משקף תנודות: הבדלים בין גרסאות

מתוך מעבדת מבוא בחשמל
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
(הוספת מקרה ליסז'ו בו אין ברירה אלא לצלם בטלפון-הנייד)
(הערה לגבי יחידת המחולל-אותות של הסקופ)
שורה 5: שורה 5:
 
שמו בעברית הוא '''מַשְׁקֵף-תְּנוּדוֹת''', שמו המלא באנגלית הוא '''[[wikipedia:Oscilloscope|אוֹסִילוֹסְקוֹפּ]]''' או בקיצור '''סְקוֹפּ'''.
 
שמו בעברית הוא '''מַשְׁקֵף-תְּנוּדוֹת''', שמו המלא באנגלית הוא '''[[wikipedia:Oscilloscope|אוֹסִילוֹסְקוֹפּ]]''' או בקיצור '''סְקוֹפּ'''.
  
זהו מכשיר דו-ערוצי המאפשר הצגת האות ומדידת פרמטרים של האות על גבי המסך.
+
זהו מכשיר דו-ערוצי המאפשר שתי פעולות עיקריות:
 +
# הצגת האות ומדידת פרמטרים של האות על גבי המסך.
 +
# לחולל אותות כמו ה[[מחולל אותות]] ע"י לחיצה על הכפתור/נורה <code>Wave Gen</code> באיזור Tools כפי שרואים ב<xr id="fig:scop"/> - במקרה זה האות מופעל דרך יציאת <code>Gen Out</code> (בצד שמאל למטה של ה[[משקף תנודות]]).
  
 
מידע נוסף קיים בפרק 7 ב[{{lab}}1/3_Instruments%20Explenation.pdf#page=9 נספח], ומידע ממש מפורט ב[{{lab}}1/5_Osciloscope%20DSO_X%202002A%20.pdf מדריך למשתמש]
 
מידע נוסף קיים בפרק 7 ב[{{lab}}1/3_Instruments%20Explenation.pdf#page=9 נספח], ומידע ממש מפורט ב[{{lab}}1/5_Osciloscope%20DSO_X%202002A%20.pdf מדריך למשתמש]

גרסה מתאריך 15:57, 19 במאי 2017

איור 1: DSO-X 2002A Oscilloscope: 70 MHz, 2 Analog Channels

מכשיר מדגם Agilent DSO-X 2002A, כיום קוראים לחברה Keysight.

1 מידע כללי

שמו בעברית הוא מַשְׁקֵף-תְּנוּדוֹת, שמו המלא באנגלית הוא אוֹסִילוֹסְקוֹפּ או בקיצור סְקוֹפּ.

זהו מכשיר דו-ערוצי המאפשר שתי פעולות עיקריות:

  1. הצגת האות ומדידת פרמטרים של האות על גבי המסך.
  2. לחולל אותות כמו המחולל אותות ע"י לחיצה על הכפתור/נורה Wave Gen באיזור Tools כפי שרואים באיור 1 - במקרה זה האות מופעל דרך יציאת Gen Out (בצד שמאל למטה של המשקף תנודות).

מידע נוסף קיים בפרק 7 בנספח, ומידע ממש מפורט במדריך למשתמש

2 קריאת מסך משקף-התנודות

איור 2: תמונת מסך של משקף-התנודות בעת מדידת מתח על מעגל יישור

באיור 2 רואים דוגמא של תמונת מסך מהסקופ עבור מעגל יישור חד-דרכי (נגד עומס ודיודה), להלן פירוט הדברים העיקריים:

  1. ישנם שני ערוצים:
    1. ערוץ 1 בצבע צהוב - קצת קשה לראות אך אלו המחזורים החיוביים בלבד של גל הסינוס (המתח על העומס במחזורים החיוביים).
    2. ערוץ 2 בצבע ירוק - קצת קשה לראות אמנם אך אלו המחזורים השליליים בלבד של גל הסינוס (המתח על הדיודה במחזורים השליליים).
    3. הגל השלישי בצבע סגול הוא חישוב מתימטי אותו עושה הסקופ על שני הערוצים, במקרה זה הוא עושה פעולת חיבור של ערוץ 1 וערוץ 2.
  2. איור 3: כל סוגי המדידות במשקף-התנודות, כדי לראות זאת יש ללחוץ על האפשרות Snapshot All בתפריט סוגי-המדידות
    ישנן ארבע מדידות בצד ימין של איור 2 אותן ניתן לבחור מתוך רשימה של עשרות סוגי מדידות (כפי שניתן לראות באיור 3):
    • Freq - התדר של האות המופיע בסוגריים (ערוץ 1 במקרה זה)
    • DCRMS - מתח RMS כולל רכיב ה-DC של האות המופיע בסוגריים (ערוץ 1 במקרה זה)
    • ACRMS - מתח RMS לא כולל רכיב ה-DC של האות המופיע בסוגריים (ערוץ 1 במקרה זה)
    • Avg - מתח ממוצע, שזהו אך ורק רכיב ה-DC ללא מרכיב ה-AC של האות המופיע בסוגריים (ערוץ 1 במקרה זה)
    • הערה: המתחים קשורים ביניהם עפ"י הנוסחא [math]DCRMS=\sqrt{Avg^2+ACRMS^2}[/math]
  3. בצד שמאל למעלה רואים את הספרה 1 עם גג קטן מעליה, זה אומר שהגל של ערוץ 1 הוא במצב INVERT כלומר רואים אותו הפוך ממה שמודדים אותו.
  4. בצד ימין למעלה רואים את המאפיינים של הטריגר:
    • רואים שהוא בעליית שעון
    • רואים שהוא מכוון להסתנכרן על מתח הרשת - האות L מלשון Line (באיור 1 רואים סינכרון על ערוץ 1)
    • לא רואים את המתח ממנו הטריגר מסתנכרן כיוון שבחרנו סינכרון על פי מתח הרשת, אך באיור 1 ניתן לראות ששינו אותו למינוס 2.55 מילי-וולט ובאיור 3 הוא 9.05 וולט.
  5. בצד שמאל רואים שני סימנים (באיור 3 רואים זאת בבירור):
    • האות T מציינת את רמת-מתח אות-הדירבון, בנוסף רק בעת שינוי רמת הטריגר ניתן לראות קו-אופקי לאורך כל המסך המציין את רמת-מתח אות-הדירבון (הוא נעלם אחרי כשנייה).
    • סימול האדמה מציין את נקודת הייחוס של 0 וולט אותה ניתן לשנות כדי שניתן יהיה לראות אותות בעלי היסט אשר יוצאים מחוץ לגבולות המסך, ניתן לקבוע נקודת ייחוס שונה לכל שלושת האותות (ערוץ 1, ערוץ 2 וערוץ המתמטיקה).
  6. בשורה העליונה רואים את ההגדרות של רשת הרקע (Graticule), אם נסתכל על כל המספרים הלבנים מצד שמאל לימין נראה את ההגדרות הבאות:
    • כל קוביה על המסך נקראת DIV מלשון Division
    • גובה כל קוביה של ערוץ 1 הוא 5V, לכן יש לנו חמישה וולט ל-DIV, כלומר על כל המסך רואים 8 קוביות כפול 5V שזה יוצא [math]5\,V\cdot 8=40\,V[/math]
    • גובה כל קוביה של ערוץ 2 זהה במקרה זה לערוץ 1 אך לא מחייב
    • תזוזת הגרף בזמן, כרגע מכוון על 0.0s לכן הגרף מתחיל בדיוק מראשית הצירים של המסך - בדיוק באמצע (באיור 1 ניתן לראות תזוזה של 69 מילי-שניות וגם את החץ הכתום בראש המסך שמראה את התזוזה)
    • רוחב כל קוביה של שני הערוצים יחד הוא 10.00ms, לכן יש לנו עשר מילי-שניות ל-DIV, כלומר אם יש על המסך 10 קוביות כפול 10ms מקבלים שרוחב המסך הוא [math]10\,ms\cdot 10=100\,ms=0.1\,s[/math] ואם סופרים 5 שיאים של הגלים זה אומר שהתדר הוא [math]f=1/(0.1\,s/5)=50\,Hz[/math] כפי שרשום במדידות בצד ימין
    • הערה: רשת הרקע נקראת בלועזית Graticule - ניתן לכוון את עוצמתה ע"י כפתור Display

3 שמירת תמונת משקף-התנודות

ישנן שלוש אפשרויות לשמור את התמונות:

  1. שמירה ישירה על כונן אצבע - האפשרות הכי מהירה
    • מכניסים כונן אצבע לשקע ה-USB
    • לוחצים Save בצד ימין
    • משתמשים במקשים הרכים (על המסך) לבחירת התיקייה
    • חשוב מאוד! יש לבחור קובץ PNG! לא להשתמש בברירת המחדל של קובץ SCP כיוון שהוא שומר רק את ההגדרות.
    • לוחצים על המסך על Save ולדאוג לרשום את שם הקובץ במחברת כדי שיהיה אפשר לקשר בין התמונות לבין הניסוי בעת הכנת הדו"ח המסכם
    • הערה: השמירה אמורה להיות איטית יחסית ואמורים לראות מד התקדמות על המסך תוך כדי השמירה, במידה ולא כך הדבר - כנראה שהשמירה לא מתבצעת בהצלחה ולכן רצוי לבדוק אם התמונות אכן נשמרו ע"י העברת ה-DiskOnKey אל המחשב.
  2. שמירה דרך הרשת - האפשרות הכי בטוחה
    • לוחצים על כפתור Utility
    • בצד שמאל לוחצים על I/O על המסך
    • את כתובת ה-IP רושמים בדפדפן במחשב, אם ה-IP לא מופיע צריך לחכות כמה דקות עד שהוא יתעדכן במקרה ורק הדליקו את הסקופ.
    • בדפדפן עושים Preview של התמונה
    • חשוב מאוד! יש לבחור קובץ PNG! לא להשתמש בברירת המחדל של קובץ SCP כיוון שהוא שומר רק את ההגדרות.
    • הערה: כל פעם שלוקחים תמונה בדפדפן, הסקופ עושה Stop אוטומטי (כפתור בצבע אדום), לכן צריך ללחוץ על Run (והכפתור הופך בחזרה לירוק כפי שרואים באיור 1).
  3. המוצא האחרון
    • הדרך הכי פחות עדיפה במקרה ושתי הדרכים הקודמות לא פועלות - לצלם בעזרת הטלפון הנייד (או כל מצלמה אחרת).
      במעבדה 1ב' לדוגמא קיים ניסוי למדידה בשיטת ליסז'ו אשר אמור לְתַצֵּג (to render) אליפסה, אך אם נשתמש בתדר נמוך מדי כמו למשל 159 הרץ כפי שרואים באיור 5 - הסקופ לא יספיק לצייר את האליפסה על המסך ולכן נקבל אליפסה חלקית, במקרה זה קיימות שתי אפשרויות:
      1. להגדיל את התדר למשהו כמו 1000 הרץ כפי שרואים באיור 6 - אך אז נצטרך לשנות את המעגל כדי לשנות את הפרש המופע בין האותות שלו.
      2. לצלם באמצעות מצלמה חיצונית כפי שרואים באיור 4 - האיכות פחות טובה מאשר באיור 6 אך עדיין עדיפה על איור 5.
    • למקרה שסטודנטים מתעניינים - לא אמורים להעתיק את הגרפים באופן ידני אל המחברת.

4 תחילת עבודה עם הסקופ

כדי למנוע בעיות בעבודה עם הסקופ יש לפעול כלהלן:

  1. ללחוץ על Default setup לפני תחילת העבודה כדי לאפס הגדרות (חשוב מאוד: לפעמים הסקופ פתאום יפסיק לתפקד טוב גם במהלך העבודה - גל הסינכרון או גלים אחרים יהיו מעוותים כאילו שיש קבל כלשהו שגורם לתגובה אקספוננציאלית כלשהי, גם במקרה זה יש ללחוץ על כפתור Default setup).
  2. לבדוק שהפרובים מאופסים כפי שרואים בצד ימין למעלה של איור 2 על הערך DC 1.00:1, זה מונע שני דברים:
    1. שהאות המוצג על הסקופ לא יוכפל אלא יציג את הערך האמיתי
    2. שמרכיב ה-DC של האות לא יונחת ע"י הסקופ
    • כדי לאפס הגדרה זו יש ללחוץ על הכפתור של הערוץ (נורה עם הספרה 1 או 2), ואז על המסך ללחוץ על הגדרות ה-Probe ולכוון את מה שצריך

5 עבודה נכונה עם משקף-התנודות

חשוב ביותר: שלושת האדמות של הסקופ מקוצרות - ערוץ 1, ערוץ 2 וערוץ הסינכרון החיצוני.

איור 7: מערך מדידה לא נכון בחיבור למשקף-התנודות (נוצר באמצעות Scheme-It)

לדוגמא אם נחבר מחולל אותות אל הסקופ, בהתאם לאיור 7, כיוון ששתי האדמות של רגלי ערוץ 1 וערוץ 2 (מסומנות בצבע שחור) מקוצרות דרך הסקופ, נגרום לכך שגם הרגל החיובית של ערוץ 2 (בצבע ירוק) תהיה מקוצרת לרגל השלילית של ערוץ 1 ולכן נקצר את הנגד התחתון R2, כתוצאה מכך כל המתח שיוצא מהמחולל ייפול על R1.

איור 8: מערך מדידה מתוקן בחיבור למשקף-התנודות: גם האדמות משותפות וגם עושים INVERT בסקופ (נוצר באמצעות Scheme-It)

כדי לפתור בעיה זו יש לבצע שתי פעולות אותן רואים באיור 8:

  1. לדאוג שכל האדמות של הסקופ יהיו מחוברות לאותו המקום.
  2. ברגע שחיברנו את שני הערוצים בכיוונים הפוכים אחד לשני, כלומר אחד מהם חיברנו בכיוון של זרימת הזרם במעגל, ואילו את השני חיברנו בכיוון מנוגד לזרימת הזרם, לכן נקבל באחד מהם מתח חיובי ובשני נקבל מתח שלילי (במקרה של DC, במקרה של AC נקבל הפרש מופע של 180 מעלות), כדי לפתור בעיה זו צריך לומר לסקופ להפוך את אחד הערוצים, פעולה זו נקראת INVERT בשפת-הסקופ ועושים אותה ע"י לחיצה על כפתור הערוץ (הנורה של 1 או 2 כפי שרואים באיור 1) ולאחר מכן בצד שמאל על המסך ישנו כפתור שאומר INVERT, כדי לוודא שאכן כך הדבר - נוצר גג קטן מעל מספר הערוץ בצד שמאל למעלה של המסך כפי שרואים באיור 2.

הערות

  • כאשר מחברים את מוצא הסינכרון של המחולל אותות אל כניסת הסינכרון החיצוני של הסקופ אנו מקצרים את כל שלושת האדמות יחד, ויש שתי דרכים לפתור בעיה זו:
    1. איור 9: מערך מדידה בו כל שלושת האדמות מחוברות לאותה נקודת הייחוס (נוצר באמצעות Scheme-It)
      כל שלושת האדמות חייבות להיות מחוברות לאותו המקום כפי שרואים באיור 9. במקרה זה נהיה חייבים להשתמש במתמטיקה כיוון שערוץ שתיים במקרה זה יראה את המתח [math]V_{R2}[/math], ערוץ אחד יראה את סכום המתחים [math]V_S=V_{R1}+V_{R2}[/math], והמתמטיקה בעזרת הפרש של הערוצים תראה לנו את [math]V_S-V_{R2}=V_{R1}+V_{R2}-V_{R2}=V_{R1}[/math] כנדרש.
    2. או שלחלופין ניתן לחבר את המחולל דרך שנאי בידוד שיגרום לאדמה שלו "לצוף" ולכן לא יהיה חיבור גלווני (חיבור ישיר) בין המחולל אותות והסקופ.
  • למה צריך לקצר את האדמות ולא להשאיר אותן "צפות"?
    1. כדי לחסוך את חיבור האדמה, אם כל האדמות מקוצרות אנו יכולים רק לחבר את הרגליים החיוביות (צבעים אדום, צהוב וירוק) ללא הצורך לחבר אדמות בכלל או לחלופין חיבור רק של אחת האדמות.
    2. אם כל המכשירים יהיו מחוברים לאותה נקודת-ייחוס - הם יהיו חסינים יותר לרעש כיוון שכולם יגיבו באותה הצורה ביחס לאותה נקודת אדמה אשר עלולה להשתנות כתוצאה מרעשים.


6 מנגנון הסינכרון של משקף-התנודות

איור 10: גל סינוס לא יציב עקב חוסר סינכרון אשר נגרם כתוצאה מכך שרוחב המסך של המשקף תנודות הוא לא כפולה שלמה של זמן-המחזור של האות. בנוסף אם נתייחס לאות-הדירבון (Trigger Level) וסוג דרבון-הקצה (Rising/Falling Edge) נוכל לייצב את התמונה במיקום מאוד מסויים של הגל.
כפי שרואים אפשרויות הסינכרון הן: א') סינכרון של הגל-הצהוב (ערוץ 1 בסקופ), ב') מתח-דירבון מסויים אשר ממנו תמיד מתחיל הגל בראשית-הצירים (מרכז המסך), ג') עלייה (הערך משמאל לראשית-הצירים קטן מהערך אשר מימין לראשית-הצירים) או ירידה (הערך משמאל גדול מאשר הערך מימין).
בנוסף, רק בשביל ההמחשה כיוון שבמציאות לא רואים אותו על הסקופ (אלא אם כן מחברים אותו לכניסת אחד הערוצים במקום לכניסת הסינכרון-החיצוני), ניתן לראות את הגל-הריבועי שהוא למעשה אות-סינכרון חיצוני (יוצא מיציאת Sync של המחולל אותות), המתחים שלו הם תמיד בין 0 ל-3.3V, הוא תמיד בצורת גל-ריבועי, ותדרו תמיד זהה לחלוטין לתדר-המוצא של המחולל אותות (או זמן הסריקה במקרה ועושים סריקת תדרים).
איור 11: גל סינוס כפול, נוצר כתוצאה מסינכרון מאוד מהיר - פעם בעליית-שעון ופעם בירידת שעון ועקב כך רואים שני גלי-סינוס מרובדים אחד על השני בהפרש מופע של 180 מעלות
איור 12: גל סינוס נמוך ורועש, עקב כך שהמשרעת שלו מאוד נמוכה הוא צובר הרבה רעשים אשר מפריעים לסקופ להסתנכרן על האות ולכן נדרש סינכרון חיצוני במקרה זה כדי לייצב את הגל

כאשר מחברים את מחולל האותות אל המשקף תנודות ומתקבל גל סינוס לא יציב על המסך כפי שרואים באיור 10 או אף מקרים חמורים יותר כפי שרואים באיור 11 ובאיור 12, צריך לגרום לאות להסתנכרן, זאת עושים באמצעות מנגנון הטריגר, לוחצים על כפתור טריגר ובוחרים בצד שמאל את האפשרויות הבאות:

  1. על איזה ערוץ להסתנכרן?
    • ערוץ 1 - הגל הצהוב.
    • ערוץ 2 - הגל הירוק.
    • ערוץ External - האות אשר מחובר אל הסקופ דרך היציאה החיצונית אשר נמצאת בצד האחורי של הסקופ בצד שמאל הקיצוני, ניתן למשל לחבר את יציאת הסינכרון של מחולל האותות לשם, מקרים בהם רצוי להסתנכרן עפ"י יציאה זו:
      1. גלים שהתדר שלהם משתנה כמו למשל בסריקת-תדרים במחולל האותות
      2. גלים מאופננים בהם גל עם תדר נמוך רוכב על גל נושא עם תדר גבוה
      3. גלים עם מתחים מאוד נמוכים שהסקופ בקושי יצליח לזהות עקב יחס אות לרעש נמוך מדי (יותר מדי רעש).
    • ערוץ Line - סינכרון עפ"י מתח הרשת, מקרה זה טוב עבור מקרים בהם משתמשים במעגלי יישור המבוססים על מתח הרשת.
  2. איזה סוג סינכרון?
    • איור 13: סינכרון בעליית שעון
      סינכרון בעליית שעון (Rising Edge) כפי שרואים באיור 13
    • איור 14: סינכרון בירידת שעון
      סינכרון בירידת שעון (Falling Edge) כפי שרואים באיור 14
  3. באיזה מתח (Trigger Level) להתחיל לצייר את הגרף מראשית הצירים?
    • באיור 13 ובאיור 14, רואים שבדיוק כשהגל הגיע ל-0V הסקופ התחיל לאייר אותו מראשית הצירים.
    • לעומת זאת באיור 2, כיוון שהמתח מיושר ע"י דיודה הגרף עלול לא להסתנכרן ולכן צריך לכוון את ה-Trigger Level למתח קצת יותר גבוה מ-0V אך לא גבוה מ-15V כיוון שאז זה יעבור את הגובה של הגל שבאיור והוא שוב לא יצליח להסתנכרן
    • בנוסף נזכיר שוב שכאשר בוחרים את ערוץ Line האפשרות של Trigger Level נעלמת כיוון שהסנכרון מתבצע באופן אוטומטי.

כל האפשרויות שנבחרו מוצגות על מסך משקף-התנודות בצד ימין למעלה (ונשמרות כמובן בתמונות).


למידע נוסף על מנגנון הסינכרון:

  1. פרקים 9-10 ובמיוחד עמודים 113-117 במדריך למשתמש.
  2. פרק 7 עמ' 10 בנספח על המכשירים.


6.1 כלי אינטראקטיבי להבנה מעשית של מנגנון הסינכרון

זהו כלי הִדּוּדִי (אינטראקטיבי) להבנה טובה יותר של מנגנון הסינכרון של הסקופ.

לכל תחום ערכים ישנו מַחְלֵק (סליידר) אותו ניתן להזיז באמצעות העכבר (או האצבע עם מסך מגע).

ושני כפתורים נוספים לקביעת ערוץ-הדירבון וסוג דרבון-הקצה (עלייה/ירידה).

המטרה כאן היא להבין כיצד ייצוב התמונה מתבצע:

  1. מתח אות-הדירבון (Trigger Level): חייב להיות בטווח המתחים בו מופעל האות, במרכז המסך על הציר האנכי תופיע הצטלבות של מתח אות-הדירבון והאות הנמדד.
  2. ערוץ הדירבון (Source): זהו הערוץ אליו מתח אות-הדירבון מתייחס, האפשרויות הקיימות כאן הן ערוץ 1 (Channel 1) או ערוץ 2 (Channel 2), אך במציאות זה גם יכול להיות מתח רשת-החשמל (Line) אליה מחובר המכשיר או ערוץ הסינכרון החיצוני (External).
  3. סוג דרבון הקצה: באיזה כיוון הגל יהיה בזמן העצירה:
    • עליה (Rising Edge): הערך משמאל לראשית הצירים נמוך מאשר הערך מימין לראשית הצירים.
    • ירידה (Falling Edge): הערך משמאל לראשית הצירים גבוה מאשר הערך מימין לראשית הצירים.