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 (brightness) tampilan, kadang kala disebut sumbu Z (intensity) (Gambar 1). Grafik sederhana ini dapat mengatakan kepada kita beberapa hal tentang sinyal.

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 garis-garis 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.

Gambar 1. Komponen X, Y dan Z dari bentuk gelombang tampilan 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

Gambar 5. Osiloskop analog dan digital menampilkan bentuk gelombang 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 dengan prinsip berbeda dengan yang digital. Akan tetapi, beberapa komponen internalnya, serupa adanya. Osiloskop analog lebih sederhana dalam konsep.

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.

Gambar 6. Diagram balok dari osiloskop analog 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.

Gambar 7. Pen-trigger-an untuk menstabilisasi gelombang berulang 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 titik-titik rekaman sesudah disimpan di memori. 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.

Gambar 9. An Oscilloscope Graticule (Figure 1) 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 on-screen, 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 Pulse Width Measurement Points (Figure 5)

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.

Gambar 17. Voltage and current in phase for resistive circuit. 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.

Gambar 19. Pure inductive circuit, waveforms. 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.