Moderní metody v dopravě a přepravě pro 21. století TEORIE

Studijní opora
Použití osciloskopu při měření fyzikálních veličin u MV
Moderní metody v dopravě a přepravě pro 21. století
TEORIE OSCILOSKOPU A VYUŽITÍ V AUTOMOBILOVÉ
PRAXI
Určeno pro potřeby dalšího vzdělávání pedagogických pracovníků
středních odborných škol
Autor
Ing. Oldřich Hájek
Název a sídlo školy
Střední škola automobilní, mechanizace a podnikání,
Krnov, příspěvková organizace
Opavská 49,
794 01 Krnov
Rok vytvoření vzdělávacího programu
2012
1
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Obsah
Úvod ........................................................................................................................................... 4
1
Úvod do měření fyzikálních veličin................................................................................. 7
1.1 Měření elektrických veličin ......................................................................................... 7
1.2 Měřicí přístroje napětí a proudu a jejich vlastnosti ..................................................... 7
1.3 Měření neelektrických veličin ................................................................................... 10
1.4 Úvod do problematiky měření časově proměnných průběhů .................................... 12
2
Základní principy konstrukce osciloskopů .................................................................. 13
2.1 Analogové osciloskopy.............................................................................................. 13
2.2 Digitální osciloskopy ................................................................................................. 18
2.2.1 Možné problémy při měření s osciloskopy ........................................................ 19
2.3 Doplňky osciloskopů ................................................................................................. 20
3
Typy (provedení) osciloskopů ....................................................................................... 22
3.1 Osciloskopy univerzální ............................................................................................ 22
3.1.1 Analogový osciloskop - HC-3202C ................................................................... 22
3.1.2 Digitální osciloskop - DS1052D ........................................................................ 23
3.1.3 Osciloskop multifunkční - DSO1060 ................................................................. 23
3.1.4 Provedení osciloskopu jako přídavné karty do PC ............................................. 24
3.2 Automobilové osciloskopy ........................................................................................ 26
3.3 Kuriózní osciloskopy ................................................................................................. 28
3.3.1 Amatérský osciloskop ........................................................................................ 28
3.3.2 Amatérský osciloskop USB ............................................................................... 29
3.3.3 Bluetooth osciloskop pro Android - osciloskop v mobilním telefonu ............... 29
4
Základní měření s osciloskopy ...................................................................................... 31
4.1 Standardní úlohy ........................................................................................................ 31
4.1.1 Měření stejnosměrného napětí ........................................................................... 31
4.1.2 Měření střídavého napětí .................................................................................... 31
4.1.3 Měření proudu .................................................................................................... 32
4.1.4 Měření fázového posunu .................................................................................... 32
4.1.5 Měření úhlu sepnutí ............................................................................................ 32
4.1.6 Sledování průběhu napětí ................................................................................... 33
4.1.7 Porovnání fáze dvou signálů .............................................................................. 33
4.1.8 Určení zkreslení zařízení (zesilovače, atd.) ........................................................ 33
4.1.9 Měření kmitočtu a amplitud různých průběhů ................................................... 34
4.1.10 Měření přechodových dějů ................................................................................. 34
4.1.11 Hledání závad ve složitých zařízeních ............................................................... 34
4.1.12 Měření jednorázových dějů (MIDI signál, atd.) ................................................. 35
4.1.13 Měření signálů (datových, adresových, řídicích) číslicových obvodů ............... 35
4.2 Ukázky měření na snímačích MV - snímače používané v MV ................................. 36
4.2.1 Optický (optoelektronický) snímač .................................................................... 37
2
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
4.2.2 Indukční snímač - elektromagnetický ................................................................ 38
4.2.3 Hallův snímač - snímače s Hallovým generátorem ............................................ 39
4.2.4 Teplotní snímač .................................................................................................. 40
Seznam použité literatury ...................................................................................................... 42
Seznam obrázků ..................................................................................................................... 43
Seznam tabulek ....................................................................................................................... 45
Posudek odborného garanta .................................................................................................. 46
3
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Úvod
Cílem studijní opory „Použití osciloskopu při měření fyzikálních veličin motorových vozidel
je snaha o optimální využití osciloskopů ve škole a školních laboratořích vůbec. (1)
"Osciloskop patří nepochybně mezi nejdůležitější měřicí přístroje, přičemž způsobem činnosti
se běžným přístrojům vymyká. Zjednodušeně řečeno, je nezastupitelný při mnoha měřeních,
kdy jiná měřidla neuspějí, anebo jimi zjištěné údaje nemají větší význam než čistě orientační.
(1)
Osciloskop se obecně vyznačuje univerzálností, avšak jeho hlavní předností je schopnost
zobrazovat jevy probíhající v reálném čase (týká se analogového osciloskopu), i když jsou
dosti složité. V řadě případů potřebné informace ani jiným způsobem získat nelze.
Osciloskopem většinou zobrazujeme průběhy napětí a proudů v různých elektrických
obvodech, abychom si učinili představu o fungování obvodu. Přitom nezřídka se jedná
o vysoké frekvence, řádově i gigahertzy. (1)
Tvar signálu, zobrazený formou příslušné křivky a odpovídající časově rozvinutému průběhu,
dokážeme vyhodnotit, např. z hlediska napětí, frekvence, fáze. Tím ovšem nemá být řečeno,
že s jinými než s elektrickými veličinami osciloskop nedokáže pracovat. Naopak, existuje
řada neelektrických veličin, které s použitím vhodného převodníku spolehlivě zobrazuje.
Proto jej dnes nalezneme v mnoha oborech lidské činnosti. (1)
Přes všechny naznačené výhody není osciloskop příliš rozšířen mezi zájemci o elektroniku.
Jistě k tomu existují reálné důvody, z nichž přinejmenším dva jsou dostatečně pádné.
Především nutno přiznat, že osciloskop je nákladným zařízením, takže jen málokdo je ochoten
investovat značné prostředky do jeho pořízení. Je sice pravda, že zkušený zájemce by
osciloskop dokázal zhotovit, otázkou však zůstává, do jaké míry je taková činnost rentabilní.
A to ponecháváme stranou výsledný efekt, tzn. parametry, kterými se bude zhotovené zařízení
vyznačovat. Stavba představuje mnoho práce, klade nároky na odpovídající vybavení
a nepochybně i na dobré znalosti z vysokofrekvenční techniky. Pracně zhotovený osciloskop,
pokud bude fungovat pouze v oblasti nízkofrekvenčních kmitů, zakrátko bude uživateli připadat jako nedostačující - vzhledem k širokým možnostem měření současného osciloskopu.
Kromě toho v domácích podmínkách je prakticky vyloučené pokoušet se o stavbu zařízení,
srovnatelného - třeba jen vzdáleně - s běžnými osciloskopy." (1)
Ing. Oldřich Hájek
4
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Pro koho je studijní opora určena
je určen učitelům odborných předmětů, odborného výcviku a praktického vyučování
a vedoucím školních týmů středních odborných škol.
Studijní opora se dělí na kapitoly, které odpovídají logickému dělení probírané látky,
ale nejsou stejně obsáhlé a předpokládaná doba studia se může výrazně lišit, proto jsou velké
kapitoly dále děleny na očíslované podkapitoly, kterým odpovídá následující struktura.
Cíl
Po prostudování tohoto odstavce budete umět popsat, definovat a vyřešit.
Výklad
Následuje vlastní výklad probírané látky, zavedení nových pojmů vše doprovázeno
tabulkami, obrázky.
Použité názvosloví
Zde jsou vybrány technické výrazy, které se nacházejí v probírané kapitole studijní
opory a mají klíčový význam pro širší pochopení problematiky.
Kontrolní otázky
Pro ověření, zda-li jste dobře a úplně látku zvládli, je připraveno několik
teoretických otázek.
Seznam použité literatury
Citovaná leteratura s odkazem na stranu citace ve studijní opoře.
Seznam obrázků a tabulek
Číslovaný seznam obrázků a použitých tabulek je pro přehlednost umístěn na závěr
studijní opory.
5
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Použité jednotky, zkratky a veličiny
Cílem této kapitoly je seznámit se či připomenout základní fyzikální pojmy, se kterými se při
obsluze měřicích přístrojů, zejména osciloskopů, můžeme setkat.
Při měření s osciloskopy se setkáme s řadou fyzikálních veličin, které zde připomeneme. Při
nastavování časové základny se setkáváme s frekvencí nebo periodou daného děje.
Frekvence: „Počet dějů za jednotku času“ – f [Hz]
Perioda: „Doba trvání děje (jedné periody) – T [s]
Převodní vztah mezi periodou a frekvencí - f = 1/T
Citlivost přístroje (měřený rozsah) nastavujeme v [V/d] (volty na dílek). Je tomu jinak, než
u běžných přístrojů (V a A-metry), kde bývá uvedena max. hodnota měřené veličiny pro daný
rozsah.
Analogový signál:
hodnot.
je spojitý a v daném rozsahu může nabývat nekonečného množství
Digitální signál:
je nespojitý a může nabývat pouze dvou hodnot - tzv. log.0 a log.1.
6
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
1 Úvod do měření fyzikálních veličin
Cílem této kapitoly je, seznámit se základními problémy měření fyzikálních veličin, s měřicími
přístroji, jejich rozdělením, konstrukcí s technickými parametry.
Klíčová slova: analogová veličina, digitální veličina, analogově-digitální převodník,
lineární a nelineární veličiny
1.1 Měření elektrických veličin
Měření elektrických veličin je v praxi velmi důležité. V dnešní době používáme velké
množství různých elektrických zařízení a při jejich konstrukci, servisu, opravách je nutno
měřit jejich parametry. Tato potřeba se vyskytuje i u zařízení neelektrických, kdy další
fyzikální veličiny měříme zprostředkovaně jejich převedením na základní veličiny elektrické.
1.2 Měřicí přístroje napětí a proudu a jejich vlastnosti
ROZDĚLENÍ MĚŘICÍCH PŘÍSTROJŮ
a/ Podle použití:
- jednoúčelové – měří pouze jednu veličinu (napětí, proud, odpor, atd.)
- víceúčelové (multimetry) – umožňují měřit více veličin (střídavé nebo
stejnosměrné napětí, proudy, odpor, kapacitu, atd.)
- specializované – určené pro měření v určité oblasti. Např. pro MV měření otáček,
úhlu sepnutí, atd.
b/ Podle principu:
- analogové – mají jednu nebo více stupnic. Jsou vhodné pro sledování plynulé
změny měřené veličiny.
- digitální (číslicové) – místo stupnice mají číslicový displej.
ANALOGOVÉ MĚŘICÍ PŘÍSTROJE
Skládají se z:
- pevná část (většinou permanentní magnet s pólovými nástavci)
- pohyblivá část s ručkou
- stupnice
Příklad analogového měřicího systému
- magnetoelektrická soustava (s otočnou cívkou, Deprézská soustava)
Značka soustavy
Systém je stejnosměrný, pro střídavé veličiny se vybavuje usměrňovačem.
Použití: přesné V a A metry.
7
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Obrázek 1 - Měřicí systém magnetoelektrická soustava
Konstrukce:
V magnetickém poli permanentního magnetu je uložena otočné cívka (obr. 1). Protéká-li
otočnou cívkou měřený proud, vzniká točivý moment, natáčející ručku proti momentu
spirálových pružin. Ručka ukazuje měřený údaj na stupnici. Otočná cívka je navinutá na
hliníkovém rámečku. Při otáčení cívky se indukují v rámečku vířivé proudy a ty tlumí pohyb
cívky.
Vlastnosti:
- vhodná pro měření stejnosměrných napětí a proudů
- velká přesnost
- velká citlivost
- nepatrná spotřeba energie (1 až 100 μW)
- lineární stupnice
- měření střídavých U a I s předřazeným usměrňovačem
DIGITÁLNÍ MĚŘICÍ PŘÍSTROJE
Obsahují:
- analogově-digitální
převodník (AD)
- zobrazovací jednotku
(displej)
- zdroj energie (síťový
zdroj nebo baterii)
Obrázek 2 - Blokové schéma digitálního měřidla
8
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
1/ Přepínač rozsahů:
- ruční
- automatický
Přepíná předřadné nebo boční odpory tak, abychom využili co největší přesnosti přístroje.
2/ Vstupní zesilovač:
Měřicí zesilovač (operační) se vstupním odporem na ss rozsahu nejméně 10 MΩ.
3/ Analogově-digitální převodník
Měření analogového signálu je porovnáváno na komparátoru s napětím pilových kmitů. Při
nulovém napětí pilového porovnávacího napětí začíná počítání časových impulsů a končí,
když rostoucí pilové napětí dosáhne úrovně měřeného napětí. Počet impulsů pak odpovídá
měřenému napětí. Měření se provádí cca 10x za sec u běžných MP (při digitalizaci zvuku o
CD kvalitě je to 44100 měření za sec.).
Obrázek 3 - Princip AD převodníku
4/
Paměť
Umožňuje uložení několika naměřených hodnot (cca 10), případné sledování a uložení
MIN/MAX hodnot měřené veličiny.
5/ Displej bývá z LED segmentů nebo LCD (často grafický)
Obrázek 4 - Druhy displejů
6/ Možnost připojení k počítači (PC) pomocí linky RS232 (sériový kanál), méně často
pomocí USB.
9
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
1.3 Měření neelektrických veličin
Pro potřeby měření a řízení se neelektrické veličiny převádí na elektrické:
Obrázek 5 - Převod veličin
Převod se provádí pomocí snímačů (převodníků). Snímače dělíme na:
a) pasivní – vlivem fyzikální veličiny se mění např. elektrický odpor pro získání výstupní
elektrické veličiny musíme snímač napájet.
b) aktivní – přeměňují fyzikální veličinu přímo na elektrickou (termočlánek, fotočlánek, ...)
Charakteristiky snímačů:
Obrázek 6 - Charakteristiky snímačů
Tvary výstupního signálu
a – spojitá lineární
b – spojitá nelineární
c – nespojitá víceúrovňová impulsu
d – nespojitá dvouúrovňová
a – výstupní signál U – změna frekvence
b – výstupní signál U – změna délky
10
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Příklad jednoduchého analogového snímače a konkrétní zapojení v motorovém vozidle.
a/ Zapojení R snímače jako potenciometr (dělič napětí)
U1 by mělo být konstantní.
Výstupní veličinou je napětí a je úměrné
poloze běžce. Plovák (5) přes soustavu pák
(3 a 4) pohybuje s běžcem potenciometru
(2).
Obrázek 7 - Zapojení
potenciometru
Obrázek 8 Odporový snímač
hladiny paliva
b/ Zapojení R snímače jako proměnného odporu – reostatu
Výstupní veličinou je proud. Jeho velikost je úměrná velikosti
R1 (mění se s polohou běžce).
U1 by mělo být konstantní.
Obrázek 9 - Zapojení
reostatu
c/ Zapojení R snímače jako můstku (diferenční zapojení)
Obrázek 10 - Snímač škrticí klapky
Obrázek 11 - Snímač škrticí klapky zapojení
1 – hřídel škrticí klapky
2 – odporová dráha 1
3 – odporová dráha 2
4 – rameno s běžci
5 – konektor
1 – škrticí klapka
2 – snímač polohy
Uv – napájecí napětí
UA – měřené napětí
R5,6 – ochranné odpory
R3,4 – kompenzační R (vyvažovací)
11
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
1.4 Úvod do problematiky měření časově proměnných průběhů
(PROČ POUŽÍVAT OSCILOSKOP)
V technice velmi často potřebujeme měřit různé fyzikální veličiny. Ty se většinou převádí
pomocí různých snímačů a převodníků na veličiny elektrické, zejména napětí.
Pro měření elektrického napětí používáme různé měřicí přístroje. Výběr přístroje závisí na
parametrech daného signálu.
Stejnosměrné napětí
Zde většinou nebývá s měřením problém. K měření můžeme použít:
-
zkoušečky různých typů (LED zkoušečka, …)
voltmetry (univerzální multimetry)
Střídavé napětí
Zde musíme volit přístroj s ohledem na frekvenci a průběh daného napětí.
- voltmetry
Tyto však měří pouze napětí harmonické a o kmitočtu většinou cca 50 Hz.
Obrázek 12 - Univerzální
Takováto napětí, zejména u složitějších zařízení, jsou poměrně vzácná.
multimetr
Pro měření napětí neharmonických průběhů, frekvencí různých od 50 Hz, jednorázových
dějů, porovnání dvou a více signálů, jednorázových dějů, atd., nezbývá než použít osciloskop.
Obrázek 13 - Osciloskop
Kontrolní otázky kapitoly 1:
1.
2.
3.
4.
5.
Jaký je rozdíl mezi analogovým a digitálním signálem?
V čem se liší analogové a digitální měřicí přístroje?
Jaký je princip AD převodníku?
Jak se měří neelektrické fyzikální veličiny?
Proč a kdy je nutné použít osciloskop?
12
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
2 Základní principy konstrukce osciloskopů
Cílem této kapitoly seznámit se základními druhy osciloskopů, principem zpracování signálu,
způsobem zobrazení a dalšími technickými možnostmi.
Klíčová slova: časová základna, synchronizace, vzorkovací frekvence
2.1 Analogové osciloskopy
Analogový osciloskop používá paprskovou vakuovou obrazovku ČRT (Cathode Ray Tube =
elektronka s katodovými paprsky) a elektronový paprsek vychyluje zesíleným analogovým
signálem. (4)
Konstrukce analogového osciloskopu
Analogový osciloskop (přehled) obsahuje tyto důležité části:
- paprsková vakuová obrazovka (zobrazovací jednotka),
- zesilovač vertikálního vychylování (Y-zesilovač),
- zesilovač horizontálního vychylování (X-zesilovač),
- generátor pilovitých kmitů časové základny,
- síťový napájecí díl. (4)
Blokové schéma analogového osciloskopu
13
Obrázek 14 - Blokové schéma analogového osciloskopu (7)
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Paprsková vakuová obrazovka
Je hlavní část paprskového osciloskopu. Je tvořena vakuovou kuželovou skleněnou baňkou
s válcovým krkem. V krku obrazovky je žhavena katoda emitující elektrony. Vyzařované
elektrony jsou elektronovou optikou směrovány do úzkého paprsku a urychlovány anodou
směrem ke stínítku obrazovky, na kterém vyvolávají ve fotoemisní vrstvě vyzařování světla.
Katoda je tvořena niklovou trubičkou, ve které je stočen drát nepřímého žhaveni. Emitující
povrch z oxidu baria nebo oxidu stroncia je žhaven do rudého žáru (asi 800°C). Katoda je
umístěna ve Wehneltově válci s malým otvorem pro paprsek ve středu kruhového dna. Po
zaostření a urychlení prochází elektronový paprsek vychylovacím systémem, který mění jeho
směr tak, že paprsek projde (během periody snímku) celou plochu obrazovky a může rozzářit
celé stínítko. Vnitřní strana přední části obrazovky (stínítko) je potažena luminoforem,
tvořeným sulfidy, oxidy nebo silikáty zinku nebo kadmia. Přísadami např. stříbra, zlata nebo
mědi je luminofor aktivován k elektrické vodivosti. Luminofory se liší barvou, jasem
a dosvitem. U osciloskopu se většinou používá zelený luminofor, protože lidské oko je na
zelenou barvu velmi citlivé. Velikostí záporného předpětí na Wheneitově válci se l nastavuje
intenzita elektronového paprsku a tím i jas stopy světelného paprsku na stínítku obrazovky.
(4)
Obrázek 15 - Obrazovka analogového osciloskopu
14
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
FUNKČNÍ CELKY OSCILOSKOPU
Jas a kontrast paprsku
Ovládací knoflík odporového trimru pro nastavování jasu paprsku změnou záporného předpětí
na Wehneltově válci je označen nápisem INTENS (JAS). Elektronový paprsek je tvořen
záporně nabitými elektrony, které se vzájemně odpuzují. Paprsek má proto snahu se rozptýlit
a musí být zaostřovací elektrodou zaostřen do úzkého svazku, směřujícího do jednoho bodu
na obrazovce. Napětí na zaostřovací elektrodě lze nastavovat knoflíkem odporového trimru na
ovládacím panelu s označením FOCUS (KONTRAST). (4)
Zaostřený paprsek je na své dráze ke stínítku obrazovky vychylován postupně dvěma páry
desek elektrostatického vychylování, které vychylují paprsek ve svislém (vertikálním) směru
(vychylování Y) a ve vodorovném (horizontálním) směru (vychylování X). Je-li mezi
vychylovacími deskami napětí, jsou elektrony přitahovány ke kladné desce a jejich dráha je
parabolicky zakřivena (jako při vodorovném vrhu v gravitačním poli). (4)
Svislé vychylování elektronového paprsku se nazývá vertikální vychylování (vychylování Y),
vodorovné vychylování se nazývá horizontální vychylování (vychylování X). (4)
Zesilovač vertikálního vychylování
Zesilovač dává vychylovací napětí (do 100 V) pro vychylovací desky Y. Vertikální zesilovač
musí zesilovat bez zkreslení napětí od stejnosměrného signálu až po kmitočty v MHz.
Klidová poloha paprsku ve svislém směru se dá nastavit ovládacím knoflíkem vertikálního
nastavení označeného POS (Position). (4)
Zesilovač horizontálního vychylování
Tento zesilovač dává potřebné napětí pro vodorovné vychylování paprsku. Osciloskop se
většinou používá ke sledování časového průběhu signálu. K tomu účelu musí být svisle se
měnící poloha paprsku vodorovně rozmítána rovnoměrným (v čase) pohybem, např. rychlostí
1 cm/ms na rastru obrazovky. K tomu je třeba přivádět na vodorovné vychylovací desky
periodické pilovité napětí, které vychyluje paprsek zleva doprava přes celou šířku obrazovky
v časovém rozpětí odpovídající např. periodě sledovaného signálu a pak velmi rychle zpět
(svislá hrana pilovitého napětí časové základny). Při zpětném běhu je paprsek potlačen
záporným zatemňovacím impulzem na Wehneltův válec - říkáme, že je zatemněn. (4)
15
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Obrázek 16 - Ovládací prvky analogového osciloskopu
Časová základna
Generátor pilovitého napětí je časovou základnou osciloskopu a jeho kmitočet lze nastavovat
v širokém rozsahu stupňovitým otočným přepínačem, označeným TIME BASE.
Je-li perioda pilovitého napětí časové základny celistvým násobkem periody měřeného
střídavého periodického signálu přiváděného na vstup Y, je na obrazovce vidět klidný
neměnný obraz časového průběhu měřeného signálu. Toho lze dosáhnout automatickou
synchronizací kmitočtu časové základny s kmitočtem sledovaného signálu. Impulzy časové
základny jsou spouštěny spouštěcími impulzy (Triggerimpuls), které jsou generovány určitou
úrovní (Level) při určitém sklonu (Slope) vstupního signálu. Po odeznění pilovitého impulzu
časové základny čeká generátor na další spouštěcí impulz, generovaný prahovým spínačem,
nazývaným Schmidtův spínač (KOMPARÁTOR). Spínací úroveň lze nastavit knoflíkem
LEVEL a sklon (+ rostoucí nebo - klesající) knoflíkem SLOPE. (4)
16
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Princip synchronizace:
Nezasynchronizovaný průběh
Obrázek 17 - Nesynchronizovaný průběh
Obrázek 18 - Princip synchronizace
Přepínače druhu měřeného signálu
Přepínačem druhu proudu (DC-AC-GD) je možné přepnout do režimu GD (Ground = zem)
pro nastavení nuly na rastru obrazovky (knoflíkem Y-POS) a pak přepnout do režimu DC
(Direct Current = stejnosměrný proud) ve kterém lze měřit stejnosměrné napětí. V režimu AC
odděluje vstupní kondenzátor střídavý signál od stejnosměrné složky. Při uzemněném vstupu
Y a činnosti časové základny je na obrazovce vodorovná čára, odpovídající napětí 0 V. (4)
Síťový zdroj
Síťový zdroj osciloskopu transformuje a usměrňuje síťové napětí a na několika výstupech
dává napájecí napětí pro elektronické obvody, žhavicí napětí pro katodu obrazovky a anodové
napětí pro obrazovku, které bývá několik tisíc voltů. (4)
17
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
2.2 Digitální osciloskopy
V digitálním osciloskopu jsou vstupní signály digitalizovány, ukládány v digitální paměti,
digitálně zpracovány a pak teprve použity pro generování obrazu. Paprskové digitální
osciloskopy jsou známé pod názvem paměťové osciloskopy a pod názvem digitální
osciloskopy jsou dnes již prezentovány osciloskopy s LCD displejem.
Paměťový osciloskop má oproti běžnému paprskovému osciloskopu navíc:
- analogově digitální převodník (AD převodník),
- digitálně analogový převodník (DA převodník)
- digitální obrazovou paměť (Video-RAM).
Blokové schéma digitálního osciloskopu
Obrázek 19 - Blokové schéma digitálního osciloskopu
VZ
MUX
A/D
ČP
- vertikální zesilovač
- multiplexer (vstupní přepínač)
- analogově-digitální převodník
- číslicová paměť RAM
V paměťovém osciloskopu (DSO, Digital Storage Osciloskop) jsou data popisující jednotlivé
body obrazu (průměru několika desetin mm) uložena v paměti RAM. Analogový signál je
nejprve kvantován (digitalizován) tak, že jsou krátké časové úseky signálu nahrazeny
digitálními kódy čísel odpovídajících velikostí napětí těchto časových vzorků. Vzorkovací
frekvence muže být až 1 GHz. Kvantování je postup, kterým nahrazuje AD převodník
analogový signál časovou posloupností čísel. Jsou-li tato data periodicky ukládána do
polovodičové paměti RAM, může být na základě těchto dat vytvářen obraz signálu na
obrazovce, nebo mohou být tato data dále zpracována v počítači, do kterého je možné data
přenášet např. přes sériové rozhraní RS-232. V digitálním osciloskopu jsou analogové signály
jen mezi vstupy a AD převodníky a další zpracování je již digitální.
V paprskovém osciloskopu je třeba signály pro vychylování paprsku získat pomocí DA
převodníků a podobně je třeba získat i signál pro buzení jednotlivých digitálně adresovaných
bodů (pixelů) LCD displeje, tj. pro modulaci intenzity paprsku. Složitější digitální
18
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
osciloskopy mají programové vybavení pro harmonickou analýzu signálů a také vestavěnou
tiskárnu.
Digitální osciloskopy jsou měřicí přístroje budoucnosti. Jsou malé, lehké, při malé spotřebě
LCD displeje nezávislé na síti (mají vestavěný akumulátor) a díky automatizovanému
nastavování mají snadnou obsluhu.
Tabulka 1 - Přehled možností paměťových osciloskopů
2.2.1 Možné problémy při měření s osciloskopy
Aliasing
Chyba vzorkování může ovšem být ještě daleko horší. Pokud se totiž v původním spojitém
signálu vyskytuje frekvence vyšší než je polovina vzorkovací frekvence (nazývaná též
Nyquistova frekvence), dojde, jak praví Shannonův teorém, k úplnému a nenávratnému
zkreslení signálu díky jevu nazývajícímu se aliasing. Aliasingu se dá zabránit jedině
takzvaným antialiasing filtrem, což je dolní propust zařazená před převodníkem. Ta nedovolí
frekvencím vyšším než je Nyquistova frekvence vstoupit do převodníku.
Například u záznamu hudby na CD je použita vzorkovací frekvence 44,1 kHz, takže na CD
mohou být zachyceny frekvence zhruba do 22 kHz. Vzhledem k tomu, že rozsah frekvencí
19
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
slyšitelný lidským uchem se uvádí jako 20 Hz - 16 kHz, je tak na CD možno zaznamenat
slyšitelné spektrum v celé šíři.
V telekomunikacích se používá vzorkování 8 kHz (standardní telefonní pásmo je od 0,3 do
3,4 kHz) takže nejvyšší přenesená frekvence je 4 kHz to je pro přenos hlasu dostačující.
2.3 Doplňky osciloskopů
MĚŘICÍ SONDA
Na vstupní svorku Y označenou VERT. INPUT se připojuje měřicím vedením měřicí sonda,
případně poměrová dělicí sonda sloužící k doteku v místě, ve kterém je třeba měřit signál.
Poměrová sonda může dělit sledované napětí v poměru 10:1 nebo 100:1. Dělič nemůže být
čistě odporový, ale musí být impedanční. Kompenzace vstupní kapacity osciloskopu se
v sondě provádí kapacitním trimrem tak, aby sonda nezkreslovala obdélníkové impulzy.
Obrázek 20 - Měřicí sonda
DM450
Měřicí sonda pro osciloskop do 150 MHz
Technická data:







Poměr: 10:1
Šířka pásma: 150 MHz
Doba náběhu (ns): 2,3
Vstupní kap. (pF): 14,0
Vstup. odpor (MW): 10
Vstupní napětí (Vp): 600, Cat I
Délka kabelu 1,2 m
Rozsah dodávky: měřicí sonda, mikrosvorky, náhradní pozlacená dotyková špička (hrot), BNCadaptér, kalibrační nástroj.
Cena: 555,- Kč (bez DPH)
Tabulka 2 - Měřicí sonda - parametry
20
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
ZOBRAZENÍ DVOU PRŮBĚHŮ
Často je třeba kvůli porovnání zobrazit na obrazovce osciloskopu současně průběhy dvou
signálů. To umožňuje dvoukanálový osciloskop, který má dva vstupy Y a dva oddělené
zesilovače pro vertikální vychylování paprsku. Dvoukanálový jednopaprskový osciloskop
(dvoupaprskové osciloskopy jsou dražší) má jeden paprskový systém (elektronové dělo
i vychylovací systém), má však dva zesilovače vstupních signálů a jejich výstupy jsou rychle
přepínány na desky svislého vychylování. Oba vstupní signály jsou tak zobrazovány v časově
prokládaném režimu. Mají-li vstupní signály nízké kmitočty, je elektronický přepínač
(výstupů zesilovačů) nastaven na velkou přepínací frekvencí (50 kHz až 500 kHz), při které
„rozsekává" (vzorkuje) průběhy na malé úseky (režim Chopper2) a po malých úsecích
zobrazuje. Mají-li vstupní signály vysoké kmitočty, jsou zobrazovány střídavě v režimu
Alternate3, tedy s menším kmitočtem přepínání.
trigger (angl.) = spoušť
chopper(angl.) = sekačka
alternate (angl.) = střídavý
Obrázek 21 - Dvoukanálový osciloskop (blokové schéma)
Kontrolní otázky kapitoly 2:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Z jakých částí se skládá analogový osciloskop?
Z jakých částí se skládá digitální osciloskop?
Co je synchronizace?
Možné nevýhody digitálních osciloskopů?
K čemu slouží měřicí sondy osciloskopů?
Jak zobrazíme více průběhů v daném čase?
21
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
3 Typy (provedení) osciloskopů
Provedení osciloskopů, zejména dnes díky technickým možnostem, může být velmi různé.
Z toho vyplývá poměrně složité rozhodování při nákupu nového přístroj, zejména vzhledem
k tomu, že tyto přístroje patří do cenově náročnější skupiny. Při výběru se tedy musíme ohlížet
zejména na technickou oblast, ve které budeme osciloskop provozovat. Cílem této kapitoly je
seznámit s technickými parametry současných osciloskopů.
Klíčová slova: analogový osciloskop, digitální osciloskop, automobilový osciloskop
3.1 Osciloskopy univerzální
3.1.1 Analogový osciloskop - HC-3202C
GM-elektronic, 7900,- Kč
Obrázek 22 - Analogový osciloskop - HC3202
Parametry:
šířka pásma: .............
DC do 20 MHz
AC 10 Hz až 20 MHz
zobrazení: ..................
vazba: ........................
vstupní impedance: ....
max. vstupní napětí: ...
vstupní citlivost: ........
prodlouž. náběž.hr.: ....
rozmítání: ...................
časová lupa: ...............
rozměry: .....................
hmotnost: ...................
spotřeba: ....................
napájení: ....................
CH1, CH2, AST, DUAL, AUTO, NORM, SINGLE
AC, AC-LF, DC, TV
1 M�/30 pF ±3 pF
600 Vpp
5 mV – 20 V/dílek
max. 17,5 ns
0,2 μs–0,5 s/dílek
×5
356 × 147 × 435 mm
7,5 kg
19 W
110 V/120 V/220 V/240 V ±10 %, AC 50 Hz/60 Hz
22
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
3.1.2 Digitální osciloskop - DS1052D
GM 27.380,- Kč
Obrázek 23 - Digitální osciloskop - DS1052D
Parametry:
Rigol DS1052D - 50MHz. Digital Scope with 16 Ch. Logic Analyzer
- 50 MHz. Bandwidth, 2 Channels + 16 Channel Logic Analyzer for True Mixed Signal
Capability
- 1 GS/s Real Time Sample Rate
- 10 GS/s Equivalent Time Sample Rate
- Bright, Crisp, 5.7" TFT LCD COLOR Display
- USB storage and printing
- 20 Automatic Measurements + Math Functions, FFT
- Triggers include: Edge, Video, Pulse, Slope, Alternate
- Cursors: Manual, Track, and Auto Measure Modes
- Memory: 10 Waveforms, 10 Setups
3.1.3 Osciloskop multifunkční - DSO1060
GM
13 900,-
Obrázek 24 - Digitální osciloskop DS1060
23
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
3.1.4 Provedení osciloskopu jako přídavné karty do PC
Interní provedení karty
Obrázek 25 - Interní karta do PC
Externí provedení
Obrázek 26 - Externí karta do PC
24
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Vertikální vychylovací systém
Vstupy
Šířka pásma (+- 3dB)
Vstupní odpor
Rozsahy [mV/d]
Chyba měření
Rozlišovací schopnost
Maximální vstupní napětí
Jiné
Časová základna
Rozsahy časové základny
Vzorkovací frekvence
Jiné
Spouštění
Zdroje synchronizace
Nastavení práhu
Možnosti synchronizace
Délka záznamu
2 kanály, 1 externí synchronizační
vstup/výstup kompenzačního
generátoru (BNC)
0 Hz až 150 MHz (DC); 1,2 Hz až
150 MHz (AC)
1 MOhm/20 pF
10, 20, 50, 100, 200, 500, 1V, 2V,
5V
+- 2,5 %
8 bitů (0,4 %)
+- 100 V
Odstranění rušení pomocí metody
digitálního stínění.
Jednorázové děje: 1 µs/d až 2 s/d
Periodické děje: 10 ns/d až 2 s/d
Jednorázové děje: 1 kHz až 50
MHz
Periodické děje: 1 kHz až 5 GHz
(Equivalent Sampling rate)
Dvojitá časová základna
kanál A, kanál B, externí E
Kanál A a B v celém rozsahu
zobrazení, externí pevný cca 1,2 V
- na definovanou hranu
- na nastavitelnou délku
synchronizačního signálu
(Digitální filtr)
- na nastavitelný počet výskytů
synchronizačního signálu
max. 32000 vzorků pro každý
kanál v rychlých režimech činnosti
[omezená paměťovými kapacitami
počítače, pro pomalé děje (max. 50
kS/s)]
Tabulka 3 - Externí karta do PC - parametry
25
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
3.2 Automobilové osciloskopy
Automobilový osciloskop - universální diagnostika závad v elektronických systémech
automobilů
Obrázek 27 - Automobilový osciloskop
Základní informace
Osciloskop obecně je velmi účinným nástrojem pro odhalování závad v elektronických
systémech automobilů. Jeho síla spočívá v naprosté universálnosti a schopnosti zobrazovat
požadovaný signál v reálném čase. Automobilovým osciloskopem je tedy možné měřit
veškeré elektronické systémy vozidel s palubním napětím do 30V, mínus pól na kostře vozu.
Jednoduše řečeno, osciloskop zobrazuje napětí v daném čase a zakresluje do grafu. Na
vodorovné ose je zaznamenán čas v milisekundách, na svislé ose pak napětí ve voltech.
Signál z každého snímače ve voze osciloskop přesně zobrazí v časové posloupnosti.
Rozborem naměřeného signálu pak může obsluha přesně diagnostikovat závadu na
zkoumaném snímači, případně na vedení. Základním parametrem osciloskopů je počet
kanálů. Počtem kanálů rozumíme počet vstupních signálů, které osciloskop dokáže měřit
najednou. V případě vícekanálového osciloskopu je pak možné sledovat signály z více
pozorovaných snímačů najednou. Tento automobilový osciloskop je tří kanálový. Dokáže
měřit signály ze tří zdrojů najednou. Průběh celého měření lze uložit do paměti a později
vyvolat k další analýze, případně k porovnání s jiným, nebo vzorovým průběhem signálu.
Rozdíl mezi klasickým a „automobilovým“ osciloskopem
Ovládání původního klasického osciloskopu, používaného v elektrotechnice, je velmi složité
a náročné na teoretické i praktické znalosti. Vznikla tedy potřeba jednoduchého osciloskopu
pro autoopravárenský průmysl, se kterým by dovedli jednoduše měřit i automechanici bez
vzdělání elektrotechnického směru. Tak vznikl automobilový osciloskop, u kterého je hlavní
odlišností naprosto jednoduché ovládání bez funkcí, které jsou pro účely oprav automobilů
zbytečné. Příkladem je zrušení triggeru, což je funkce osciloskopu, která umožní spustit
měření v reakci na nějaký děj, např. náběžnou hranu signálu. Automobilový osciloskop
jednoduše měří signál ihned, jakmile začne být snímán a ukládá jej do paměti, takže je
kdykoliv možno se k danému ději vrátit i po jeho skončení. Další výhodou je tedy možnost
naměřit a následně porovnávat téměř libovolně dlouhý signál, třeba ze zkušební jízdy
automobilu.
26
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
V neposlední řadě je u automobilů nutné měřit velmi pomalé děje, které klasické osciloskopy
nejsou schopny zaznamenat. Jedním z nejrychlejších dějů v automobilu (pomineme-li
komunikaci na datových sběrnicích) je signál ke vstřikovacímu ventilu. V případě
jednobodového vstřikovacího systému dojde každou otáčku k otevření tohoto ventilu, při
3000 ot./min se jedná o frekvenci 50Hz, což většina klasických osciloskopů není schopna
měřit. S automobilovým osciloskopem pak není problém takový děj měřit i v pomalejší formě
– ve volnoběhu.
Technické parametry:
Kanál 1 = Klasický měřící kanál osciloskopu označený jako CH1
Kanál 2 = Klasický měřící kanál osciloskopu označený jako CH2
Bat = Kanál osciloskopu označený jako Bat, rozdíl je pouze v potlačení napětí o 0.7V
Vzorkovací rychlost: 10kHz = 10 000 vzorku za jednu sekundu
Měřící rozsah: 0 až 30V
Velikost paměti: dáno velikostí paměti použitého PC
Možnost ukládání: ano
Vzorové grafy: ano
Rozměry přístroje: 6,2 x 10,5 x 2,9 cm
Požadavky na PC:
Procesor: alespoň 60MHz
Paměť 255 MB
Operační systém: Windows XP, Windows Vista
Cena: 6490 Kč (7788 Kč vč. DPH)
Technická data automobilového osciloskopu
Kan. 1 ................................. měřicí kanál osciloskopu označený jako CH1
Kan. 2 ................................. měřicí kanál osciloskopu označený jako CH2
Kan. 3 ................................. měřící kanál osciloskopu (potlačení napětí o 0.7V)
Vzorkování.......................... 10kHz = 10 000 vzorku za sekundu
Rozsah měření .................... 0..+30V
Velikost paměti ................... dáno velikostí paměti použitého PC
Možnost ukládání ................ ANO
Vzorové grafy ..................... ANO
Rozměry .............................. 6,2x10,5x2,9 cm
Požadavky na PC:
Procesor 960MHz
Paměť 255 MB
Operační systém WIN XP, WIN Vista
Obrázek 28 - Automobilový osciloskop - obrazovka
27
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
3.3 Kuriózní osciloskopy
3.3.1 Amatérský osciloskop
Obrázek 30 - Amatérský osciloskop obrazovka
Obrázek 29 - Amatérský osciloskop
- panel
Obrázek 31 - Amatérský osciloskop - vnitřek
28
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
3.3.2 Amatérský osciloskop USB
Obrázek 32 - Amatérský osciloskop USB
3.3.3 Bluetooth osciloskop pro Android - osciloskop v mobilním telefonu
Zajímavý projekt Bluetooth osciloskopu, využívající pro zobrazení naměřených průběhů
mobilní telefon se systémem Android. (2)
Android Bluetooth Oscilloscope není konstrukcí v pravém slova smyslu, jde spíše o zajímavý
projekt, kombinující moderní elektronické prvky s populární mobilní platformou. Výsledkem
je digitální bezdrátový osciloskop, podporující dvoukanálová měření s využitím 2 x 2 MSps
ADC a další zpracování naměřených dat. (2)
Základní technické parametry:
Postaven na obvodu dsPIC33FJ16GS504 firmy
Microchip
Bluetooth (v2.0) modul LMX9838
Typický dosah 10m (Class 2)
Časová základna: 5us, 10us, 20us, 50us, 100us,
200us, 500us, 1ms, 2ms, 5ms, 10ms, 20ms, 50ms
Napětí na dílek: 10mV, 20mV, 50mV, 100mV,
200mV, 500mV, 1V, 2V, GND
Rozsah analogových vstupů: -8V až +8V
Napájení 5 až 15 V
29
Obrázek 33 - Osciloskop v mobilu
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Schéma zapojení:
Základem je naprogramovaný 16-bitový mikrokontrolér dsPIC33FJ16GS504 firmy
Microchip, zapojený podle doporučení výrobce. Obvod byl zvolen pro svůj rychlý
integrovaný analogově-digitální převodník, podporující až 2 x 2 MSps. Dva kanály
analogových signálů jsou přivedeny na konektory IN1+/- a IN2+/- a dále na obvod TLV2372.
Ten se stará jednak o oddělení a posílené vstupních signálů, ale rovněž zajišťuje posun
společné země, čímž umožňuje měření i záporných napětí. (2)
Pro Bluetooth spojení s mobilním telefonem je použit modul LMX9838 firmy National
Semiconductor. Ten na destičce o rozměrech 10 x 17 x 2 mm integruje vše potřebné, tedy
Bluetooth 2.0 kontrolér, 2,4 GHz VF obvody, krystal, anténu, LDO a několik diskrétních
součástek. Výkon modulu je dle normy Class 2, což na volném prostranství představuje dosah
minimálně 10 m. Přenosová rychlost je podle UARTu omezena na 921,6 kbits/s. (2)
Obrázek 34 - Osciloskop v mobilu - zapojení
Kontrolní otázky kapitoly 3:
1. Jaké může být konstrukční provedení osciloskopů?
2. Porovnejte vlastnosti A a D osciloskopů?
3. Je možné využít PC jako osciloskop?
30
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
4 Základní měření s osciloskopy
Cílem této kapitoly je seznámit se základními měřicími úlohami, se kterými se v praxi při
měření s osciloskopy setkáváme.
Klíčová slova: fázový posun, impulzní signál, snímače lineární a nelineární, snímače aktivní
a pasivní
4.1 Standardní úlohy
Při měření napětí v nějakém zařízení (proti jeho zemi) je třeba propojit zem zařízení se zemí
osciloskopu. Dále je třeba nastavit vztažnou nulovou osu, a to např. pro měření kladných
napětí na spodní linku rastru. Nastavení je možné provést při přepnutí druhu proudu do
polohy GND knoflíkem Y POS. Před začátkem měření je lépe přepnout citlivost ve voltech na
největší hodnotu napětí na dílek (nejmenší citlivost), např. na 20 V/DIV (resp. 20 V/cm). Kryt
osciloskopu je často spojen s ochranným vodičem napájecího síťového přívodu. Je proto
někdy nutné připojit měřený objekt k síti přes oddělovací transformátor.
4.1.1 Měření stejnosměrného napětí
Tabulka 4 - Měření ss napětí (5)
4.1.2 Měření střídavého napětí
Tabulka 5 - Měření stř. napětí (5)
31
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
4.1.3 Měření proudu
Tabulka 6 - Měření proudu (5)
4.1.4 Měření fázového posunu
Tabulka 7 - Měření fázového posuvu (5)
4.1.5 Měření úhlu sepnutí
Tabulka 8 - Měření úhlu sepnutí (5)
32
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
4.1.6 Sledování průběhu napětí
Obrázek 35 - Sledování průběhu napětí
4.1.7 Porovnání fáze dvou signálů
Obrázek 36 - Porovnání fáze
4.1.8 Určení zkreslení zařízení (zesilovače, atd.)
Obrázek 37 - Měření zkreslení
33
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
4.1.9 Měření kmitočtu a amplitud různých průběhů
Obrázek 38 - Měření kmitočtu a amplitudy
4.1.10 Měření přechodových dějů
zákmit tlačítka, strmost hran digitálních signálů:
Obrázek 39 - Měření přechodových dějů
4.1.11 Hledání závad ve složitých zařízeních
34
Obrázek 40 - Hledání závad
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
4.1.12 Měření jednorázových dějů (MIDI signál, atd.)
Obrázek 41 - Měření jednofázových dějů
4.1.13 Měření signálů (datových, adresových, řídicích) číslicových obvodů
Obrázek 42 - Měření signálů číslicových obvodů
35
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
4.2 Ukázky měření na snímačích MV - snímače používané v MV
ELEKTRONICKÉ ZAPALOVÁNÍ
Příklad použití snímačů fyzikálních veličin v řídicí jednotce zapalování
A/ VSTUPNÍ ČÁST - SNÍMAČE:
1 - otáčky motoru
2 - spínače škrticí klapky
3 - CAN (sériový BUS - sběrnice)
4 - tlak v sání
5 - teplota motoru
6 - teplota nasávaného vzduchu
7 - napětí akumulátoru
B/ ŘÍDICÍ ČÁST:
8 - A/D převodníky
9 – mikroprocesor
C/ VÝSTUPNÍ ČÁST:
10 - koncový stupeň zapalování
Obrázek 43 - Blokové schéma elektrického zapalování
REGULAČNÍ SOUSTAVA ESP (Bosch):
Electronic Stability Program – Elektronická stabilizace jízdy
Příklad použití snímačů fyzikálních veličin v řídicí jednotce stabilizace jízdy
1 – snímač stáčivé rychlosti
2 – snímač natočení úhlu
3 – snímač neregulovaného
brzdného tlaku
4 – snímač otáček
5 – ŘJ ESP
6 – hydraulická jednotka
7 – brzdy
8 – ŘJ managementu motoru
9 – úhel zážehu
10 – vstřikování paliva
11 – škrticí klapka
Obrázek 44 - Blokové schéma soustavy ESP
Vstupní veličiny regulačního obvodu ESP:
- úhel natočení volantu (měřená veličina)
- otáčky každého kola
- stáčivá rychlost (měřená veličina)
- příčné zrychlení
36
Studijní opora
-
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
brzdný tlak
poloha brzdového pedálu a parkovací brzdy (někdo ji používá ke zlepšení dynamiky
u předního náhonu)
4.2.1 Optický (optoelektronický) snímač
Tyto snímače mají zdroj viditelného světla nebo polovodičovou diodu (GA), která září
v infračervené oblasti. Záření ze zdroje, dopadající na fotodiodu, nebo fototranzistor (PT) je
přerušováno vhodnou clonou. Na obr. 45 je znázorněn optoelektrický snímač pro elektronické
zapalování. Impulsy z tohoto snímače mají konstantní amplitudu, nezávislou na otáčkách.
Obrázek 45 - Optický snímač (schematická značka a foto)
Obrázek 46 - Konstrukce optoelektronického
snímače zapalování
37
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
4.2.2 Indukční snímač - elektromagnetický
U motorových vozidel se používají nejčastěji k měření úhlové rychlosti otáčivého pohybu,
otáček nebo ke sledování polohy. Jsou jednoduché a tudíž i spolehlivé a proto se hojně
používají. U těchto elektromagnetických snímačů se mění magnetický tok změnou
magnetického odporu magnetického obvodu. Výstupní napětí snímače je úměrné rychlosti
pohybující se feromagnetické části. Jedno z běžných provedení snímače s otevřeným
magnetickým obvodem pro měření otáček je na obr. 47.
Magnetický tok se zde mění tím, že otáčením kola se zuby, které je z magneticky měkkého
materiálu, se mění velikost vzduchové mezery mezi kolem a snímačem. Frekvence tohoto
napětí je úměrná otáčkám a počtu zubů. Při vhodně voleném počtu zubů např. 60 a době čítání
impulsů snímače např. 1 s, ukazuje přístroj (čítač impulsů) přímo otáčky za minutu.
Amplituda snímače je úměrná otáčkám, pro vyhodnocování je však méně vhodná.
1 — permanentní magnet,
2 — držák snímače,
3 — skříň motoru,
4 — pólový nástavec,
5 — cívka,
6 — ozubení (např. věnec setrvačníku)
Obrázek 47 - Konstrukce indukčního snímače zapalování (8)
Obrázek 49 - Indukční snímač - rozdělovač
Obrázek 48 - Indukční snímač - otáčky kol
38
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
4.2.3 Hallův snímač - snímače s Hallovým generátorem
Tento snímač má obdobné vlastnosti jako snímač optoelektrický, ale není citlivý na nečištění.
Princip:
Hallova jevu spočívá v tom, že na stranách polovodičové destičky orientované kolmo ke
směru stejnosměrného proudu, který destičkou protéká, vzniká napětí, působí-li na destičku
magnetické pole. Tímto napětím lze řídit jednoduchý klopný obvod. Hallův generátor
i s klopným obvodem je technologií výroby integrovaných obvodů vytvořen na jedné
polovodičové destičce a zapouzdřen. Pokud na tento snímač začne působit magnetické pole
určité velikosti, dojde ke změně stavu klopného obvodu a na výstupních svorkách snímače se
objeví napětí. Hallův snímač se často používá jako generátor pulsů pro elektronické
zapalování.
1 - clona se štěrbinou
2 - vodivé měkké magnety
3 - integrovaný obvod
4 - vzduchová mezera
Obrázek 50 - Hallův snímač princip
Obrázek 51 - Hallův snímač - s clonkou
Obrázek 52 - Hallův snímač - snímání otáček kol
39
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
4.2.4 Teplotní snímač
Odporové snímače teploty
Pro měření teplot se nejčastěji používají odporové snímače polovodičové, termistory, nebo
odporové snímače kovové. Termistor je polovodičová součástka s výraznou, nelineární
závislostí odporu na teplotě. Pokud odpor termistoru s rostoucí teplotou stoupá, nazývá se
pozistor, pokud naopak klesá, jedná se o negastor. V praxi se běžně používají jen negastory
pod vžitým označením termistor. Kromě nelineární charakteristiky je nevýhodou termistoru
i časová nestabilita odporu a značné výrobní tolerance. Výhodou je nízká cena.
Obrázek 53 - Charakteristika odporového snímače teploty
Charakteristika odporového snímače teploty
a) kovový (Pt 100) - PTC
b) termistor (negastor) - NTC
Pro přesná měření teploty se používají odporové teploměry kovové, nejčastěji odporové čidlo
Pt 100. Snímač se skládá z keramického tělíska, na kterém je navinut tenký platinový drát
s elektrickým odporem 100 Ω při teplotě 0 °C. V obou případech odporových snímačů se
teplota měří v nejjednodušším případě tak, že snímač je zapojen do obvodu s konstantním
proudem a napětí na snímači pak odpovídá určité teplotě. Nevýhodou je, že snímačem smí
protékat jen velmi malý proud (1 až 5 mA), aby se snímač vlastními ztrátami neohříval, což
by značně zvětšovalo chybu měření.
Obrázek 54 - Konstrukce termistorového snímače teploty
1 - termistor, 2 - těleso snímače, 3 - izolační průchodka, 4 - konektor, 5 - těsnící podložka,
6 - pružina, 7 - izolační vložka
40
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Odporové snímače proudění
Pro měření množství proudícího vzduchu, např. nasávaného do motoru, se často používá
odporový snímač proudění neboli anemometr se žhaveným drátkem, případně se žhavenou
vrstvou (filmem). Vlastním čidlem tohoto snímače je teplotně závislý odpor, tvořený
nejčastěji platinovým drátkem o průměru 5 až 7 μm, který je napnut mezi dvojicí držáků,
obr. 55. Drátek je procházejícím proudem vyhříván na teplotu vyšší než je teplota měřeného
prostředí. Při měření pak nastává rovnováha mezi dodanou elektrickou energií a tepelnými
ztrátami přestupem tepla z čidla do okolního prostředí (ochlazováním drátku). Měřicí odpor
Rs je vyhříván konstantním proudem I a ochlazován vzduchem proudícím rychlostí v.
Tepelné ztráty na odporu Rs se mění s rychlostí proudění v. Změna napětí U je pak měřítkem
změny rychlosti proudění v. Schéma zapojení je na obr. 55.
Obrázek 55 - Odporový snímač proudění a schéma zapojení (8)
1 - těleso čidla, 2 - držák drátku, 3 - kovový drátek
Kontrolní otázky kapitoly 4:
1.
2.
3.
4.
Jak měříme pomocí osciloskopů proud?
Je možné měření jednorázových průběhů?
Lze z naměřených průběhů odečítat periodu či velikost amplitudy?
Jak měříme zkreslení zařízení?
41
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Seznam použité literatury
1) Malina, Václav. 2002. Poznáváme elektrotechniku VII. České Budějovice : Kopp, 2002.
80-7232-175-7.
2) pandatron.cz. [Online] [Citace: 12. 10 2011.]
http://pandatron.cz/?1658&bluetooth_osciloskop_pro_android.
3) heureka.cz. [Online] [Citace: 17. 9 2011.] http://www.heureka.cz/?h[fraze]=osciloskop.
4) www.wikiskripta.eu. [Online] [Citace: 3. 5 2011.]
http://www.wikiskripta.eu/index.php/Osciloskop.
5) Chytil, Jří. www.8bitu.cz. [Online] [Citace: 22. 2 2011.]
http://www.8bitu.cz/clanek/osciloskop-okno-do-sveta-elektroniky/.
6) Entl, Přemysl, Ing. a kol. 1990. Radioamatérské konstrukce 4. místo neznámé : SNTL,
1990.
7) Tkotz, Klaus Ing. a kolektiv. 2006. Příručka pro elektrotechnika. místo neznámé :
Europa - Sobotáles, 2006. 80-86706-13-3.
8) fei1.vsb.cz. [Online] [Citace: 15. 3 2011.]
http://fei1.vsb.cz/kat430/data/ae/Cidla_snimace_ovladaci%20prvky.pdf.
42
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Seznam obrázků
Obrázek 1 - Měřicí systém - magnetoelektrická soustava.......................................................... 8
Obrázek 2 - Blokové schéma digitálního měřidla ...................................................................... 8
Obrázek 3 - Princip AD převodníku .......................................................................................... 9
Obrázek 4 - Druhy displejů ........................................................................................................ 9
Obrázek 5 - Převod veličin ....................................................................................................... 10
Obrázek 6 - Charakteristiky snímačů ....................................................................................... 10
Obrázek 7 - Zapojení potenciometru ........................................................................................ 11
Obrázek 8 - Odporový snímač hladiny paliva .......................................................................... 11
Obrázek 9 - Zapojení reostatu .................................................................................................. 11
Obrázek 10 - Snímač škrticí klapky ......................................................................................... 11
Obrázek 11 - Snímač škrticí klapky - zapojení ........................................................................ 11
Obrázek 12 - Univerzální multimetr ........................................................................................ 12
Obrázek 13 - Osciloskop .......................................................................................................... 12
Obrázek 14 - Blokové schéma analogového osciloskopu ........................................................ 13
Obrázek 15 - Obrazovka analogového osciloskopu ................................................................. 14
Obrázek 16 - Ovládací prvky analogového osciloskopu .......................................................... 16
Obrázek 17 - Nesynchronizovaný průběh ................................................................................ 17
Obrázek 18 - Princip synchronizace......................................................................................... 17
Obrázek 19 - Blokové schéma digitálního osciloskopu ........................................................... 18
Obrázek 20 - Měřicí sonda ....................................................................................................... 20
Obrázek 21 - Dvoukanálový osciloskop (blokové schéma) ..................................................... 21
Obrázek 22 - Analogový osciloskop - HC3202 ....................................................................... 22
Obrázek 23 - Digitální osciloskop - DS1052D ........................................................................ 23
Obrázek 24 - Digitální osciloskop DS1060.............................................................................. 23
Obrázek 25 - Interní karta do PC ............................................................................................. 24
Obrázek 26 - Externí karta do PC ............................................................................................ 24
Obrázek 27 - Automobilový osciloskop................................................................................... 26
Obrázek 28 - Automobilový osciloskop - obrazovka............................................................... 27
Obrázek 29 - Amatérský osciloskop ........................................................................................ 28
Obrázek 30 - Amatérský osciloskop - obrazovka .................................................................... 28
Obrázek 31 - Amatérský osciloskop - vnitřek .......................................................................... 28
Obrázek 32 - Amatérský osciloskop USB................................................................................ 29
Obrázek 33 - Osciloskop v mobilu ........................................................................................... 29
Obrázek 34 - Osciloskop v mobilu - zapojení .......................................................................... 30
Obrázek 35 - Sledování průběhu napětí ................................................................................... 33
Obrázek 36 - Porovnání fáze .................................................................................................... 33
Obrázek 37 - Měření zkreslení ................................................................................................. 33
43
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Obrázek 38 - Měření kmitočtu a amplitudy ............................................................................. 34
Obrázek 39 - Měření přechodových dějů ................................................................................. 34
Obrázek 40 - Hledání závad ..................................................................................................... 34
Obrázek 41 - Měření jednofázových dějů ................................................................................ 35
Obrázek 42 - Měření signálů číslicových obvodů .................................................................... 35
Obrázek 43 - Blokové schéma elektrického zapalování .......................................................... 36
Obrázek 44 - Blokové schéma soustavy ESP........................................................................... 36
Obrázek 45 - Optický snímač (schématická značka a foto) ..................................................... 37
Obrázek 46 - Konstrukce optoelektronického snímače zapalování ......................................... 37
Obrázek 47 - Konstrukce indukčního snímače zapalování ...................................................... 38
Obrázek 48 - Indukční snímač - otáčky kol ............................................................................. 38
Obrázek 49 - Indukční snímač - rozdělovač............................................................................. 38
Obrázek 50 - Hallův snímač - princip ...................................................................................... 39
Obrázek 51 - Hallův snímač - s clonkou .................................................................................. 39
Obrázek 52 - Hallův snímač - snímání otáček kol ................................................................... 39
Obrázek 53 - Charakteristika odporového snímače teploty ..................................................... 40
Obrázek 54 - Konstrukce termistorového snímače teploty ...................................................... 40
Obrázek 55 - Odporový snímač proudění a schéma zapojení .................................................. 41
44
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Seznam tabulek
Tabulka 1 - Přehled možností paměťových osciloskopů ......................................................... 19
Tabulka 2 - Měřicí sonda - parametry ...................................................................................... 20
Tabulka 3 - Externí karta do PC - parametry ........................................................................... 25
Tabulka 4 - Měření ss napětí .................................................................................................... 31
Tabulka 5 - Měření stř. napětí .................................................................................................. 31
Tabulka 6 - Měření proudu....................................................................................................... 32
Tabulka 7 - Měření fázového posuvu ....................................................................................... 32
Tabulka 8 - Měření úhlu sepnutí .............................................................................................. 32
45
Studijní opora
Teorie osciloskopu a využití v automobilové praxi
Posudek odborného garanta
46
Projekt Moravskoslezského kraje TIME je zaměřen na podporu odborného
vzdělávání a návrh podmínek a nástrojů k nastavení krajského systému
specifického
odborně
a
profesně
orientovaného
dalšího
vzdělávání
pedagogických pracovníků (DVPP) v Moravskoslezském kraji pro potřeby
vybraných kategorií pedagogických pracovníků středních odborných škol.
Vzdělávací programy byly vytvořeny školními týmy metodiků odborného
vzdělávání z partnerských škol, které zapojily do realizačních týmů významné
odborníky z praxe a zástupce zaměstnavatelů s cílem zajistit co nejtěsnější
vazby na potřeby praxe i vývojových tendencí v příslušném oboru. Tyto týmy
zajišťují celý proces přípravy i realizace vzdělávacích programů od tvorby,
pilotního ověření, inovace na základě zpětné vazby a získaných poznatků,
následnou realizaci v rámci vzdělávání pedagogů jiných škol i akreditaci
těchto programů pro potřeby DVPP. Takto mohou být výstupy projektu dále
šířeny prostřednictvím pilotních partnerských škol, které v roli regionálního
oborového centra zajistí specifické DVPP pro potřeby učitelů odborných
předmětů, učitelů odborného výcviku a praktického vyučování z vybraných
oblastí i po ukončení tohoto krajského projektu.