Osciloskop

Što je osciloskop i kako se koristi: dijelovi osciloskopa FNIRSI-1014D, sonda, okidanje, čitanje zaslona i PWM signal Arduina na zaslonu.

Što je osciloskop?

Osciloskop je instrument koji crta kako se napon mijenja kroz vrijeme. Na njegovu zaslonu vodoravno ide vrijeme, a okomito napon. Kad se napon ne mijenja, osciloskop nacrta ravnu crtu. Kad se mijenja, nacrta krivulju.

Multimetar pokaže jedan broj: koliki je napon sada. Osciloskop pokaže cijelu priču: kakav je napon bio maloprije i kako se mijenjao. Sličan je uređaju u bolnici koji crta otkucaje srca: liječnik iz crteža vidi kako srce radi, a ne samo koliko puta je kucnulo.

Osciloskop je jako brz. Naš u jednoj sekundi izmjeri napon milijardu puta, pa vidi i promjene koje traju milijunti dio sekunde. Zato njime gledamo ono što je prebrzo i za multimetar i za oko: LED-icu koja se pali i gasi stotine puta u sekundi, podatke koje Arduino šalje drugom uređaju ili tipku koju program provjerava tisuće puta u sekundi.

Naš osciloskop: FNIRSI-1014D

Na radionici imamo jedan osciloskop, FNIRSI-1014D. Ima dva kanala, pa istodobno crta dva napona, i ugrađeni generator signala. S njim radi voditelj, a polaznici gledaju i pomažu.

Podaci su iz korisničkih uputa proizvođača.

Dijelovi osciloskopa

1. Zaslon crta krivulje i pokazuje postavke i mjerenja. Kako ga čitati, piše niže.
2. Tipke F1 do F6 biraju što osciloskop mjeri i ispisuje u stupcu desno na zaslonu, na primjer frekvenciju ili najveći napon.
3. RUN/STOP (crvena) zaustavi sliku na zaslonu i ponovo je pokrene. AUTO (plava) sama namjesti osciloskop tako da se signal lijepo vidi.
4. Kotačić, strelice i OK služe za kretanje po izbornicima, a MENU otvara izbornik. H CUR i V CUR uključuju kursore, crte za mjerenje vremena i napona. S PIC spremi sliku zaslona, a S WAV snimljeni signal.
5. VERTICAL (okomito): za svaki kanal tipka CH1 ili CH2 uključi ili isključi njegovu krivulju, a CONF otvori postavke kanala. Mali kotačić pomiče krivulju gore i dolje. Veliki je povećava ili smanjuje: bira koliko volta vrijedi jedan kvadratić.
6. HORIZONTAL (vodoravno): mali kotačić pomiče krivulje lijevo i desno, a veliki bira koliko vremena vrijedi jedan kvadratić. SLOW bira hoće li kotačići pomicati krivulju brzo ili polako, za fino namještanje.
7. TRIGGER (okidanje): kotačić namješta razinu okidanja, MODE bira način (Auto, Normal ili Single), EDGE rastući ili padajući brid, a CHX kanal. 50% sama namjesti razinu okidanja. Što je okidanje, piše niže.
8. Ulazi CH1 i CH2 su priključci za sonde. Žuti prsten je kanal 1, a plavi kanal 2.
9. Generator signala: tipka GEN otvara njegove postavke, a signal izlazi na priključak sa zelenim prstenom.
10. POWER uključuje i isključuje osciloskop. Tu su i USB priključak za prijenos slika na računalo te tipke RET, SEL ALL, DEL, LAST i NEXT za pregled spremljenih slika.

Sonda

Osciloskop se sa sklopom spaja sondama. Svaka sonda ima:

1. BNC utikač: utaknemo ga u ulaz CH1 ili CH2 i okrenemo udesno, da se zaključa.
2. Kabel.
3. Preklopnik 1X/10X na ručki. Na 10X sonda napon smanji deset puta, a osciloskop ga opet pomnoži, ako mu to kažemo. Preklopnik na sondi i postavka u osciloskopu moraju biti isti, inače su sva mjerenja deset puta kriva.
4. Vrh s kukicom. Kad povučeš kapicu vrha, iz nje izađe kukica koja se zakvači za žicu ili nožicu. Ispod kapice je oštra igla.
5. Krokodil štipaljku za masu. Ona ide na GND sklopa.

Kako čitati zaslon

Zaslon je podijeljen mrežom na kvadratiće, podjeljke. Na slici je signal s pina D9 Arduina Uno, dok program izvodi analogWrite(9, 128).

1. Krivulja kanala 1. Žuta je, kao prsten njegova ulaza.
2. Strelica nule: ondje je 0 V tog kanala.
3. Strelice okidanja: zelena strelica desno pokazuje razinu okidanja, a ona gore trenutak okidanja.
4. Volti po podjeljku, ovdje 2,00 V. Jedan kvadratić prema gore je 2 V.
5. Vrijeme po podjeljku, ovdje 500 µs (na zaslonu us). Jedan kvadratić udesno je 500 mikrosekundi, pola milisekunde.
6. Mjerenja: frekvencija (Freq), prosječni napon (Vavg) i najveći napon (Vmax). Što se ovdje mjeri, biramo tipkama F1 do F6.
7. Stanje: RUN dok osciloskop crta, STOP kad smo ga zaustavili, način okidanja (Auto) i brid okidanja.

Kad znamo koliko vrijedi jedan kvadratić, napon i vrijeme čitamo brojeći kvadratiće. Gornja razina ove krivulje je 2,5 kvadratića iznad strelice nule, a to je 2,5 × 2 V = 5 V.

Kako se koristi

1. Spoji adapter osciloskopa i uključi ga tipkom POWER.
2. Utakni sondu u ulaz CH1: gurni BNC utikač i okreni ga udesno.
3. Preklopnik na sondi stavi na 10X. Zatim pritisni CONF ispod tipke CH1 i strelicama odaberi sondu 10X. Nakon uključivanja osciloskop je uvijek na 1X.
4. Štipaljku za masu zakvači na GND sklopa, a kukicu na mjesto koje mjeriš.
5. Pritisni AUTO. Osciloskop sam namjesti volte i vrijeme po podjeljku te okidanje.
6. Ako je krivulja preniska ili previsoka, okreni veliki kotačić u okviru VERTICAL. Ako je prestisnuta ili previše razvučena, okreni veliki kotačić u okviru HORIZONTAL.
7. Ako krivulja bježi po zaslonu, kotačićem u okviru TRIGGER pomakni zelenu strelicu desno tako da bude između vrha i dna krivulje.
8. Za događaj koji se dogodi samo jednom, na primjer pritisak tipke, tipkom MODE odaberi Single. Osciloskop čeka i zaustavi se čim se događaj dogodi.
9. RUN/STOP zamrzne sliku, a S PIC je spremi.
10. Na kraju skini sondu sa sklopa i isključi osciloskop.

Osciloskop na Arduino radionici

Osciloskop koristimo u lekcijama:

• Djelilo napona, Arduino i PWM: kakav je PWM signal na pinu D9.
• Mnogo prekidača na malo pinova: kako Arduino skenira tipkovnicu.

Čitamo zaslon: PWM na pinu D9

Slika zaslona gore prikazuje pin D9 s analogWrite(9, 128). Na slici ispod su njegovi kvadratići prebrojeni, a iz njih možemo pročitati sve o tom signalu:

• Napon: gornja razina je 2,5 kvadratića iznad strelice nule. Uz 2 V po kvadratiću to je 5 V.
• Period: od jednog rastućeg brida do sljedećeg ima 4,08 kvadratića. Uz 500 µs po kvadratiću to je 4,08 × 0,5 ms = 2,04 ms.
• Frekvencija: 1 / 2,04 ms ≈ 490 Hz, kao u stupcu Freq. Tolika je frekvencija PWM-a na pinu D9 Arduina Uno.
• Ispuna: signal je gore 2,05 kvadratića, otprilike pola perioda, jer je 128 otprilike pola od 255.
• Prosjek: Vavg je 2,51 V, isto što bi pokazao multimetar. Multimetar vidi samo prosjek, a osciloskop i pravi oblik signala (pogledaj zabludu 11).

Okidanje

Signal se ponavlja, a osciloskop ga crta iznova mnogo puta u sekundi. Da bi slika stajala mirno, svako crtanje mora početi na istom mjestu signala. To radi okidanje: osciloskop čeka da napon prijeđe razinu okidanja u odabranom smjeru, na rastućem ili padajućem bridu, i taj trenutak stavi na mjesto strelice okidanja.

Lijevo je razina okidanja iznad signala, pa je napon nikad ne prijeđe. Osciloskop u načinu Auto tada crta bez okidanja: svako crtanje počne na drugom mjestu signala, krivulje se preklapaju i slika bježi. Desno je razina između vrha i dna, pa slika stoji mirno.

• Auto crta i kad okidanja nema, pa na zaslonu uvijek nešto vidimo. Dobar je za signale koji se ponavljaju i za miran napon, na primjer bateriju.
• Normal crta samo kad se okidanje dogodi, a između toga ostaje zadnja slika. Dobar je za signale koji se ne ponavljaju pravilno, na primjer podatke koje Arduino šalje.
• Single čeka jedno okidanje, nacrta ga i zaustavi se. Dobar je za događaj koji se dogodi jednom, na primjer pritisak tipke ili udarac kuglice.

Na slici je primjer: jedan pritisak tipkala uhvaćen u načinu Single, na padajućem bridu. Pin s INPUT_PULLUP padne s 5 V na 0 V, ali kontakti tipkala prvo dvaput poskoče, pa se napon dvaput vrati na 5 V. To je poskakivanje kontakata. Osciloskop je stao (STOP), pa sliku možemo mirno pogledati.

Ako se razina okidanja ne da pomaknuti kotačićem, u izborniku (MENU) je uključeno automatsko okidanje na 50 %. Isključi ga.

Sonda na 1X ili na 10X?

Kabel sonde ima kapacitet od 100 do 300 pF. Na 1X taj je kapacitet spojen ravno na mjesto koje mjerimo: opterećuje sklop i guši brze signale, pa propusnost padne na oko 5 MHz. Na 10X sonda ima djelilo napona koje signal smanji deset puta, a sklop opterećuje samo s 10 do 30 pF. Propusnost je tada 100 MHz.

Za signale Arduina dovoljno je i 1X, ali 10X bolje pokazuje brze bridove. Zato na radionici koristimo 10X. Postavka u osciloskopu (CONF) mora biti ista kao preklopnik na sondi: ako je sonda na 10X, a osciloskop na 1X, baterija od 9 V pokaže se kao 0,9 V.

DC ili AC?

U postavkama kanala (CONF) biramo i spregu. DC pokazuje cijeli napon, s pravom nulom. AC oduzme prosjek i pokaže samo promjene oko njega, pa baterija na AC pokaže ravnu crtu na nuli. Za signale Arduina koristimo DC. AC je koristan kad na velikom mirnom naponu tražimo male promjene, na primjer valovitost napona iza ispravljača (pogledaj Ispravljači i regulatori napona).

Kursori i mjerenja

Tipkama F1 do F6 biramo do šest vrijednosti koje osciloskop sam izmjeri, na primjer frekvenciju, najveći napon ili prosjek. H CUR uključi dvije okomite crte: pomakneš ih na dva mjesta krivulje i osciloskop ispiše vrijeme između njih. V CUR isto radi s naponom, s dvije vodoravne crte.

Lijevo su kursori vremena na dva susjedna rastuća brida signala s pina D9: razmak je 2,04 ms, jedan period. Desno su kursori napona na dnu i na vrhu signala: razlika je 5 V.

Mjerenja su točna tek kad je na zaslonu barem jedan cijeli period signala, a krivulja ne izlazi iznad ni ispod zaslona. Ako je frekvencija 0, odaberi okidanje Auto i pritisni AUTO.

Generator signala

Osciloskop ima i generator signala: na izlazu GEN daje jedan od 14 oblika signala, na primjer sinusni ili pravokutni, do 2,5 V od vrha do vrha. Frekvenciju biramo u koracima od 1 Hz, a pravokutnom signalu i ispunu, od 1 do 99 %. Voditelj ga može spojiti na ulaz CH2 i pokazati kako izgledaju različiti oblici signala.

Na slici je izlaz GEN spojen na ulaz CH2, sa signalom od 1 kHz i 2,5 V od vrha do vrha. U gornjem redu su sinusni, trokutasti i pilasti signal, a u donjem pravokutni signal s ispunom 50 %, 25 % i 75 %. Uz 200 µs po podjeljku jedan period traje 5 kvadratića, a uz 500 mV po podjeljku signal je visok 5 kvadratića. Kanal je na sprezi DC, pa vidimo pravi napon: signal ide od −1,25 V do +1,25 V, jednako ispod i iznad nule. Ispuna kod pravokutnog signala mijenja samo koliko dugo je signal gore, a ne koliko visoko.

Može li Arduino biti osciloskop?

U Vježbi 3 lekcije 2.1 Arduino je i sam mjerio napon pinom A1. Jedno mjerenje s analogRead() traje oko desetinke milisekunde, pa Arduino izmjeri napon oko 10 000 puta u sekundi. Naš osciloskop to radi milijardu puta u sekundi, sto tisuća puta brže. Zato Arduino ne vidi oblik PWM signala, a osciloskop ga vidi.

Što smo naučili?

• Osciloskop crta napon kroz vrijeme: vodoravno je vrijeme, a okomito napon.
• Volti po podjeljku i vrijeme po podjeljku kažu koliko vrijedi jedan kvadratić.
• Štipaljka za masu ide samo na GND. Kad koristimo dvije sonde, obje štipaljke idu na isto mjesto.
• Preklopnik na sondi i postavka u osciloskopu moraju biti isti, 1X ili 10X.
• Okidanje drži sliku mirnom, a način Single uhvati događaj koji se dogodi samo jednom.
• AUTO namjesti osciloskop sam, pa je dobar prvi korak.

Mali kviz

Razgovaraj na Discord-u. (pridruži se)