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