INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA

Transkrypt

1 INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA Temat: Pomiary oscyloskopowe. Budowa oscyloskopu 1. Cel ćwiczenia Poznanie obsługi i zasad wykorzystania oscyloskopu do obserwacji i pomiarów amplitudy napięcia przebiegów elektrycznych. 2. Budowa i działanie oscyloskopu Oscyloskop umożliwia pomiary wielkości elektrycznych: napięcia, częstotliwości, czasu oraz innych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych w specjalnych układach pomiarowych. Główną częścią oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa zbudowana w postaci rury próżniowej z ekranem. Wewnątrz lampy umieszczony jest układ elektrod, który formuje strumień elektronów w cienką wiązkę padającą na ekran pokryty od wewnątrz luminoforem. Budowę lampy przedstawia rys.1. Układ formujący wiązkę elektronową złożony jest z termokatody żarzonej pośrednio, siatki sterującej S zwanej cylindrem Wehnelta oraz dwóch anod cylindrycznych A 1 i A 2 tworzących soczewkę elektronową. Pole elektryczne wytworzone przez wysokie napięcie stałe przyłożone do anod powoduje silne przyspieszenie elektronów i ogniskowanie wiązki na ekranie. Do siatki sterującej S doprowadza się potencjał ujemny względem katody. Regulacja napięcia siatki S umożliwia zmianę liczby elektronów przedostających się w kierunku anod, a tym samym intensywność świecenia plamki. Regulacja potencjału anody A 1 umożliwia zmianę ogniskowania wiązki elektronów, służy więc do regulacji ostrości plamki na ekranie. Anoda A 2 przyspiesza ruch elektronów, nadając im odpowiednią prędkość. Jest ona połączona z pokryciem grafitowym G bocznej części bańki, co umożliwia wychwytywanie i odprowadzenie elektronów odbitych od ekranu. Możliwość oglądania przebiegów czasowych napięć zapewnia napięcie liniowo narastające podane na płytki X lampy przez układ generatora podstawy czasu. Zasadę powstawania obrazu przedstawia rys.2. Nieruchomy obraz na ekranie powstaje, gdy częstotliwości napięć U X i U Y są jednakowe lub są wielokrotnościami. W tym celu moment wyzwalania napięcia piłokształtnego w generatorze podstawy czasu musi być synchronizowany za pomocą badanego przebiegu lub też z zewnętrznego źródła synchronizacji. W celu umożliwienia badania napięć o małych wartościach, obwody wejściowe X i Y są wyposażone w elektroniczne wzmacniacze pomiarowe umożliwiające obserwacje przebiegów napięć o wartości miliwoltów. Różne zakresy napięć wejściowych uzyskuje się przez stosowanie na wejściu dzielników napięcia. Schemat blokowy oscyloskopu przedstawia rys.3. Napięcie U Y doprowadza się do płytek Y przez dzielnik napięcia DN Y i wzmacniacz pomiarowy W Y. Na płytki X doprowadza się napięcie z generatora napięcia piłokształtnego GNP przy ustawieniu przełącznika P w pozycji 1. Ustawienie przełącznika w pozycji 2 daje możliwość doprowadzenia dowolnego przebiegu do płytek X poprzez dzielnik napięcia DN X i wzmacniacz W X. Układ UF formuje impulsy ujemne doprowadzone do siatki lampy w celu wygaszania plamki świetlnej w czasie powrotu promienia od prawej do lewej strony ekranu. Oscyloskop jest zasilany z dwóch zasilaczy napięcia stałego:

2 Z 1 - zasilacz wysokonapięciowy zasila przez dzielnik DN elektrody lampy oscyloskopowej, Z 2 - zasilacz niskonapięciowy zasila pozostałe układy oscyloskopu. Rys.1. Budowa lampy oscyloskopowej. Rys.2. Zasada powstawania obrazu. Rys.3. Schemat blokowy oscyloskopu.

3 3. Wykonywanie pomiarów Przed włączeniem zasilania oscyloskopu należy przygotować oscyloskop do pracy. W tym celu należy zmniejszyć do minimum jasność oraz ustawić maksymalną wartość podstawy czasu i minimalne wzmocnienie sygnału wejściowego. Następnie pokrętła płynnej regulacji wzmocnienia i podstawy czasu trzeba ustawić w pozycji CAL. Z kolei pokrętła ostrości oraz położenia poziomego i pionowego należy ustawić w położeniach środkowych. Po wykonaniu opisanych czynności wstępnych można włączyć zasilanie oscyloskopu i odczekać chwilę, aby oscyloskop się nagrzał. Po wygrzaniu przełącznik typu sygnału należy ustawić w pozycji GND, po czym należy skorygować położenie oraz jaskrawość i ostrość obserwowanego na ekranie obrazu. Po przygotowaniu oscyloskopu do właściwego pomiaru należy połączyć wejście oscyloskopu z wyjściem wbudowanego w oscyloskop generatora funkcyjnego. Po wstępnym ustawieniu parametrów sygnału pojawiającego się na wyjściu generatora należy tak dobrać położenia nastaw oscyloskopu, aby obraz widoczny na ekranie wypełniał go w 80% (cały przebieg mieści się na ekranie). Dokonując zmiany podstawy czasu należy z kolei wybrać takie położenie, aby obraz był stabilny i nieruchomy a jednocześnie, aby na ekranie widoczne było kilka pełnych okresów przebiegu badanego sygnału. Przykładowy przebieg napięcia sinusoidalnego przedstawiony jest na rysunku 4. Rys. 4 Pomiar napięcia międzyszczytowego i amplitudy sygnału przemiennego. Wartość międzyszczytową napięcia U pp wyznaczyć można ze wzoru: U pp = d k (1) gdzie d oznacza odczytaną z ekranu wysokość obrazu badanego przebiegu mierzoną w działkach (DIV), natomiast k przyjmuje wartość aktualnego współczynnika wzmocnienia mierzoną w V/DIV (wolty na działkę), a odczytaną ze skali w/w przełącznika. Amplituda U amp przykładowego przebiegu jest równa połowie międzyszczytowego napięcia U pp : U amp = ½ U pp = ½ d k (2) Przy ustawieniu przełącznika zmieniającego rodzaj mierzonego sygnału elektrycznego, w pozycji AC występuje sprzężenie pojemnościowe eliminujące z badanego sygnału składową stałą. Jeżeli badany sygnał ma składową stałą, to przełączenie przełącznika z pozycji AC na DCspowoduje przesunięcie przebiegu obserwowanego na ekranie oscyloskopu w górę (przy dodatniej składowej stałej) lub w dół (przy ujemnej składowej stałej). Wartość składowej stałej U DC można określić mnożąc wielkość przesunięcia przebiegu d (mierzoną w działkach) przez aktualną wartość współczynnika wzmocnienia k.

4 Pomiaru częstotliwości f można dokonać poprzez pomiar okresu badanego sygnału. W celu zwiększenia dokładności pomiaru przełącznikiem skokowej regulacji podstawy czasu należy wybrać taką pozycję, aby na ekranie uzyskać jak najmniejszą liczbę pełnych okresów (jednak nie mniejszą niż jeden). Przykładowy przebieg napięcia prostokątnego przedstawiony jest na rysunku 5. Częstotliwość badanego sygnału można określić ze wzoru: f = 1/L. c gdzie T = L. c oraz f = 1/T (3) gdzie L oznacza odczytaną z ekranu długość (w działkach - DIV) odcinka odpowiadającego okresowi badanego sygnału, natomiast c przyjmuje wartość aktualnego współczynnika podstawy czasu mierzoną w s/div, (sekundy na działkę) odczytaną ze skali. Zadanie 1. Rys. 5. Pomiary okresu sygnału prostokątnego. Podłączając do oscyloskopu generator i cyfrowy woltomierz dokonaj 5 pomiarów napięcia dla 5 różnych przebiegów sinusoidalnych. Pomiary napięć przedstaw w podanej poniżej tabeli. Pomiary Obliczenia Wynik końcowy Pomiar woltomierzem d k U pp U amp U sk δu U U ± U U cyfr. cm V/cm V % V V V gdzie : d - międzyszczytowa wysokość obserwowanego przebiegu ; k - wartość czułości wykorzystywanego kanału ; U pp - miedzyszczytowa wartość mierzonego napięcia; U amp - amplituda ( wartość szczytowa, maksymalna ) napięcia; U sk - wartość skuteczna mierzonego napięcia obliczona wg wzoru; Uamp U sk = 2 (4) δu - niedokładność względna pomiaru wynikająca z błędu odczytu długości odcinka d : d δ U = d 100 % (5) d - niedokładność bezwzględna odczytu długości odcinka d, przyjąć

5 ± 0,5 mm; U - niedokładność bezwzględna pomiaru : U = ( U δ U) / 100 % (6) U cyfr wartość skuteczna badanego napięcia zmierzona woltomierzem cyfrowym. Zadanie 2. Na odpowiednio przygotowanym papierze milimetrowym, z wyrysowanymi działkami podobnie jak na ekranie oscyloskopu, narysuj po 2 oscylogramy dla przebiegów: - sinusoidalnych, - prostokątnych, - piłokształtnych, oznaczając odpowiednio zakresy czułości kanału pomiarowego oscyloskopu oraz zakresy podstawy czasu dla obliczenia parametrów amplitudy sygnału i wartości jego okresu i częstotliwości. Zadanie 3. Podłączając do oscyloskopu generator i cyfrowy multimetr ustaw na generatorze sygnał sinusoidalny o amplitudzie 5V. zmieniając wartości częstotliwości [Hz] wg tabeli, zanotuj wartości zmierzonych napięć k 2k 3k 5k 8k 10k 20k 30k 50k 80k 100k 200k 500k 1M 2M U amp U pp U sk U cyfr Na jednym wykresie przedstaw wartości w/w napięć w funkcji częstotliwości U=f(f) Sprawozdanie powinno zawierać min.: 1. Krótki opis idei pomiaru bez wymieniania wykonywanych czynności. 2. Schematy układów pomiarowych wykorzystanych w poszczególnych zadaniach. 3. Obliczenia przykładowych amplitud i częstotliwości badanych sygnałów. 4. Oscylogramy z pełnym opisem parametrów przedstawionych na nich przebiegów. 5. Omówienie przyczyn błędów popełnianych w trakcie pomiaru oraz oszacowanie ich wartości. Włączenie zasilania badanych obwodów oraz urządzeń służących do przeprowadzenia badań może zostać wykonane tylko za wyraźną zgodą prowadzącego zajęcia. Zgoda taka musi zostać uzyskana przed każdym włączeniem zasilania. W celu wykonania ćwiczenia przeprowadzić wszystkie czynności opisane w punkcie 3 Polecenia. Zaliczenie ćwiczenia dokonywane jest na podstawie oceny przebiegu prac w trakcie zajęć (na koniec zajęć należy przedstawić prowadzącemu zajęcia wyniki pracy) oraz sporządzonego sprawozdania (każdy uczeń oddaje swoje sprawozdanie w zeszycie format A4) zawierającego informacje opisane we Wskazówkach do wykonania sprawozdania.