11. Osiloskop

Alat Ukur Osiloskop
• Osiloskop pada dasarnya adalah suatu alat
penampil grafik yang menggambarkan grafik sinyal
elektrik.
• Dalam kebanyakan aplikasi, grafik memperlihatkan
bagaimana sinyal berubah terhadap waktu: sumbu
vertikal (Y, voltage) merepresentasikan tegangan
dan sumbu horizontal (X, time) menyatakan waktu.
• Intensitas
atau
kecemerlangan
tampilan, kadang kala disebut sumbu
(Gambar 1). Grafik sederhana
mengatakan kepada kita beberapa
sinyal.
(brightness)
Z (intensity)
ini dapat
hal tentang
Beberapa hal yang bisa dicatat:
• Penentuan nilai waktu dan tegangan sinyal;
• Penentuan frekuensi dari sinyal yang berosilasi;
• Penampilan “bagian bergerak” dari rangkaian
yang direpresentasikan oleh sinyal;
• Pengaruh malfungsi komponen terhadap sinyal;
• Seberapa jauh sinyal adalah berupa DC atau
AC;
• Seberapa jauh sinyal adalah berupa derau dan
apakah derau berubah terhadap waktu.
• Suatu osiloskop akan terlihat seperti satu set
televisi kecil, kecuali bahwa ia mempunyai garisgaris grid di layarnya dan lebih terkontrol
daripada televisi.
• Panel depan dari sebuah osiloskop secara
normal mempunyai bagian kontrol yang dibagi
ke dalam seksi vertikal, horizontal dan trigger.
• Demikian juga terdapat kontrol tampilan serta
konektor masukan.
Y (voltage)
Z (intensity)
Y (voltage)
X (time)
X (time)
Z (intensity)
Gambar 1. Komponen X, Y dan Z dari bentuk
gelombang tampilan
Gambar 2. Panel depan dari osiloskop analog
Gambar 3. Panel depan dari osiloskop digital
1. Kegunaan Osiloskop
• Osiloskop digunakan oleh setiap orang mulai
dari teknisi perbaikan TV ke saintis.
• Kegunaan osiloskop adalah tidak terbatas pada
dunia elektronika. Dengan transduser yang
tepat, osiloskop dapat mengukur segala jenis
fenomena.
• Transduser adalah alat yang membangkitkan
sinyal elektris sebagai respons dari stimulasi
fisik seperti, bunyi, tegangan mekanis, tekanan,
cahaya atau panas.
• Sebagai contoh, mikrofon adalah sebuah
transduser.
Seorang insinyur otomotif dapat menggunakan
osiloskop untuk mengukur vibrasi mesin. Peneliti
medis menggunakan osiloskop untuk mengukur
gelombang otak dan lain-lain.
Light
source
Photo cell
Gambar 4. Data ilmiah yang mampu dihimpun oleh osiloskop
2. Analog dan Digital
• Peralatan elektronika dapat dibagi ke dalam dua
kategori: analog dan digital.
• Peralatan analog bekerja dengan tegangan
variabel kontinyu, sementara peralatan digital
bekerja dengan bilangan-bilangan biner yang
mungkin mewakili sampel-sampel tegangan.
• Sebagai contoh, pemutar piringan hitam adalah
divais analog; pemutar CD (compact disk) adalah
digital.
• Osiloskop juga dapat berupa tipe analog atau
digital.
• Suatu osiloskop analog bekerja secara langsung
menggunakan
tegangan
terukur
untuk
membangkitkan berkas elektron yang bergerak
pada layar osiloskop.
• Tegangan akan membelokkan berkas ke atas dan
ke bawah secara proporsional, sehingga membuat
jejak di layar. Ini yang akan memberikan gambar
bentuk gelombang di layar.
• Berbeda dengan yang di atas, osiloskop digital
akan mencuplik (sampling) bentuk gelombang dan
menggunakan konverter-analog ke digital (ADC,
analog to digital converter) untuk mengonversi
tegangan terukur ke informasi digital.
• Ia lalu menggunakan informasi digital tersebut
untuk merekonstruksi bentuk gelombang ke layar
Analog Oscilloscopes
Trace Signals
Digital Oscilloscopes Sample
Signals and Construct Displays
Gambar 5. Osiloskop analog dan digital menampilkan
bentuk gelombang
• Untuk banyak aplikasi, baik yang analog maupun
digital dapat digunakan secara bergantian.
• Penggunaannya nanti bergantung pada kebutuhan.
• Biasanya, ada kecenderungan memilih tipe analog
bila kita menghendaki untuk menampilkan sinyal
yang bervariasi cepat secara ”real-time” (atau
sebagaimana kejadiannya).
• Osiloskop digital memungkinkan kita untuk
“menangkap” dan melihat kejadian-kejadian yang
hanya terjadi sekali saja.
• Ia dapat memproses bentuk gelombang digital atau
mengirim data ke komputer untuk pemprosesan.
Juga, ia dapat menyimpan data bentuk gelombang
digital untuk dilihat dan dicetak, saat dibutuhkan
kelak.
3. Prinsip Kerja Osiloskop
• Pengertian yang lebih baik tentang pengaturan
pada osiloskop, mendorong pengetahuan lebih
tentang bagaimana osiloskop menampilkan
sinyal.
• Osiloskop analog bekerja
berbeda dengan yang digital.
dengan
prinsip
• Akan tetapi, beberapa komponen internalnya,
serupa adanya.
• Osiloskop
konsep.
analog
lebih
sederhana
dalam
3.1. Osiloskop analog
• Ketika kita menghubungkan “probe” osiloskop ke
rangkaian, sinyal tegangan akan bergerak melalui
probe ke sistem vertikal dari osiloskop. Gambar 6
adalah diagram balok yang memperlihatkan
bagaimana osiloskop analog menampilkan sinyal
terukur.
• Bergantung pada cara kita menyetel skala vertikal
(kontrol
volts/div),
suatu
attenuator
akan
mengurangi tegangan sinyal atau sebaliknya suatu
amplifier akan memperkuat tegangan sinyal.
• Berikutnya, sinyal bergerak langsung ke plat
pembelok vertikal dari CRT (chatode ray tube).
Tegangan yang diterapkan ke plat pembelok
tersebut menyebabkan titik sinar akan bergerak
(suatu berkas elektron yang menumbuk fosfor di
bagian dalam CRT menyebabkan titik-titik sinar).
• Sinyal juga bergerak untuk men-trigger sistem
start atau “sweep” horizontal.
• Sweep horizontal adalah istilah yang mengacu
kepada aksi sitem horizontal yang menyebabkan
titik-titik sinar untuk bergerak pada layar.
• Pen-trigger-an sweep horizontal menyebabkan
dasar waktu horizontal menggerakkan titiktitik
sinar pada layar dari kiri ke kanan dalam interval
waktu tertentu.
CRT
Probe
Gambar 6. Diagram balok dari osiloskop analog
• Secara bersama, aksi ayunan horizontal
dan simpangan vertikal membekaskan
grafik sinyal pada layar.
• Trigger diperlukan untuk menstabilkan sinyal
berulang.
• Ia akan menjamin bahwa ayunan akan
dimulai pada titik yang sama dari sinyal
berulang, yang akan menghasilkan gambar
sebagaimana pada Gambar 7.
Untriggered
Display
Triggered
Display
Gambar 7. Pen-trigger-an untuk menstabilisasi
gelombang berulang
Sebagai kesimpulan, untuk menggunakan osiloskop
analog, dibutuhkan tiga setelan (setting) dasar untuk
mengakomodasikan sinyal yang akan diukur:
• Redaman atau amplifikasi sinyal: menggunakan
kontrol volt/div untuk mengatur amplitudo sinyal
sebelum ia diproses oleh sistem defleksi vertikal;
• Dasar waktu: menggunakan kontrol sec/div untuk
mengatur jumlah waktu per divisi yang
direpresentasikan secara horizontal pada layar;
• Pen-trigger-an osiloskop: menggunakan level
trigger untuk menstabilisasi sinyal berulang,
sekaligus sebagai pen-trigger-an atas single event.
Juga, pengaturan kontrol fokus dan intensitas agar
didapatkan tampilan yang jelas dan visibel.
3.2. Osiloskop digital
• Beberapa komponen pada osiloskop digital, serupa
dengan yang ada pada osiloskop analog; hanya
saja, osiloskop digital mengandung sistem
pemprosesan data (Gambar 8).
• Dengan sistem tambahan tersebut, osiloskop digital
mengumpulkan data untuk seluruh bentuk
gelombang dan menampilkannya kemudian.
• Ketika, kita memasang probe osiloskop digital ke
rangkaian, sistem vertikal mengatur amplitudo
sinyal, sebagaimana pada osiloskop analog.
• Berikutnya, ADC dalam sistem akuisisi data
akan mencuplik sinyal di titik-titik diskret dalam
waktu dan mengkonversi tegangan sinyalnya
pada titik-titik tersebut yang disebut titik-titik
cuplik.
• Klok cuplik sistem horizontal menenentukan
seberapa sering ADC mencuplik.
• Kecepatan ”detikan” klok disebut kecepatan
cuplik dan terukur dalam jumlah cuplikan per
detik.
• Titik-titik cuplik dari ADC disimpan dalam
memori sebagai titik-titik bentuk gelombang.
• Secara bersama, titik-titik bentuk gelombang
membangun satu rekaman bentuk gelombang.
• Jumlah titik gelombang yang dibutuhkan untuk
membangun satu gelombang disebut panjang
rekaman.
• Sistem trigger menentukan titik awal dan akhir dari
rekaman.
• Penampil (display) akan menerima
rekaman sesudah disimpan di memori.
titik-titik
• Bergantung
pada
kemampuan
osiloskop,
pemprosesan tambahan dari titik-titik cuplik adalah
berperan dalam memperbaiki tampilan.
Gambar 8. Diagram blok
dari osiloskop digital
Pada dasarnya, dengan osiloskop digital, sebagaimana
pada yang analog, dibutuhkan pengaturan setelan vetikal,
horizontal dan trigger untuk pengukuran suatu besaran.
4. Measurement Techniques
• This section teaches you basic measurement
techniques. The two most basic measurements you
can make are voltage and time measurements.
• Just about every other measurement is based on
one of these two fundamental techniques.
• This section discusses methods for taking
measurements visually with the oscilloscope
screen.
• Many digital oscilloscopes have internal software
that will take these measurements automatically.
• Knowing how to take the measurements manually
will help you understand and check the automatic
measurements of the digital oscilloscopes.
4.1. The Display
• Take a look at the oscilloscope display.
• Notice the grid markings on the screen- these
markings create the graticule.
• Each vertical and horizontal line constitutes a major
division.
• The graticule is usually laid out in an 8-by-10
division pattern.
• Labeling on the oscilloscope controls (such as
volts/div and sec/div) always refers to major
divisions.
• The tick marks on the center horizontal and vertical
graticule lines (see Figure 1) are called minor
divisions.
Many oscilloscopes display on the screen how
many volts each vertical division represents
and how many seconds each horizontal
division represents.
Many oscilloscopes also have 0%, 10%, 90%,
and 100% markings on the graticule (see
Figure 1) to help make rise time
measurements, described later.
Rise Time
Marks
Minor Division Marks
Major Division
Gambar 9. An Oscilloscope Graticule (Figure 1)
4.2. Voltage Measurements
• Voltage is the amount of electric potential,
expressed in volts, between two points in a circuit.
• Usually one of these points is ground (zero volts)
but not always.
• Voltages can also be measured from peak-to-peak
from the maximum point of a signal to its minimum
point.
• You must be careful to specify which voltage you
mean.
• The oscilloscope is primarily a voltage-measuring
device.
• Once you have measured the voltage, other
quantities are just a calculation away.
For example, Ohm's law states that voltage between two
points in a circuit equals the current times the resistance.
From any two of these quantities you can calculate the
third. Another handy formula is the power law: the power of
a DC signal equals the voltage times the current.
Calculations are more complicated for AC signals, but the
point here is that measuring the voltage is the first step
towards calculating other quantities.
Figure 2 shows the voltage of one peak - V[p] - and the
peak-to-peak voltage - V[p-p] -, which is usually twice V[p].
Use the RMS (root-mean-square) voltage - V[RMS] - to
calculate the power of an AC signal.
Gambar 10. Voltage Peak and Peak-to-peak Voltage
(Figure 2)
You take voltage measurements by counting the
number of divisions a waveform spans on the
oscilloscope's vertical scale.
Adjusting the signal to cover most of the screen
vertically, then taking the measurement along the
center vertical graticule line having the smaller
divisions, makes for the best voltage measurements.
The more screen area you use, the more accurately
you can read from the screen.
Take Amplitude
Measurements
at Center
Vertical
Graticule Line
Gambar 11. Measure Voltage on the Center Vertical
Graticule Line (Figure 3)
Many oscilloscopes have on-screen cursors that let
you take waveform measurements automatically onscreen, without having to count graticule marks.
Basically, cursors are two horizontal lines for voltage
measurements and two vertical lines for time
measurements that you can move around the
screen.
A readout shows the voltage or time at their
positions.
Take Time Measurements at
Center Horizontal Graticule Line
Gambar 12. Measure Time on the Center
Horizontal Graticule Line (Figure 4)
4.3. Pulse and Rise Time Measurements
In many applications, the details of a pulse's shape are
important. Pulses can become distorted and cause a digital
circuit to malfunction, and the timing of pulses in a pulse train is
often significant.
Standard pulse measurements are pulse width and pulse rise
time. Rise time is the amount of time a pulse takes to go from
the low to high voltage.
By convention, the rise time is measured from 10% to 90% of
the full voltage of the pulse. This eliminates any irregularities at
the pulse's transition corners. This also explains why most
oscilloscopes have 10% and 90% markings on their screen.
Pulse width isthe amount of time the pulse takes to go from low
to high and back to low again. By convention, the pulse width is
measured at 50% of full voltage. See Figure 5 for these
measurement points.
http://www.scribd.com/doc/52697084/85/Pulse-Width-and-Rise-Time-Measurements
Gambar 13. Rise Time and
Measurement Points (Figure 5)
Pulse
Width
Pulse measurements often require fine-tuning the
triggering.
To become an expert at capturing pulses, you should
learn how to use trigger holdoff and how to set the
digital oscilloscope to capture pretrigger data, as
described earlier in the Controls section.
Horizontal magnification is another useful feature for
measuring pulses, since it allows you to see fine
details of a fast pulse.
4.4. Phase Shift Measurements
The two waves shown (A versus B) are of the same amplitude
and frequency, but they are out of step with each other. In
technical terms, this is called a phase shift.
Gambar 14. Wave A leads wave B by 45o
Gambar 15. Examples of phase shifts.
4.4.1. AC resistor circuits
Gambar 16. Pure resistive AC circuit: resistor voltage and
current are in phase.
Gambar 17. Voltage and current in phase for resistive circuit.
4.4.2. AC inductor circuits
Gambar 18. Pure inductive circuit: Inductor current lags
inductor voltage by 90o
Gambar 19. Pure inductive circuit, waveforms.
Example:
• The horizontal control section may have an XY
mode that lets you display an input signal rather
than the time base on the horizontal axis. (On some
digital oscilloscopes this is a display mode setting).
• This mode of operation opens up a whole new area
of phase shift measurement techniques.
• The phase of a wave is the amount of time that
passes from the beginning of a cycle to the
beginning of the next cycle, measured in degrees.
• Phase shift describes the difference in timing
between two otherwise identical periodic signals.
• One method for measuring phase shift is to use XY
mode.
• This involves inputting one signal into the vertical
system as usual and then another signal into the
horizontal system. (This method only works if both
signals are sine waves).
• This set up is called an XY measurement because
both the X and Y axis are tracing voltages.
• The waveform resulting from this arrangement is
called a Lissajous pattern (named for French
physicist Jules Antoine Lissajous and pronounced
LEE-sa-zhoo).
• From the shape of the Lissajous pattern, you can
tell the phase difference between the two signals.
• You can also tell their frequency ratio. Figure 6
shows Lissajous patterns for various frequency
ratios and phase shifts.
Gambar 20. Lissajous figure: same frequency, zero
degrees phase shift.
Gambar 21. Lissajous figure: same frequency, 90 or
270 degrees phase shift.
Gambar 22. Lissajous figure: same frequency, 180
degrees phase shift.
Gambar 23. Lissajous Patterns (Figure 6)
4.5. Frequency Measurements
Period and frequency are mathematical reciprocals
of one another. That is to say, if a wave has a period
of 10 seconds, its frequency will be 0.1 Hz, or 1/10 of
a cycle per second:
The relationship between period and frequency is
very useful to know when displaying an AC voltage or
current waveform on an oscilloscope screen. By
measuring the period of the wave on the horizontal
axis of the oscilloscope screen and reciprocating that
time value (in seconds), you can determine the
frequency in Hertz.
16 divisions @
1ms/div = a
period of 16ms
Gambar 24. Time period of sinewave is shown on oscilloscope.