Tema 9. Osciloscop

9.1 Semnalele electrice

Modulația în frecvență (MF) este o tehnică de transmitere a informațiilor prin variația frecvenței unui semnal. În modul MF, informația este codată în schimbările de frecvență ale semnalului, iar frecvența semnalului devine un indicator al valorii măsurate sau al datelor transmise.  

Există două tipuri principale de semnale MF:

• Semnalul MF pasiv: Acesta provine de obicei de la senzori care nu necesită o sursă de alimentare separată sau o conexiune la masă pentru a transmite semnalul. Senzorii pasivi de MF pot folosi fenomene fizice, cum ar fi variațiile capacității sau rezistenței, pentru a modula frecvența semnalului.

• Semnalul MF activ: Acest tip de semnal provine de la senzori care necesită o sursă de alimentare separată și o conexiune la masă pentru a transmite semnalul. Acești senzori sunt alimentați electric și folosesc variația frecvenței ca modalitate de transmitere a informațiilor.

În ambele cazuri, semnalul MF poate fi utilizat pentru a transmite date sau pentru a măsura valori precum temperatura, presiunea, nivelul de umiditate etc. Alegerea între un senzor MF pasiv și unul activ depinde de cerințele aplicației și de condițiile specifice în care este utilizat senzorul.

La un senzor de rotație a arborelui cotit care utilizează modulația în frecvență (MF), frecvența semnalului transmis poate fi un indicator al turației arborelui cotit. Când rotația arborelui cotit este mică, semnalul emis de senzor are o frecvență mică (Figura 2). Odată cu creșterea turației arborelui cotit, frecvența semnalului emis de senzor crește corespunzător (Figura 3). Acest lucru se datorează faptului că viteza de rotație a arborelui cotit afectează modul în care semnalul este generat și transmis de senzor. 

Frecvența unui semnal electric se referă la numărul de cicluri complete pe care le efectuează semnalul într-o secundă și este măsurată în unitatea numită hertz (Hz). 

Unile sisteme necesită ca actuatorul să fie pornit și oprit foarte rapid sau pentru o anumită cantitate de cicluri pe secundă. Un ciclu de funcționare se referă la perioada în care un actuator este activat și dezactivat în mod repetat într-o anumită succesiune, de obicei exprimată ca procentaj dintr-un ciclu complet. Acest procentaj indică timpul în care actuatorul este activat în raport cu timpul total al unui ciclu (Figura 5). 

De exemplu, dacă avem un ciclu de funcționare de 30%, înseamnă că actuatorul este activat (pornit) timp de 30% din întregul ciclu și este dezactivat (oprit) timp de 70% din ciclu. Dacă ciclul complet este finalizat într-o zecime de secundă (0,1 secunde), atunci actuatorul ar fi pornit timp de 0,03 secunde (30% din 0,1 secunde) și oprit timp de 0,07 secunde (70% din 0,1 secunde) în fiecare ciclu. 

Semnalul ciclic numit prescurtat Pulse Width Modulation -  PWM (Modulație în Lățime de Impuls), este un tip de semnal electronic care utilizează o undă pătrată cu lățimea impulsurilor variabilă. Această lățime a impulsurilor este proporțională cu amplitudinea semnalului analogic pe care îl modulează. 

Într-un semnal PWM, amplitudinea și frecvența semnalului rămân constante, în timp ce lățimea impulsurilor poate varia. Acest lucru permite controlul precis al nivelului mediu al semnalului, fără a afecta amplitudinea sau frecvența. Prin ajustarea lățimii impulsurilor, putem obține o varietate de niveluri medii, ceea ce face semnalul PWM ideal pentru controlul componentelor electrice și electronice într-un sistem. 

Exemplu de citire a semnalului eletric.

9.2 Osciloscopului

Spre deosebire de un multimetru, care poate citi doar valorile statice ale tensiunii, curentului și rezistenței, osciloscopul poate monitoriza și afișa variațiile semnalului electric în funcție de timp, precum și forma undei, frecvența, amplitudinea și alte caracteristici ale semnalului. 

Există mai multe tipuri de osciloscoape, iar clasificarea acestora se poate face în funcție de mai mulți factori, cum ar fi domeniul de aplicare, performanțe, tehnologie utilizată și caracteristici specifice. Majoritatea osciloscoapelor moderne au între două și patru canale de măsurare, ceea ce permite utilizatorilor să măsoare mai multe semnale simultan. Fiecare canal are o intrare separată la care se poate conecta o sondă. Acest lucru este util în aplicații în care este necesară monitorizarea și compararea mai multor semnale în același timp. 

Termenii folosiți pe panoul de comandă al unui osciloscop sunt de obicei în limba engleză, indiferent de țara în care este utilizat, și sunt standardizați în mare măsură (Figura 6). 

Figura 6 Osclloscop pentru reprezentarea simultană a doua procese (osciloscop cu doua canele)

Pașii de bază pe care trebuie să-i urmați pentru a utiliza osciloscopul:

1. Conectarea sondei de măsurare: asigurați-vă că alegeți conexiunea corectă din circuitul electric şi că folosiți canalul (1) de măsurare al osciloscopului (Figura 7).

2. Conectarea sondei de masă: primul pas este de a conecta corect masa osciloscopului. Aceasta poate fi făcută în două moduri, prin intermediul unei conexiuni comune de masă neecranate (COM) sau la o masă ecranată prin intermediul unei conexiuni coaxiale (Figura 8). Asiguraţi-vă că, cablul de masă este fixat într-un punct de masă al circuitului, la fel cum se face şi cu multimetrul.

3. Pornirea osciloscopului: se face prin acționarea butonului pornire/oprire (ON/OFF) a osciloscopului (Figura 9).

4. Setarea liniei zero: există două locuri unde puteţi să setaţi linia zero pe ecran (Figura 10). Pentru măsurarea tensiunii continue, cel mai bine este să aveţi linia zero în partea de jos a ecranului. Pentru măsurarea tensiunii alternative, cel mai bine este să aveţi linia zero în centrul ecranului. Pentru a face acest lucru, folosiţi butoanele cu săgeţile de setare, la unele osciloscoape se poate poziționa semnalul electric pe orizontal (Figura 11).

Figura 11 Setarea liniei zero pe vertical cât și orizontal

Figura 13 Setarea sensibilități la 1 volt pe diviziune

Figura 15 Setarea intervalului de timp la 1 ms pe diviziune

6. Setarea declanşării semnalului osciloscopulu: Declanșarea este esențială pentru a obține o imagine stabilă și clară a formei de undă a semnalului măsurat. 

Pasul principal este să folosiți butonul sau meniul "Trigger" (Figura 16) de pe osciloscop pentru a seta nivelul de declanșare și direcția de declanșare (sus sau jos). Apoi, plasați reperul de declanșare pe semnalul pe care doriți să îl monitorizați sau să îl opriți pentru a obține o imagine stabilă și corectă a formei de undă. 

Această funcție poate fi utilizată și în cazul în care utilizați osciloscopul pentru citirea concomitentă a mai multor semnale dacă osciloscopul deține mai multe canale de citire. Dar această funcție poate opri numai un singur semnal deoarece pentru oprirea semnalului trebuie plasat reperul de declanșare pe el (Figura 17).

Un alt osciloscop compact și ușor pentru a fi ușor de transportat în jurul vehiculului este osciloscopul portabil (Figura 18). Sunt potrivite pentru depanarea în teren sau pentru situații în care accesul la o sursă de alimentare stabilă este limitat.

Figura 18 Osciloscopul portabil cu două canale pentru automobile

Dacă selectați canalul 1, "CHANNEL 1" și apoi apăsați din nou această tastă, veți obține meniul de unde puteți seta multimetrul. Dacă măsurați o tensiune de curent alternativ cu un osciloscop, valoarea reală este afișată întotdeauna pe grafic. Dacă măsurați tensiunea cu ajutorul funcției multimetru, valoarea efectivă este calculată și afișată.

Pe lângă funcția de osciloscop și multimetru, există și alte câteva funcții importante. Tasta HOLD/RUN are o funcție de pauză a semnalului. Acest lucru face ca imaginea semnalului și valoarea măsurată de multimetru să rămână fixe fără să se actualizeze constant.

Funcția AUTO (autorange) permite osciloscopului să găsească cele mai ideale setări pentru măsurarea unui anumit semnal.

Cu ajutorul tastei SMOOTH, semnalul este filtrat de zgomot. Cu această setare trebuie să fiți foarte atent deoarece este posibil ca informații importante să fie filtrate de asemenea.

Tastele de comandă pentru acest lucru sunt situate în partea de jos, lângă comutatorul de pornire și oprire (ON/OFF).