία του ADC είναι η ψηφιακή δειγματοληψία του σήματος εισόδου σε πολύ μικρά χρονικά διαστήματα. Τα χρονικά διαστήματα και ο ρυθμός δειγματοληψίας ορίζονται από το ρολόι που περιέχει ο ψηφιακός παλμογράφος. Ο ρυθμός δειγματοληψίας ορίζεται στις προδιαγραφές του παλμογράφου και μετριέται σε δείγματα ανά δευτερόλεπτο.

Τα δείγματα μετά τον ADC, αποθηκεύονται στην μνήμη του παλμογράφου και αναφέρονται ως σημεία της κυματομορφής. Το σύνολο των σημείων αποτελούν την κυματομορφής του σήματος εισόδου. Η εγγραφή μιας κυματομορφής, αρχίζει με το σήμα σκανδαλισμού και σταματά έπειτα από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Έπειτα η κυματομορφή επεξεργάζεται από τα ψηφιακά κυκλώματα του παλμογράφου και απεικονίζεται στην οθόνη.

Παλμογράφος USB για προσωπικό υπολογιστή

Ο USB παλμογράφος χρησιμοποιεί την επεξεργαστική ισχύ του προσωπικού υπολογιστή μας. Αυτός ο τύπος παλμογράφου είναι δημοφιλής στην αγορά μιας και έχει υψηλή απόδοση σε χαμηλή τιμή.

Τη θύρα USB η οποία έχει γίνει στάνταρτ επικοινωνίας με τα περιφερειακά σε όλους τους υπολογιστές, χρησιμοποιεί ο USB ψηφιακός παλμογράφος για την ολοκλήρωση της λειτουργίας του. Η USB έχει υψηλή λειτουργικότητα, όπως η υψηλή ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων, η απλή μορφή της που χρησιμοποιείται στις διασυνδέσεις των υπολογιστών και την ευκολία σύνδεσης πολλών περιφερειακών όπως κάμερες, κινητά τηλέφωνα, όργανα εργαστηρίου. Γι΄αυτούς του λόγους η USB θήρα είναι ιδανική η χρήση της σε παλμογράφους συνδεδεμένους σε USB.

Οι PC USB παλμογράφοι, όπως θα περιμέναμε, έχουν πολλές ομοιότητες με τους συνήθεις ψηφιακούς παλμογράφους. Οι PC USB παλμογράφοι διαθέτουν την λειτουργικότητα των ψηφιακών παλμογράφων, αλλά ολοκληρώνονται με την διασύνδεση τους στο PC.

Τα εξεταζόμενα σήματα εισέρχονται πρώτα στο αναλογικό κύκλωμα του παλμογράφου και ετοιμάζονται με την ενίσχυση τους ή την προσθήκη DC offset, όπως απαιτείται για να μπορέσουν να επεξεργαστούν από τα επόμενα (ψηφιακά κυκλώματα) του παλμογράφου. Το επόμενο στάδιο είναι εκείνο που με τον μετατροπέα αναλογικό σε ψηφιακό το αναλογικό σήμα εισόδου μετατρέπεται σε ψηφιακό σήμα.

Το κύκλωμα δειγματοληψίας ελέγχει όλη τη διαδικασία μετατροπής του εξεταζόμενου σήματος και την μετέπειτα αποθήκευση των ψηφιακών δεδομένων στη μνήμη. Όπως όλοι οι ψηφιακοί παλμογράφοι, οι USB παλμογράφοι περιέχουν κυκλώματα σκανδαλισμού, που ελέγχουν την έναρξη και το τέλος της δειγματοληψίας

Προδιαγραφές του παλμογράφου.

Ο παλμογράφος είναι το κυριότερο όργανο που θα πρέπει να έχει ενα σοβαρό ηλεκτρονικό εργαστήριο. Ο παλμογράφος προβάλει την γραφική παράσταση της κυματομορφής εισόδου με το χρόνο σε ένα κύκλωμα. Καταλαβαίνουμε ότι ο παλμογράφος ότι είναι αναγκαίος στην ηλεκτρονική σχεδίαση, τον έλεγχο πρωτοτύπων και τον εντοπισμό βλαβών.

Εύρος ζώνης συχνοτήτων (bandwidth specification) Ο παλμογράφος χρησιμοποιείται συνήθως για την απεικόνιση περιοδικών κυματομορφών. Σύμφωνα με το θεώρημα Fourier μια περιοδική κυματομορφή (συνάρτηση) μπορεί να γραφεί σαν άθροισμα της θεμελιώδης συχνότητας συν τις αρμονικές συχνότητες. Μια αρμονική συνάρτηση είναι το αρμονικό σήμα που έχει συχνότητα ακέραιο πολλαπλάσιο της θεμελιώδης συχνότητας με το δικό του πλάτους.

Ένας παλμογράφος δεν ανταποκρίνεται σε όλες τις συχνότητες το ίδιο. Ορίζεται μια προδιαγραφή του παλμογράφου η λεγόμενη εύρος ζώνης συχνοτήτων που ορίζει μέχρι ποιες συχνότητες ο παλμογράφος ανταποκρίνεται ικανοποιητικά. Για να απεικονιστεί μια κυματομορφή ικανοποιητικά χωρίς παραμόρφωση πρέπει να ικανοποιείται ο εξής κανόνας: Το εύρος ζώνης συχνοτήτων του παλμογράφου να είναι πέντε φορές μεγαλύτερο από την θεμελιώδη συχνότητα του εξεταζόμενου σήματος.

Ακρίβεια κατακόρυφου DC κέρδους (Vertical DC gain accuracy) Αυτή η ρύθμηση για ένα παρμογράφο είναι σημαντική όταν κάνουμε μετρήσεις πλάτους του σήματος και θέλουμε να ξέρουμε για την ακρίβεια των μετρήσεων.

Κατακόρυφη DC ανάλυση (Vertical gain resolution) Αυτό αφορά τους ψηφιακούς παλμογράφους οι οποίοι έχουν εκτοπίσει τους αναλογικούς παλμογράφους. Ανάλυση είναι το “βηματάκι” στην ψηφιακή μέτρηση του πλάτους του σήματος μέσα στη δυναμική περιοχή. Δυναμική περιοχή είναι το εύρος της τάσης στα κυκλώματα του παλμογράφου, που είναι ικανό να απεικονίζει το σήμα άριστα όλο το πλάτος της οθόνης. Οι περισσότεροι παλμογράφοι έχουν 8-bit ανάλυση. Οκτώ μπιτ παρέχουν 256 ψηφιοποιημένα επίπεδα στο σήμα μέσα στη δυναμική περιοχή.

Προδιαγραφή χρόνου ανόδου (Rise time specification) Ο παλμογράφος πρέπει να έχει ικανοποιητικό γρήγορο χρόνο ανόδου, για να έχει ακριβείς αποτελέσματα, αλλιώς σημαντική πληροφορία δεν θα απεικονίζεται και θα έχουμε παραμόρφωση στη κυματομορφή. Αν και το εύρος συχνοτήτων θα πρέπει να είναι σημαντικά μεγάλο, ο χρόνος ανόδου είναι επίσης σημαντικός. Για να μπορούν να απεικονίζονται οι λεπτομέρειες σημαντικά, ένας παρόμοιος κανόνας με το εύρος ζώνης πρέπει να ικανοποιείται.

Ο γρηγορότερος χρόνος ανόδου ενός σήματος πρέπει να είναι μεγαλύτερος από το πενταπλάσιο του χρόνου ανόδου του παλμογράφου.

Ρυθμός δειγματοληψίας (Oscilloscope sample rate) Με την αυξανόμενη παραγωγή των ψηφιακών παλμογράφων, ο ρυθμός δειγματοληψίας έχει γίνει μια διαδεδομένη και σημαντική προδιαγραφή. Ο ρυθμός δειγματοληψίας ορίζεται με τον αριθμό των δειγμάτων στην ψηφιοποίηση του σήματος εισόδου ανά δευτερόλεπτο. Όσο μεγαλύτερος είναι ο ρυθμός δειγματοληψίας, τόσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση της κυματομορφής και τόσο λιγότερη πληροφορία χάνεται. Όταν θέλουμε να αγοράσουμε ένα ψηφιακό παλμογράφο, πρέπει να καθορίσουμε το χαμηλότερο ρυθμό που πρέπει να έχει κατά την χρήση του.

Σκανδαλισμός στον παλμογράφο – ένας οδηγός (Oscilloscope trigger – triggering tutorial)

Η δυνατότητα σκανδαλισμού είναι μια από τις θεμελιώδης λειτουργίες του παλμογράφου. Ο σκανδαλισμός επιτρέπει στον παλμογράφο (ψηφιακό ή αναλογικό) την απεικόνιση σταθερής κυματομορφής στην οθόνη έτσι ώστε να μπορεί να την παρατηρήσει ο χρήστης.

Χωρίς τον σκανδαλισμό ή άλλη μορφή συγχρονισμού θα ήταν αδύνατη η απεικόνιση σταθερής κυματομορφής στην οθόνη. Αυτό επιτυγχάνεται ξεκινώντας την οριζόντια σάρωση από επιλεγμένο σημείο του σήματος εισόδου. Πολλοί παλμογράφοι έχουν μια ποικιλία ρυθμίσεων σκανδαλισμού που επιτρέπουν την εμφάνιση της κυματομορφής με τον τρόπο που θέλουμε.

Το επίπεδο σκανδαλισμού (trigger level) και η κλίση σκανδαλισμού (trigger slope) είναι δυο βασικές ρυθμίσεις σκανδαλισμού οποιαδήποτε παλμογράφου, ανεξάρτητα αν είναι ψηφιακός ή αναλογικός.

Το επίπεδο σκανδαλισμού ανιχνεύει αν το επίπεδο τάσης του σήματος έχει φτάσει σε αυτηη τη σταθμη σήματος και ξεκινά την οριζόντια σάρωση κατά μήκος της οθόνης. Στην πραγματικότητα ο σκανδαλισμός δρα σαν συγκριτής ο οποίος ξεκινά την οριζόντια κίνηση της δέσμης όταν το σήμα ξεπερνά ένα επίπεδο τάσης.

Η κλίση σκανδαλισμού, όπως και το όνομα φανερώνει, ορίζει αν η σάρωση ξεκινά στη θετική άνοδο ή στην αρνητική κάθοδο της τάσης του σήματος. Ρυθμίζοντας το επίπεδο σκανδαλισμού και την κλίση σκανδαλισμού επιτρέπουμε να εμφανιστεί εκείνο το τμήμα της κυματομορφής που επιθυμούμε να απεικονιστεί.

Oscilloscope probes

Για να μπορέσουμε να δούμε την κυματομορφή σε ένα σημείο ενός κυκλώματος θα πρέπει να οδηγήσουμε το σήμα στον παλμογράφο και αυτό γίνεται με τα scope probes. Αν και θα μπορούσαμε να το κάνουμε με ένα απλό σύρμα αλλά αυτό δεν προσφέρει παρέχει το βέλτιστο αποτέλεσμα.

Στην αγορά μπορούμε να βρούμε μια ποικιλία probes και θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε πολλούς τύπους probes στο παλμογράφο μας. Για να αγοράσουμε το καλύτερο probe πρέπει να γνωρίζουμε τις προδιαγραφές για τα probes για να διαλέξουμε αυτό που μας ταιριάζει.

Τα probes χωρίζονται σε δυο κατηγορίες:

1]Passive osciloscope probes (Παθητικά probes) Αυτού του τύπου probes είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενα probes. Χρησιμοποιεί μόνο παθητικά στοιχεία και παρέχουν οδήγηση 1:1. Άλλοι τύποι probes παρέχουν μεγαλύτερη εξασθένηση.

2] Active oscilloscope probes (ενεργά probes) Όπως το όνομα φανερώνει αυτός ο τύπος probes ενσωματώνει ενεργά στοιχεία. Παρέχει υψηλότερα επίπεδα λειτουργικότητας και υψηλές επιδόσεις. Γι’ αυτό το λόγο κοστίζουν πιο ακριβά και τα προτιμούν οι επαγγελματίες των ηλεκτρονικών.

Θεωρούμε ότι η αντίσταση εισόδου όλων των παλμογράφων είναι 1ΜΩ. Για μεγαλύτερη ακρίβεια απαιτείται μεγαλύτερη αντίσταση εισόδου. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται το probe 10Χ που παρέχει εξασθένιση 10:1. Αυτό ο τύπος παρεμβάλει αντίσταση 9ΜΩ που σε σειρά με την αντίσταση εισόδου του παλμογράφου παρέχει εξασθένιση 10:1 και μεγαλύτερη αντίσταση εισόδου. Επίσης ενσωματώνει τους κατάλληλους πυκνωτές έτσι ώστε το probe να ανταποκρίνεται το ίδιο σε ένα μεγάλο εύρος συχνοτήτων.