Digitale oscilloscopen - Timloto
Digitale oscilloscopen - Timloto
Digitale oscilloscopen - Timloto
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Elementaire meettechniek (5)<br />
E. Gernaat (ISBN 978-90-808907-5-6)<br />
1 <strong>Digitale</strong> geheugen-oscilloscoop<br />
1.1 Inleiding<br />
Met behulp van een oscilloscoop kunnen de in- en uitgaande computersignalen<br />
zichtbaar worden gemaakt 1 . Over het algemeen gebruiken we een oscilloscoop<br />
wanneer we meer informatie nodig hebben dan de diagnosetester en/of multimeter<br />
weergeeft. Oscilloscopen laten zich grofweg verdelen in analoge en digitale<br />
<strong>oscilloscopen</strong>. Voor de auto-werkplaats komen eigenlijk alleen maar digitale<br />
<strong>oscilloscopen</strong> in aanmerking. <strong>Digitale</strong> <strong>oscilloscopen</strong> zijn over het algemeen<br />
klein en robuust (fig. 1). <strong>Digitale</strong> geheugen-<strong>oscilloscopen</strong> bezitten functies die<br />
Figuur 1: De Fluke 123 als veel gebruikte oscilloscoop in het autotechnische onderwijs (foto:<br />
fluke).<br />
voor de werkplaats handig zijn en die we niet bij analoge <strong>oscilloscopen</strong> aantreffen.<br />
Hoe sneller de signalen zijn die we willen meten hoe hoger de eisen zijn<br />
die we aan een oscilloscoop stellen. Voor een goed gebruik van een oscilloscoop<br />
dienen we te beschikken over:<br />
• kennis van de elektrische signalen in het algemeen;<br />
• kennis van de autotechnische signalen in het bijzonder;<br />
• kennnis van de werking en bediening van de oscilloscoop.<br />
1. Op dit werk is de Creative Commons Licentie van toepassing. Op voorwaarden vrij kopieerbaar<br />
1
2 Het aansluiting van de oscilloscoop<br />
Voor het aansluiten van een oscilloscoop hebben we een aantal mogelijkheden.<br />
Een break-out box of bob-kast verdient over het algemeen de voorkeur (fig.2).<br />
Bij gecompliceerde storingen, waarbij veel gemeten moet worden, ontkomen<br />
we er eigenlijk niet aan om een break-out box te monteren. Fabrikanten zijn<br />
i.v.m. de coating van de aansluitpinnen niet al te gelukkig met het (veelvuldig)<br />
loshalen en weer monteren van de connectoren. Een andere mogelijkheid is<br />
computer<br />
tussen−connector<br />
connector<br />
kabelbundel<br />
1 2 3 4 5 6<br />
7 8 9 10 11 12<br />
13 14 15 16 17 18<br />
break−out box (bobkast)<br />
Figuur 2: Een break-out box wordt tussen de computer-connector en de connector van de kabelbundel<br />
geplaatst.<br />
om de oscilloscoop rechtstreeks op de sensor of actuator aan te sluiten. Er<br />
zijn meetpinnen in de handel die met een miniscuul klein pennetje door de<br />
isolatie van de draad prikken. In veel gevallen maken we echter gebruik van<br />
zeer dunne meetnaalden, die we achter in de aansluitstekker prikken (fig.<br />
3). Meer nog als bij multimeters het geval is meten we bij <strong>oscilloscopen</strong> bij<br />
Figuur 3: Met behulp van zeer dunne meetnaalden kan via de onderdeel-connector worden<br />
gemeten (foto: Fluke).<br />
voorkeur t.o.v. de voertuigmassa (fig. 4). Er zijn uitzonderingen, bijv. wanneer<br />
het onderdeel waaraan we willen meten zijn eigen spanningsbron is. Dit is o.a.<br />
het geval bij een twee-draads lambda-sensor en bij de inductie-impulsgever<br />
afgebeeld in fig. 3. Dan meten we tussen de plus en de min van de sensor. Er is<br />
2
nog iets dat opvalt wanneer we fig. 3 en 4 bestuderen, nl. dat de min-pen met<br />
een kort draadje is verbonden met de plus-meetpen. Door gebruik te maken<br />
van een korte min-pen wordt het oppikken van elektrische storingen door de<br />
meetpennen zo veel mogelijk voorkomen. De meeste <strong>oscilloscopen</strong> zijn twee<br />
Figuur 4: In de meeste gevallen dienen we t.o.v. de voertuigmassa te meten (foto: Fluke).<br />
kanaals-<strong>oscilloscopen</strong>, dat wil zeggen dat we twee signalen tegelijkertijd op<br />
het scherm kunnen zetten. De oscilloscoop is hiervoor uitgevoerd met twee<br />
meetpennen (probes). Elke meetpen is voorzien van een min-aansluiting.<br />
De meeste <strong>oscilloscopen</strong> zijn ook uitgevoerd met een COM-aansluiting (fig.<br />
5). Deze aansluiting kunnen we gebruiken voor een gemeenschappelijke<br />
min-aansluiting. We kunnen dan, bijv. met behulp van een meetkabel met een<br />
4-mm banaanconnector, een langere min-aansluiting maken. Wel is de kans op<br />
storingen wat groter. We hebben dus twee mogelijkheden zoals fig. 6 laat zien.<br />
Figuur 5: De aansluitingen voor de metingen met twee-kanalen (A en B) en een gemeenschappelijk<br />
min-aansluiting (COM). Tekening: Fluke<br />
Indien mogelijk verdient de korte aansluiting dus de min-aansluiting via de<br />
plus-meetpennen de voorkeur. Handregels:<br />
• als we één kanaal gebruiken dan gebruiken we, indien mogelijk, de korte<br />
min-meetpen;<br />
3
Figuur 6: Boven: Twee korte min-meetpennen. Onder: Gemeenschappelijke min-aansluiting. Ook<br />
toe te passen wanneer we maar één kanaal willen gebruiken (foto’s: Fluke).<br />
4
• als dit, door de (te) korte draad, niet mogelijk is dan gebruiken we een<br />
langere draad via de COM-aansluiting;<br />
• als we twee kanalen gebruiken dan gebruiken we bij voorkeur de COMaansluiting.<br />
Hierbij voorkomen we dat we de twee kanalen verschillend<br />
’minnen’.<br />
Fig. 7 geeft een voorbeeld van verkeerde en correcte aansluitingen.<br />
Figuur 7: Figuur links: de min-aansluitingen van de twee kanalen zijn aangesloten op verschillende<br />
spanningen. Figuur rechts: de correcte aansluiting. Eenvoudiger is het om de COM-aansluiting<br />
te gebruiken<br />
3 Meetpennen<br />
Meetpennen of probes zijn afgestemd op de oscilloscoop en zijn meer dan alleen<br />
een stukje draad om de signalen naar de oscilloscoop te voeren. In de eerste<br />
plaats zijn de meetpennen voorzien van een afschermingsmantel om te voorkomen<br />
dat ze storingen oppakken. Er zijn veel verschillende probe-uitvoeringen<br />
waardoor ze in meerdere of mindere mate geschikt zijn voor hun taak. De meest<br />
bekende zijn de 1:1 en de 10:1 probe. Een 1:1 probe (fig. 8) geeft de gemeten<br />
spanning rechtstreeks door aan de oscilloscoop. De meeste moderne <strong>oscilloscopen</strong><br />
kunnen dan spanningen tussen 10 mV en 1000 V meten. In het algemeen is<br />
dit spanningsbereik meer dan voldoende. Immers ook de primaire ontstekingssignalen<br />
kunnen dan zonder problemen in beeld worden gebracht. Een nadeel<br />
van een 1:1 probe is dat de weerstand en capaciteit van het ingaande circuit de<br />
meting beinvloedt. 1:1 probes zijn eigenlijk alleen maar geschikt voor relatief<br />
lage frequenties. Dit is ook de reden waarom sommige fabrikanten aanbevelen<br />
om altijd een 10:1 probe te gebruiken en soms de oscilloscoop standaard met<br />
een 10:1 probe leveren. Ook wanneer men hogere spanningen wil meten dan<br />
komt een 10:1 probe in beeld. Een dergelijke meetpen is intern uitgevoerd met<br />
een spanningsdeler en wel zo dat de inkomende spanning door de factor 10<br />
wordt gedeeld. De spanning wordt dus verzwakt aan de oscilloscoop doorgegeven<br />
waardoor we in staat zijn om hogere spanningen te meten. Voor een correcte<br />
uitlezing moet de oscilloscoop wel ingesteld worden op het gebruik van een<br />
10:1 probe. Ook dient een 10:1 probe gecompenseerd te worden. Hiervoor is<br />
5
Probe<br />
te meten spanning<br />
afscherming<br />
kabel capaciteit<br />
input oscilloscoop<br />
Figuur 8: Een 1:1 probe schematisch afgebeeld. De afscherming van de meetkabel is duidelijk te<br />
zien.<br />
een afstelschroefje op de meetkop aanwezig. Meestal gebeurt het compenseren<br />
met behulp van een testsignaal dat de oscilloscoop zelf genereert. Fig. 9 geeft<br />
een 10:1 probe weer. Met het stelschroefje wordt de ingebouwde condensator<br />
ingesteld.<br />
Probe<br />
stelschroefje<br />
9MOhm<br />
te meten spanning<br />
afscherming<br />
kabel capaciteit<br />
1M<br />
15 pF<br />
input oscilloscoop<br />
Figuur 9: Met een stelschroefje vindt compensatie van de de 10:1 probe plaats. De twee weerstanden<br />
vormen een spanningdeler.<br />
4 Aansluiting op een Personal Computer<br />
<strong>Digitale</strong> <strong>oscilloscopen</strong> hebben meestal de mogelijkheid om deze aan te sluiten<br />
op een personal computer. De verbinding loopt via de RS232-ingang of de<br />
USB-poort. Een bij de oscilloscoop behorend programma geeft de mogelijkheid<br />
om het opgenomen signaal te printen of verder met behulp van de software te<br />
bewerken of te analyseren. Een bijzonderheid is dat de verbinding tussen de<br />
oscilloscoop en de PC vaak galvanisch gescheiden is. Galvanisch gescheiden wil<br />
zeggen dat er tussen de twee apparaten geen elektrische verbinding bestaat.<br />
De signalen worden vanuit de oscilloscoop via leds in lichtstraaltjes omgezet en<br />
vanuit de PC-kant door lichtgevoelige dioden of fototransistoren weer in elektrische<br />
signalen omgezet. Galvanische scheiding voorkomt dat hoge spanningen<br />
1M<br />
15 pF<br />
6
die we met een oscilloscoop meten door bijv. een defect de personal computer<br />
zouden bereiken. Fig. 10 laat een dergelijke kabel zien.<br />
Figuur 10: Kabel om de oscilloscoop op de PC te kunnen aansluiten. Oscilloscoop en personal<br />
computer zijn galvanisch gescheiden (Foto Fluke).<br />
5 De werking van een digitale geheugen-oscilloscoop<br />
De digitale geheugen-oscilloscoop waarmee we tegenwoordig werken maakt<br />
intern gebruik van een analoog-digitaal omzetter (ADC) en werkt volgens het<br />
’sample and hold’ principe. Op bepaalde vaste tijdstippen wordt de analoge<br />
spanning gemeten. De gemeten spanning wordt gedigitaliseerd en vervolgens<br />
in het geheugen van de oscilloscoop opgeslagen. Het is een continu proces van<br />
meten, digitaliseren en opslaan. Een interne elektronische klok bepaalt de snelheid<br />
waarmee dit gebeurt. <strong>Digitale</strong> <strong>oscilloscopen</strong> kunnen dit bijzonder snel. Een<br />
bemonsteringssnelheid (sample rate) van 1 miljoen keer per seconde is geen<br />
uitzondering. Hoe snel dit echter ook gaat, er is altijd een zekere tijd tussen<br />
twee opnames. Dit betekent dat er altijd een stukje van het te meten signaal niet<br />
wordt opgenomen. In veel gevallen is dat geen probleem en in sommige gevallen<br />
missen we belangrijke informatie. Om geen meetfouten te maken dienen we<br />
op de hoogte te zijn van dit werkingsprincipe. Fig. 11 toont ons het blokschema<br />
van een digitale geheugenoscilloscoop. Wanneer het geheugen van de oscilloscoop<br />
eenmaal met datapunten is volgeschreven kan het worden weergegeven<br />
op de display van de oscilloscoop. Veel <strong>oscilloscopen</strong> maken onderscheidt tussen<br />
het acquisitie- of opneemgeheugen en het weergavegeheugen. De display<br />
geeft uiteindelijk de verzameling van opgeslagen punten weer. Zie hiervoor fig.<br />
12. Het oscilloscoopprogramma zal in de meeste gevallen de punten met elkaar<br />
verbinden zodat het opgenomen signaal zo getrouw mogelijk wordt weergegeven.<br />
Dit concept van meten, digitaliseren, opslaan en weergeven geeft de<br />
digitale oscilloscoop een aantal bijzondere eigenschappen. Te weten:<br />
• ook langzame signalen kunnen zeer goed worden weergegeven;<br />
• het signaalbeeld kan worden bevroren (vastgezet);<br />
• éénmalige signaalveranderingen kunnen worden vastgelegd;<br />
7
Figuur 11: Schematische opbouw van een digitale geheugenoscilloscoop. Tekening Tektronix<br />
• het signaal kan worden gereconstrueerd;<br />
• het signaal kan worden geanalyseerd;<br />
• het triggerpunt behoeft niet aan het begin van het scherm te liggen;<br />
• we kunnen meer punten opnemen dan weergeven;<br />
• berekeningen kunnen op het signaal plaatsvinden bijv. frequentie en effectieve<br />
waarde;<br />
• het signaal kan met behulp van een PC verder worden geanalyseerd, worden<br />
opgeslagen of worden afgedrukt.<br />
Wanneer we het werkingsprincipe van de oscilloscoop goed bestuderen dan zal<br />
duidelijk zijn dat er met de weergave problemen kunnen optreden. Wanneer er<br />
te langzaam bemonsterd wordt zullen we spanningspieken missen of kan het<br />
signaal sterk vervormen of nog erger kan er een geheel ander signaal ontstaan.<br />
Fig. 13 geeft hier voorbeelden van. Fabrikanten proberen dergelijke meetfouten<br />
te voorkomen daar o.a. de oscilloscoop uit te voeren met een autoset-knop. Met<br />
deze functie start de oscilloscoop met zijn hoogste sample-rate, analyseert het<br />
signaal en geeft het daarna weer op het scherm.<br />
6 Oscilloscoop instellingen<br />
6.1 Aan, uit en autoset<br />
Na het aansluiten van de oscilloscoop zullen we de oscilloscoop moeten instellen.<br />
Hebben we het signaalbeeld eenmaal vastgelegd dan zullen we het signaal<br />
moeten beoordelen. Een veel gebruikte methode is om van het welbekende<br />
8
10V/ Div<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
0 5 10 15 20<br />
0<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
8<br />
9<br />
10<br />
11<br />
12<br />
13<br />
14<br />
15<br />
16<br />
17<br />
18<br />
19<br />
20<br />
schermgeheugen<br />
0<br />
4,8<br />
9,35<br />
13,5<br />
17,1<br />
19,9<br />
21,8<br />
22,8<br />
22,8<br />
21,8<br />
19,9<br />
17,1<br />
13,5<br />
9,35<br />
4,8<br />
0<br />
−4,8<br />
−9,35<br />
−13,5<br />
−17,1<br />
−19,9<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
0 lijn<br />
0 5 10 15 20<br />
0 lijn<br />
ADC<br />
acquisitiegeheugen<br />
Figuur 12: Data-acquisitie (figuur boven) en data-weergave (figuur beneden) bij een digitale<br />
geheugenoscilloscoop.<br />
0<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
8<br />
9<br />
10<br />
11<br />
12<br />
13<br />
14<br />
15<br />
16<br />
17<br />
18<br />
19<br />
20<br />
0<br />
4,8<br />
9,35<br />
13,5<br />
17,1<br />
19,9<br />
21,8<br />
22,8<br />
22,8<br />
21,8<br />
19,9<br />
17,1<br />
13,5<br />
9,35<br />
4,8<br />
0<br />
−4,8<br />
−9,35<br />
−13,5<br />
−17,1<br />
−19,9<br />
9
Figuur 13: Voorbeelden van problemen die kunnen ontstaan bij het weergeven van opgenomen<br />
data-punten. a) Te weinig opnamepunten kunnen een sinusvormige spanning weergeven met<br />
een lagere frequentie. b en c) Te weinig opnamepunten geven een driehoekspanning weer i.p.v.<br />
een sinusvormige. d) Sterke vervorming van een sinusvormige spanning ten gevolge van een te<br />
lage opname-snelheid.<br />
10
lichtnetsignaal uit te gaan. Om zo’n basis-signaal te krijgen zouden we de oscilloscoop<br />
op het ’stopkontact’ kunnen aansluiten (wel voorzichtig zijn!). Vervolgens<br />
moeten we de oscilloscoop ’aan’ zetten. De digitale geheugen-oscilloscoop,<br />
waar we ons toe beperken, heeft uiteraard een aan/uit of een on/off knop. Veel<br />
digitale <strong>oscilloscopen</strong> kunnen op twee manieren aan- en uitgezet worden. Dit<br />
houdt verband met de reeds opgeslagen instellingen. Wanneer we met een oscilloscoop<br />
werken dan stellen we uiteraard het apparaat in. De digitale oscilloscoop<br />
slaat deze instellingen op. Wanneer we de oscilloscoop weer aanzetten<br />
dan krijgen we de instellingen terug. Wanneer iemand anders de oscilloscoop<br />
heeft gebruikt kan dat verwarrend werken. We prefereren dan meestal dat de<br />
oscilloscoop opstart met zijn oorspronkelijke (fabrieks)instelling. We dienen in<br />
dat geval op te starten met een ’algehele reset’. Elke oscilloscoop zal zo zijn<br />
eigen reset procedure hebben. Na de algehele reset drukken we op de ’auto’ of<br />
’autoset’ knop. We zien dat er nu een signaalbeeld op het scherm (display) van<br />
de oscilloscoop verschijnt. Door het indrukken van de autoset-knop wordt het<br />
signaal door de software geanalyseerd waarna de oscilloscoop zich instelt. Er<br />
verschijnt dan een goed afleesbaar signaalbeeld op de display. Deze methode is<br />
ook noodzakelijk bij onbekende signalen.<br />
6.2 Het signaal van het lichtnet<br />
Het lichtnet produceert signaal overeenkomstig fig. 14. Het signaal van het<br />
lichtnet is -zoals bekend- een sinusvormige spanning van ongeveer 230 Volt<br />
met een frequentie van 50 Hz. Een sinusvormige spanning slaat op de vorm<br />
van het signaal. Een sinus is een wiskundige figuur die ontstaat bij verdraaiing<br />
van een vector. Fig. 15 laat dit zien. We laten de pijl (de vector) linksom draai-<br />
Figuur 14: Na het aanzetten met een algehele reset wordt op auto-knop gedrukt. Het signaal van<br />
het lichtnet verschijnt op het scherm (Fluke 124)<br />
.<br />
en in stappen van 30 0 . Deze stappen van 30 0 zetten we ook uit op een rechte<br />
11
Figuur 15: Het ontstaan van een sinusvormige ’spanning’<br />
30 90 180 graden<br />
360<br />
lijn. We trekken nu vanuit elke vectorpunt een rechte lijn naar de overeenkomstige<br />
uitgezette hoek. Op het snijpunt zetten we een punt. Als we nu de punten<br />
met elkaar verbinden dan ontstaat een wiskundige vorm die we een ’sinus’ noemen.<br />
Omdat het draaien van een winding in een magnetisch veld te vergelijken<br />
is met het draaien van een wiskundige vector is de spanning die een dynamo<br />
opwekt een sinusvormige wisselspanning. De elektro-generatoren van het lichtnet<br />
wekken, evenals de dynamo van de auto, een sinusvormige wisselspanning<br />
op. Alleen bij de auto wordt deze, door de noodzaak van een batterij, gelijkgericht.<br />
Of we op de oscilloscoop een wisselspanning (plus en min keren zich<br />
regelmatig om) of een gelijkspanning meten kunnen we (hier) zien aan een dik<br />
getekende korte streep op de display. In fig. 14 zien we aan de linkerzijde op<br />
de middelste horizontale lijn de korte dikke streep (-) staan. Dit is de nullijn.<br />
Omdat het signaalgedeelte even groot boven als onder de nullijn is spreken we<br />
van een symmetrische wisselspanning.<br />
6.3 Schermdivisies van de oscilloscoop<br />
Een oscilloscoop kan worden gezien als een schrijvende voltmeter. We meten<br />
dus altijd een spanning als functie van de tijd. Verticaal de spanning en horizontaal<br />
de tijd. De grootte van de spanning op het scherm kan worden afgelezen<br />
door het tellen van hokjes. Het beeldscherm van de meeste <strong>oscilloscopen</strong> is verdeeld<br />
in 8 verticale en 10 horizontale hokjes. Zo’n hokje noemt men een divisie.<br />
Elke verticale divisie stelt de spanningsgrootte voor. Hoeveel spanning een hokje<br />
voorstelt kunnen we zelf instellen. Boven het zwarte ’A-move’ rechthoekje in<br />
fig. 16 zien we A 100 V/d staan. ’A’ slaat op het kanaal. Bij een twee-kanaals<br />
oscilloscoop wordt kanaal 1 vaak A genoemd. De 100 V/d betekent dat elk vertikaal<br />
hokje 100 V voorstelt. Het streepje voor de A betekent dat de oscilloscoop<br />
ingesteld staat op DC. De functie van ’Direct Current’ op een oscilloscoop en een<br />
multimeter is verschillend. In de meeste gevallen zal de oscilloscoop ingesteld<br />
moeten staan op DC ook al meten we een wisselspanning (AC). De horizontale<br />
12
hokjes stellen de tijd voor. In fig. 16 staat de oscilloscoop ingesteld op 10 ms/d.<br />
Met deze kennis kunnen we uitrekenen dat de maximale spanning die de display<br />
weer kan geven 8 x 100 V = 800 V bedraagt. We tellen immers verticaal 8<br />
hokjes. Het opgenomen signaal wordt dan weergegeven in een tijd van 10 x 10<br />
ms = 100 ms of 0,1 s.<br />
Figuur 16: Vtt van de spanning van het lichtnet bedraagt 600 V.<br />
6.4 Het aflezen van de spanning en tijd<br />
Bij het beoordelen van signalen hebben te maken met een aantal karakteristieke<br />
signaalgrootheden. De belangrijkste zijn de grootte van de spanning en<br />
de periodetijd. Maar wat is nu de grootte van een wisselende spanning? Vaak<br />
maken we voor de aanduiding van de grootte van de spanning gebruik van het<br />
begrip top-top waarde (Vtt). Dit is de spanning die we meten tussen de uiterste<br />
waarden. We tellen in fig. 16 drie hokjes boven de nullijn en drie hokjes<br />
onder de nullijn. Totaal dus 6 hokjes. Dit betekent dat Vtt van de lichtnetspanning<br />
600 V bedraagt. We kunnen ook spreken over de top-waarde (Vt). Deze<br />
bedraagt drie hokjes of 300 V. De topwaarde Vt noemen we ook wel de amplitude<br />
van het signaal. Verder onderscheiden we nog de momentele waarde (Vm)<br />
van de spanning of wel de spanning van het moment. Dit kan elke spanning<br />
zijn tussen de maximale en minimale spanning. Nu zien we in fig. 16 boven in<br />
de display 220.1 rms V staan. Dit komt omdat er voor wisselspanning nog een<br />
grootheid is nl. de effectieve spanning of rms waarde. Dit heeft te maken met de<br />
effectiviteit van de spanning. Met behulp van de effectieve spanning kunnen we<br />
een wisselspanning en een gelijkspanning met elkaar vergelijken. De effectieve<br />
spanning van een wisselspanning is die spanning die dezelfde hoeveelheid<br />
warmte (energie) produceert als een gelijkspanning met dezelfde spanningswaarde.<br />
Wiskundig kan worden aangetoont dat de effectieve spanning gelijk is<br />
aan:<br />
13
√<br />
1<br />
2 2 x Vt of 0,707 x Vt<br />
Wanneer we vanuit het signaalbeeld de effectieve spanning willen afleiden dan<br />
lezen we eerst Vt af. Deze bedraagt zoals we eerder hebben gezien ongeveer<br />
300 V. Vermenigvuldigen we 300 met 0,707 dan vinden we als uitkomst 213<br />
V. Dit is (bijna) gelijk aan de weergegeven spanning boven in het beeld. Hieruit<br />
volgt meteen een waarschuwing. De cijfermatige uitlezing van een digitale<br />
oscilloscoop zijn door de oscilloscoop berekende waarden. Dit kan uitermate<br />
verwarrend zijn omdat we autotechnisch niet met effectieve waarden werken.<br />
Over het algemeen hebben we het over de top-top waarde (Vtt) wanneer we het<br />
over spanning hebben. Blijft de tijd over. Ook autotechnisch hebben we vaak te<br />
maken met repeterende signalen zoals de wisselspanning van het lichtnet een<br />
voorbeeld is. Het signaal herhaalt zich voortdurend. Wanneer een signaal zich<br />
voortdurend herhaalt dan spreken we van een herhaaltijd of periodetijd. Een<br />
periode is een volledige spanningcyclus. Het signaal begint ergens en na enige<br />
tijd begint het weer opnieuw. Waar het precies begint is elektrotechnisch niet<br />
interessant. Bij de sinusvormige spanning beginnen we vaak vanaf het nulpunt<br />
met de omhooggaande (opgaande) flank. Van het begin van de opgaande flank<br />
tot de volgende opgaande flank kunnen we een tijd aflezen van 2 divisies of<br />
20 ms. De periodetijd bedraagt dan 20 ms. Verwant aan de periodetijd is de<br />
frequentie. Frequentie is een berekende grootheid. De frequentie is het aantal<br />
perioden per seconde en wordt uitgedrukt in Herz (Hz). Aangezien er 1000 ms<br />
in een seconde zitten is de frequentie van het signaal 1000 ms : 20 ms = 50 Hz.<br />
Nu kan de processor van de oscilloscoop dit voor ons uitrekenen en weergeven.<br />
Dit zien we in fig. 17. De oscilloscoop is zo ingesteld dat de frequentie bovenin<br />
het scherm wordt weergegeven. De oscilloscoop heeft vanuit het signaal de fre-<br />
Figuur 17: De frequentie en de effectieve spanning van het signaal wordt door de oscilloscoop<br />
berekend en weergegeven.<br />
quentie berekend en de effectieve spanning. Wanneer we onvoldoende kennis<br />
van deze materie hebben zouden we in verwarring kunnen raken wanneer we<br />
14
ijv. een aflezing krijgen volgens fig. 18. Uit fig. 18 zou blijken dat de spanning<br />
Figuur 18: Boven in de display wordt nu de gelijkspanningscomponent van het signaal weergegeven.<br />
vrijwel gelijk is aan 0 Volt. Dit is correct omdat de oscilloscoop nu gevraagd<br />
werd om de gelijkspannings-component te berekenen. Omdat de wisselspanning<br />
symmetrisch is, dus boven de nullijn en onder de nullijn ’gelijk’ is, is de<br />
som van de positieve en negatieve spanning (vrijwel) gelijk aan nul.<br />
6.5 Triggering<br />
Er is nog een opvallend teken in het schermbeeld en dat heeft te maken met triggering.<br />
We zien in fig. 18 TRIGGER, SLOPE en TRIG: A staan in de onderste<br />
gedeelte van de display. Het teken zien we ook weer terug in het signaalbeeld.<br />
Triggeren van het signaal wil zeggen dat we de oscilloscoop vertellen op welk<br />
’spanningspunt’ de oscilloscoop moet beginnen met weergeven. Omdat de display<br />
van de oscilloscoop maar een beperkte grootte heeft en het signaal steeds<br />
doorloopt, valt op een bepaald moment het signaal buiten het beeld. Zou de<br />
oscilloscoop op dat moment weer aan het begin van het scherm beginnen, dan<br />
is het nog maar de vraag of de eindspanning van het signaal gelijk was aan de<br />
eerdere beginspanning. Als dat niet het geval is dan staat het signaalbeeld niet<br />
stil omdat de scherm-update steeds op een andere spanning begint. Wanneer<br />
de oscilloscoop iedere keer op hetzelfde spannings’moment’ met het weergeven<br />
begint dan hebben we dat probleem niet. Met de autosetknop bepaalt de<br />
oscillosoop zelf de triggerspanning. In dit geval op de helft van de topwaarde<br />
(ongeveer 150 Volt) van de opgaande flank. We kunnen de triggerspanning<br />
ook handmatig instellen. Bij veel autotechnische signalen moet dit gebeuren om<br />
een correct signaalbeeld te krijgen. Als voorbeeld bekijken we het signaalbeeld<br />
van een inductieve ABS-sensor. Deze lijkt namelijk het meeste op de besproken<br />
sinusvormige spanning. We laten twee signalen zien: de ene opgenomen met<br />
15
een lage voertuigsnelheid (fig. 19) en de tweede met een wat hogere snelheid<br />
(fig. 20). Om ons te helpen met het aflezen van het signaal hebben we de<br />
Figuur 19: Signaal van een ABS-sensor bij een lage voertuigsnelheid.<br />
Figuur 20: Signaal van een ABS-sensor bij een wat hogere voertuigsnelheid.<br />
oscilloscoop zo ingesteld dat deze de frequentie uitrekend. Omdat de effectieve<br />
waarde hier geen rol speelt laten we de oscilloscoop bovenin het scherm de<br />
top-top waarde weergeven. We zien bij het oplopen van de wagensnelheid twee<br />
grootheden veranderen. De frequentie en de top-top waarde. Uiteraard kunnen<br />
we de uitgerekende waarden ook uit het signaalbeeld halen. De ABS-computer<br />
zelf gebruikt uiteindelijk alleen de frequentie van het signaal.<br />
16
6.6 De AC/DC instelling<br />
Oscilloscopen kennen een zgn. input-koppeling of AC/DC instelling. Deze instelling<br />
is wat verwarrend. De DC-instelling wil niet zeggen dat hiermee de<br />
oscillocoop alleen geschikt is voor gelijkspanning, integendeel. We gebruiken<br />
een oscilloscoop voornamelijk in zijn DC-koppeling. In de AC-instelling wordt<br />
intern een condensator geplaatst tussen de meetprobe en de ADC-converter van<br />
de oscilloscoop. Hierdoor worden alleen maar wisselspanningen naar de oscilloscoop<br />
doorgelaten. Het gelijkspanninggedeelte van het signaal wordt als het<br />
ware tegengehouden. De AC-instelling is bijv. nuttig wanneer we alleen maar<br />
de dynamorimpel willen bestuderen die bovenop de 14 V gelijkspanning staat.<br />
6.7 Bijzondere oscilloscopmodes<br />
<strong>Digitale</strong> <strong>oscilloscopen</strong> hebben in veel gevallen een aantal bijzondere modes c.q.<br />
instellingen. We noemen:<br />
• de ’single shot’ mode;<br />
• de rolmode;<br />
• de cursorfunctie;<br />
• de ’smooth’ instelling;<br />
• piekdetectie.<br />
6.7.1 De ’single shot’ mode<br />
Wanneer de digitale oscilloscoop in de single shot mode staat, wordt op het bereiken<br />
van de triggerspanning eenmalig het scherm volgeschreven. Hierna stopt<br />
de acquisitie. Deze mode wordt voornamelijk gebruikt wanneer we eenmalige<br />
gebeurtenissen zoals het startproces van de auto willen vastleggen.<br />
6.7.2 De rolmode<br />
Wanneer signalen erg langzaam zijn moet er soms lang gewacht worden voordat<br />
het scherm weer opnieuw wordt volgeschreven. In de rolmode wordt er niet<br />
meer getriggerd maar wordt het signaal direct naar het scherm weggeschreven.<br />
Het signaal rolt dan als het ware over het scherm. Sommige <strong>oscilloscopen</strong> doen<br />
dit automatisch vanaf een bepaalde langzame instelling van de tijdbasis.<br />
6.7.3 De cursorfunctie<br />
Veel moderne <strong>oscilloscopen</strong> zijn uitgevoerd met een cursorfunctie. Op het<br />
scherm verschijnen dan één of twee loodrecht op elkaar staande lijnen (crosshairs)<br />
die met behulp van functietoetsen over het scherm kunnen worden bewogen.<br />
De snijpunten van de ’cross-hairs’ volgen de signaallijn. Op het scherm kan<br />
dan het tijdsverschil resp. het spanningsverschil tussen de vastgelegde punten<br />
worden aangegeven (fig. 21).<br />
17
Figuur 21: Met behulp van de cursorfunctie kan o.a. het tijdsverschil en het spanningsverschil<br />
tussen twee gemarkeerde punten worden weergegeven.<br />
6.7.4 De ’smooth’ instelling<br />
Wanneer veel stoorsignalen een signaal vervuilen dan is het vaak moeilijk om<br />
het eigenlijke signaal nog te herkennen. Zo’n gestoord signaal kan worden gefilteerd.<br />
Dit kan men hardwarematig doen door een storingsfilter tussen de oscilloscoop<br />
en de probe te plaatsen maar het kan ook softwarematig. Dit gebeurt<br />
door de ’smooth’ instelling. Hoewel het signaal er wel duidelijker van wordt<br />
is voorzichtighed geboden. We verwijderen immers bepaalde signaaldelen. Het<br />
lambda-signaal is een voorbeeld van een signaal dat soms alleen maar door<br />
filtering duidelijk zichtbaar gemaakt kan worden.<br />
6.7.5 piek-detectie<br />
Het eerder genoemde gevaar dat de oscilloscoop spanningspieken mist kan worden<br />
beperkt door gebruik te maken van de peak-detectie functie (soms gebeurt<br />
dit ook automatisch). In de piek-detectie gaat de oscilloscoop naar zijn hoogste<br />
samplesnelheid, haalt de spanningpieken eruit en zet deze op het scherm. Een<br />
dergelijke functie kan worden gebruikt wanneer we precies willen weten hoe<br />
hoog bijv. bepaalde inductiespanningen zijn.<br />
7 Het simulatieprogramma van Fluke<br />
We kunnen ook zelf vitueel oefenen. Fluke brengt een simulatieprogramma uit<br />
van de Fluke 123. Dit programma kan worden gedownload van de <strong>Timloto</strong> site<br />
(www.timloto.org). Met dit programma wordt de Fluke 123 gesimuleerd. Het is<br />
18
geen echte oscilloscoop maar alle knoppen ’werken’, zodat we kunnen zien wat<br />
de invloed is van de diverse instellingen op de weergave van het signaal. Ook<br />
bevat het programma softwarematig een eenvoudige functiegenerator waarmee<br />
we verschillende signaalvormen op de virtuele display kunnen zetten. Omdat<br />
we begonnen zijn met het signaal van het lichtnet, hebben we de waveformgenerator<br />
(de simulatie van de functiegenerator) ingesteld op een sinusvormige<br />
spanning van 320 V (amplitude) met een frequentie van 50 Hz. Klik hiervoor<br />
op ’waveform-generator’, stel de spanning in, klik op ’apply’ en vervolgens op<br />
de knop van de oscilloscoop. Fig. 22 geeft de schermafdruk weer.<br />
Figuur 22: De virtuele Fluke 123 ’aangesloten’ op een sinusvormige wisselspanning van 50 Hz<br />
(lichtnet)<br />
19
8 Vragen en opgaven<br />
1. Een oscilloscoop is zeker niet het eerste meetinstrument waar we naar<br />
grijpen in geval van een storing. Omschrijf de wijze waarop men te werk<br />
zal gaan.<br />
2. Welke twee typen <strong>oscilloscopen</strong> worden hier onderscheiden?<br />
3. Het aansluiten van een oscilloscoop op de auto zorgt nog wel eens voor<br />
problemen. Welke genoemde methode zou uw voorkeur verdienen en<br />
waarom?<br />
4. Waarom moet het losnemen van computer-connectoren niet al te vaak<br />
gebeuren?<br />
5. Wat verstaan we onder een break-out box?<br />
6. Op de regel: ’meet altijd t.o.v. de voertuigmassa’, zijn uitzonderingen.<br />
Welke uitzondering wordt genoemd?<br />
7. Wanneer wordt de COM-aansluiting gebruikt?<br />
8. Wat is nu precies het probleem wanneer we de oscilloscoop aansluiten<br />
zoals fig. 7 links weergeeft?<br />
9. Wat is het verschil tussen een 10:1 en een 1:1 probe?<br />
10. Soms wordt aanbevolen om altijd een 10:1 probe te gebruiken. Waarop<br />
is dat gebaseerd?<br />
11. Wat verstaat men onder galvanische scheiding?<br />
12. Wat verstaat men onder ’sample en hold’?<br />
13. Het ’sample en hold’ principe heeft voor <strong>oscilloscopen</strong> een belangrijk nadeel.<br />
Welk nadeel wordt bedoeld?<br />
14. In fig. 13 zien we een aantal (4) ’werkelijke’ signalen met vlak daaronder<br />
het signaal zoals door de oscilloscoop wordt weergegeven. Verklaar hoe<br />
de signaalvoorbeelden tot stand zijn gekomen.<br />
15. Wanneer dienen we een oscilloscoop aan te zetten met een algehele reset?<br />
16. Waarom dienen we de autosetfunctie te gebruiken bij onbekende signalen?<br />
17. Op welke wijze ontstaat en sinusvormige wisselspanning?<br />
18. Hoe kunnen we de spanning en de tijd van het scherm aflezen bij een<br />
oscilloscoop?<br />
19. Wat betekent 5V/div?<br />
20. Hoe komt het dat Vtt van de lichtnetspanning 600 V bedraagt?<br />
21. Wat verstaat men onder de effectieve waarde van een wisselspanning?<br />
22. Wanneer de frequentie van een signaal door de oscilloscoop wordt weergegeven<br />
is dit een berekende waarde. Verklaar dit.<br />
23. Wat verstaat men onder de triggerspanning van een oscilloscoop?<br />
24. Wanneer we de triggerspanning in de ’single shot’ mode te hoog instellen<br />
wordt het signaal niet opgenomen. Verklaar dit.<br />
25. Wat wordt verstaan onder de rolmode van een oscilloscoop?<br />
26. Wat vestaat u onder de ’smooth’ instelling van een osciloscoop?<br />
20
27. Installeer het Fluke simulatieprogramma, start het op en stel nu zelf de<br />
virtuele oscilloscoop in zodat het signaal van fig. 17 verschijnt. Hulp:<br />
• Klik op de balk ’Waveform Generator’ en stel de frequentie en amplitude<br />
(=Vt) in.<br />
• Klik op ’Apply’ en ’OK’ waarna het signaal op het scherm verschijnt.<br />
• Klik op knop waarna de oscilloscoop zich instelt en een<br />
goed leesbaar signaal op de vituele display verschijnt.<br />
Nu moeten we nog de aflezing van de bovenste balk instellen. Klik op<br />
de gele knop < V HZAΩ >. Er verschijnt dan ’Input A Measurements’.<br />
Kies voor Peak (peak-peak) en Hz met de pijtjes toetsen gevolgd door het<br />
klikken op voor ’Enter’.<br />
28. Doe nu hetzelfde voor het signaal van fig. 19.<br />
29. Oefen met triggerinstelling door uit te gaan van fig. 19 van de vorige opdracht.<br />
Na de instelling op ongeveer 320 Hz en een Vtt van 2 V zien we<br />
dat de triggering plaats vindt op ongeveer 1 V van de opgaande positieve<br />
flank. Het triggerpunt ligt niet aan het begin van het scherm maar twee<br />
hokjes naar rechts. Wanneer we nu op klikken dan selecteren we<br />
de triggerinstelling. Met behulp van de pijltjes-toetsen kunnen we nu de<br />
triggerspanning, positief, negatief opgaand of neergaand instellen. Oefen<br />
hiermee en stel ook eens de triggerspanning hoger in dan de topwaarde<br />
van de spanning. Geef een verklaring voor de verandering van het signaalbeeld.<br />
30. Klik op de knoppen en en verklaar wat er gebeurt.<br />
21