Oskilloskooppi

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

Tyypillinen analoginen oskilloskooppi piirtämässä sini- ja kanttiaaltoa.

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

Periaatteessa oskilloskooppi toimii samaan tapaan kuin piirturi, mutta nopeammin. Oskilloskooppi soveltuukin parhaiten suhteellisen nopeiden ilmiöiden tarkasteluun. Nykyaikaisen oskilloskoopin kaistanleveys voi olla useita gigahertsejä.

Perinteisessä, analogisessa oskilloskoopissa katodisädeputken sädettä poikkeutetaan vaakasuunnassa vakionopeudella ja pystysuunnassa suhteessa mitattavaan signaalin. Tällöin näyttöruudulla näkyvä kuvio osoittaa jännitteen vaihtelut ajan funktiona. Jaksollisia ilmiöitä mitattaessa säteen vaakapyyhkäisy tahdistetaan mitattavaan signaalin liipaisupiirin avulla. Liipaisu voidaan ottaa joko mitattavasta signaalista tai erillisestä liipaisusignaalista. Vaihtoehtoisesti voidaan myös tutkia kahta signaalia ohjaamalla toinen niistä vaakasuoralle, toinen pystysuoralle poikkeutuslevylle. Tällöin oskilloskooppi näyttää muuttuvan jännitteen toisen muuttuvan jännitteen funktiona.

Usein näytöllä näkyvän signaaliosan pituus on vain pieni osa signaalin kokonaiskestosta tai -jaksosta. Tätä varten oskilloskoopin kuvaputkessa käytetään hyväksi fosforesenssia, jolloin signaalin jälki jää näkyviin näytölle, vaikka pyyhkäisy toistuisi harvakseltaan. Muuttamalla kuvaputken fluoresoivan pinnoitteen ominaisuuksia saadaan tätä jälkiloistoaikaa sekä myös aktivoitumisnopeutta säädeltyä. Analogisessa oskilloskoopissa voi myös olla analoginen muistikuvaputki jossa jälkiloistoaikaa voidaan säädellä laajoissa rajoissa tai signaali voidaan tallentaa kuvapinnalle pitkäksi ajaksi. Tällöin saadaan näkyviin esimerkiksi harvoin esiintyviä nopeita signaaleja joiden erottaminen normaalilla analogisen oskilloskoopin kuvaputkella on mahdotonta. Muistikuvaputkella voidaan tallentaa kertapyyhkäisy ja lukita se näyttöön pitkäksi ajaksi sen tarkastelua varten.

Kahta tai useampaa signaalia voidaan samanaikaisesti tutkia monikanavaisella analogisella oskilloskoopilla, jossa oskilloskooppi piirtää jokaisesta signaalista oman kuvaajan vuorottelemalla pyyhkäisyä (usein merkitään ALT) kullekin kanavalle tai samanaikaisesti multipleksoimalla (usein merkitään CHOP). Useimmiten monikanavaisissa oskilloskoopeissa on käytössä yksi elektronisuihku jota poikkeuttamalla vaaka- ja pystysuunnassa voidaan piirtää kunkin kanavan signaalin lisäksi myös numeerisia arvoja. On myös olemassa analogisia oskilloskooppeja joissa käytetään todellista kaksois säde kuvaputkea jossa on kaksi erillistä elektronitykkiä jolloin päästään eroon säteen vuorottelusta. Normaalin YT toimintavan lisäksi vaihtoehtoisesti kahta signaalia voidaan tutkia käyttäen yhtä sädettä oskilloskoopin x-y moodissa, jossa toinen signaali poikkeuttaa sädettä pystysuunnassa ja toinen vaakasuunnassa. Tätä tapaa käytetään esimerkiksi käytettäessä Lissajou menetelmää taajuuden mittauksessa..

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 mikäli analoginen oskilloskooppi sellaista ei sisällä. Joissakin analogisissa oskilloskoopeissa on taajuuden sekä muiden suureiden mittaamiseen myös numeerisia toimintoja joista yksi voi olla myöskin taajuuslaskuri.

Perinteinen hyvin alkeellinen menetelmä

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

Lissajous'n menetelmä

Oskilloskoopilla näkyvä Lissajous'n kuvio, kun kahden sinimuotoisen jännitteen taajuuksien suhde on 1:3

Lissajous'n menetelmällä päästään parempaan tarkkuuteen kuin perinteisellä menetelmällä suoritetussa taajuuden oskilloskooppimittauksessa, mutta mittaukseen tarvitaan erillinen tarkka generaattori. Lissajous'n menetelmässä tutkittava signaali syötetään pystypoikkeutuslevyille (y-levyt) ja tunnettu signaali (ulkopuolisesta tarkasta generaattorista) vaakapoikkeutuslevyille (x-levyt), jolloin oskilloskoopin näyttöön syntyy Lissajous'n 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.

Historia

Braunin putki tunnettiin vuonna 1897, ja vuonna 1899 Jonathan Zenneck varusti sen säteenmuodostusalueen levyillä ja magneettikentällä jäljen tekemiseen. Varhaisia katodisädeputkia oli käytetty kokeellisesti laboratoriomittauksissa jo 1920-luvulla, mutta ne kärsivät tyhjiön ja elektronilähteen huonosta vakaudesta. VK Zworykin esitti pysyvästi suljetun, korkean tyhjiön kuvaputken vuonna 1931. Sen ollessa vakaa ja uudelleen käytettävä komponentti oli General Radion mahdollista valmistaa oskilloskooppi, joka oli käyttökelpoinen laboratorion ulkopuolella. Toisen maailmansodan jälkeen elektroniikan ylijäämäosien hinnan lasku mahdollisti Heathkit Corporationin valmistaa tällaisista osista koostuva 50 dollarin oskilloskooppirakennussarja, joka oli ensimmäinen menestyjä markkinoilla.

Aiheesta muualla

• Särökäyrää jo vuodesta 1897 (Arkistoitu – Internet Archive)