Laboratorium Podstaw Miernictwa Wiaczesław Szamow Ćwiczenie M3 BADANIE PRZEBIEGÓW NAPIĘCIOWYCH ZA POMOCĄ MULTIOSCYLOSKOPU opr. tech. Mirosław Maś Uniwersytet Przyrodniczo - Humanistyczny Siedlce 2011
1. Wstęp Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z obsługą generatora funkcyjnego i multioscyloskopu oraz dokonanie pomiaru różnych napięć, częstotliwości i czasu obliczanie okresu dla różnych kształtów sygnału wejściowego przy użyciu multioscyloskopu. W skład zestawu pomiarowego wchodzą - multioscyloskop HM 1508-2 generatory funkcyjne DF1641B - 2 przewody koncentryczne z wtykami BNC UWAGA: Nie używaj przycisku SETTINGS aby nie skasować kalibracji oscyloskopu. Niewłaściwa kalibracja może uszkodzić oscyloskop. Przed rozpoczęciem ćwiczenia sprawdź czy zestaw laboratoryjny jest kompletny. Do ćwiczenia należy opanować następujące zagadnienia teoretyczne: obsługa generatora funkcyjnego obsługa multioscyloskopu wartość średnia i skuteczna napięcia napięcia okresowe w tym: harmoniczne, trójkątne i prostokątne okres, częstotliwość, pulsacja parametry napięciowe i czasowe kształtu przebiegów współczynnik wypełnienia 3
2. Generator funkcyjny Generator funkcyjny to urządzenie wytwarzające przebiegi napięciowe o różnym kształcie, w tym przynajmniej napięcie harmoniczne, trójkątne i prostokątne. Amplituda i częstotliwość przebiegów jest regulowana w szerokim zakresie. Przykładowo, generator funkcyjny DF1642B posiada następujące parametry: - zakres regulacji częstotliwości 6 Hz 6MHz - zakres regulacji napięcia 0 20Vpp - impedancja wyjściowa ok. 6kΩ Rozmieszczenie przycisków i pokręteł na płycie czołowej tego generatora ukazuje Rys. 1 Rys. 1 1. sieć 2,3. zmiana skokowa częstotliwości w górę i w dół 4. zmiana kształtu przebiegu 5. włączenie składowej stałej 6. regulacja składowej stałej w zakresie -10V; +10V 7. przycisk przemiatania częstotliwości 8. pokrętło szybkości przemiatania 9. skokowa zmiana napięcia wyjściowego 10. wyjście sygnału analogowego 11. wyjście sygnału cyfrowego 12. pokrętło płynnej regulacji napięcia wyjściowego 13,14. wejście i przycisk sygnału zewnętrznego 15. regulacja zakresu przemiatania 16. regulacja symetrii przebiegu 17. wyświetlacz poziomu napięcia 18. przycisk symetrii sygnału 19. wyświetlacz częstotliwości Główną wadą tego generatora jest mała wydajność prądowa i związana z tym zależność amplitudy generowanego napięcia od obciążenia zewnętrznego. 4
3. Multioscyloskop Używany do pomiarów oscyloskop HM 1508 może pracować w trybie analogowym i cyfrowym. W zależności od wybranego trybu pracy zmieniają się dość znacznie parametry oscyloskopu. Oscyloskop HM 1508 może wyświetlać wszystkie sygnały powtarzające się przy podstawowej częstotliwości powtarzania równej, co najmniej, 150 MHz. Pasmo przenoszenia oscyloskopu wynosi od 0 do 150 MHz (-3 db). Wzmacniacze odchylania pionowego nie powodują odkształceń sygnału mających postać wyskoków, zapadów, oscylacji, itd. a więc jest dość dobrze zabezpieczony przed sporadycznymi przekłamaniami sygnału wejściowego. Płytę czołową oscyloskopu przedstawia Rys. 2 Rys. 2 Pełny opis wszystkich funkcji i parametrów znajduje się w wydrukowanej instrukcji na stanowisku pomiarowym. Rozmieszczenie niektórych elementów regulacyjnych przedstawia rysunek poniżej. 5
1. POWER (przycisk) włączania i wyłączania zasilania 2. INTENS (pokretło) regulacji jaskrawości 3. FOCUS, TRACE, MENU (przycisk) przywołuje na ekran menu pokrętła (2) regulacji jaskrawości (INTENS) i umożliwia zmianę różnych nastaw oscyloskopu. 4. REM (przycisk) wyłącza wyświetlone menu, tryb zdalnego sterowania (świeci się symbol REM). 5. ANALOG/DIGITAL (przycisk) przełączanie miedzy trybami analogowym (podświetlenie zielone) i cyfrowym (podświetlenie niebieskie). 6. STOP / RUN (przycisk) RUN: włączona STOP: wyłączona akwizycja danych sygnału. Wyświetlony wynik ostatniej akwizycji. 10. SETTINGS (przycisk) otwiera menu funkcji wyboru języka i funkcji dodatkowych, a przy pracy cyfrowej także do trybu wyświetlania sygnału. UWAGA: Uruchomienie tej funkcji może doprowadzić do niekontrolowanej zmiany parametrów kalibracji oscyloskopu! 12. HELP (przycisk) włącza i wyłącza teksty pomocy ekranowej zależnie od aktualnych ustawień elementów obsługowych i aktywnego menu. 13. POSITION 1 (pokretło) reguluje przesuwem przebiegu lub elementu uzyskanego za pomocą aktualnie włączonej funkcji: Sygnał (aktualny, referencyjny, uzyskany za pomocą operacji matematycznych). Funkcje kursora i ZOOM (dostępne są tylko przy pracy cyfrowej). 14. POSITION 2 (pokretło) reguluje przesuwem przebiegu lub elementu uzyskanego za pomocą aktualnie włączonej funkcji: Sygnał (aktualny, referencyjny, uzyskany za pomocą operacji matematycznych). Funkcje kursora i ZOOM (dostępne są tylko przy pracy cyfrowej). 15. CH1/2-CURSOR-CH3/CH4-MA/REF-ZOOM (przycisk) przywołuje menu i wyznacza aktualne funkcje pokręteł przesuwu POSITION 1 i POSITION 2. 16. VOLTS/DIV-SCALE-VAR (pokretło) ustawia w kanale 1 wartości współczynnika odchylania Y, zmiennej Y i skalowania Y. 17. VOLTS/DIV-SCALE-VAR (pokretło) ustawia w kanale 2 wartości współczynnika odchylania Y, zmiennej Y i skalowania Y. 18. AUTO / CURSOR MEASURE (przycisk) przywołuje menu i submenu dla pomiaru automatycznego i wspomaganego kursorem. 19. LEVEL A/B (pokretło) regulacja poziomu wyzwalania podstawy czasu A i B. 20. MODE (przycisk) przywołuje różne (przełączane) tryby wyzwalania. 21. FILTER (przycisk) przywołuje menu przełączanego filtru wyzwalania (sprężenia) i wyboru zbocza sygnału wyzwalania. 31. CH1 / VAR (przycisk) przywołuje menu kanału 1 z wyborem rodzaju sygnału wejściowego, inwersji wyświetlonego przebiegu, tłumienia sondy i regulacja zmiennej Y (czułość). 32. VERT / XY (przycisk) przywołuje menu wyboru trybu odchylania pionowego (czułości), dodawania (ADD), pracy XY i ogranicznika pasma. 33. CH2 / VAR (przycisk) przywołuje menu kanału 2 z wyborem rodzaju sygnału wejściowego, 34. CH1 (gniazdo BNC) wejście sygnałowe kanału 1 i wejście odchylania poziomego przy pracy XY. 35. CH2 (gniazdo BNC) wejście sygnałowe kanału 2 Pod ekranem jest umieszczone gniazdo USB, które pozwala na zapis zrzutów ekranu w formie elektronicznej. (Wadą jest obsługa pendrive o pojemności mniejszej niż 2GB) 6
4. Przebieg pomiarów UWAGA: Połączenie między oscyloskopem i generatorem wykonuj gdy oba przyrządy są wyłączone. Zasilanie włącz na wyraźne polecenie prowadzącego zajęcia Włączenie zasilania oscyloskopu i generatora - zgodnie z zaleceniami w instrukcjach obsługi. W oscyloskopie, należy nacisnąć czerwony przycisk (1) POWER - wyświetli się kilka ekranów informacyjnych i oscyloskop przyjmie ustawienia, które wybrano przed poprzednim jego wyłączeniem. Włączenie generatora przycisk (1) POWER - na wyświetlaczach cyfrowych wyświetlą się poprzednio ustawione parametry częstotliwości i napięcia. a). połącz wyjście jednego generatora funkcyjnego z kanałem CH1 lub CH2 oscyloskopu i włącz oba przyrządy. Z generatora wybierz sygnał sinusoidalny. Zmierz okres T i napięcie Vpp, oblicz Vmax, Vrms oraz częstotliwość. Zmień kształt przebiegu na trójkątny i prostokątny powtórz pomiary i obliczenia - wyniki umieść w Tab. 1. sinusoida trójkąt prostokąt Vpp[V] T[µs] Vmax[V] Vrms[V] F[Hz] Tab. 1. Używając odpowiednich pokręteł regulacyjnych generatora funkcyjnego zaobserwuj, jaki wpływ na kształt sygnału ma współczynnik wypełnienia. b) Podłącz oba generatory funkcyjne do kanałów CH1 i CH2 odpowiednio. Częstotliwość obu generatorów ustaw na 600Hz a napięcie międzyszczytowe na 2V. Zmieniaj częstotliwość sygnału drugiego generatora, znajdź dudnienia. Pomierz ich napięcie międzyszczytowe i okres. Dudnienia otrzymaj w dwóch przypadkach, gdy f 1 <f 2 i gdy f 1 >f 2. Wyniki zanotuj w Tab. 2. generator I generator II f 2 > f 1 [Hz] Vpp[V] T [µs] f 2 < f 1 [Hz] Vpp[V] T [µs] Tab.2 Zapisz na pendrivie zrzuty ekranu dla obu przypadków. Przykładowy zrzut pokazuje Rys. 3. 7
Rys. 3 c) Obserwacja krzywych Lissajoux. Włącz tryb pracy XY, regulując napięcie wyjściowe generatorów i ustawiając odpowiednią stałą skali multioscyloskopu doprowadź do tego by widoczny prostokąt miał wymiary 6 na 6 kratek. Ustaw amplitudę pierwszego generatora na f 1 = 600Hz, zmieniaj częstotliwość f 2 drugiego generatora tak, aby pojawiły się krzywe Lissajoux podobne do przedstawionych na rysunku poniżej. Zanotuj wartości częstotliwości f 2 dla każdej figury. Zapisz na pendrivie zrzuty ekranu dla wszystkich przypadków. d) Obejrzyj krzywe dla przebiegów trójkątnych i prostokątnych. Zapisz na pendrivie zrzuty ekranu dla kilku dowolnie wybranych przypadków. 5. Opracowanie wyników 1. Oblicz napięcie międzyszczytowe i częstotliwość dudnień teoretycznie, błędy metodą różniczki zupełnej. Porównaj wyniki teoretyczne z doświadczalnymi. 2. Jaka zależność występuje przy krzywych Lissajoux między częstotliwościami f 1 i f 2. 3. Wyjaśnij dlaczego krzywe Lissajoux były niestabilne w trybie analogowym. Literatura 8
[1] S. Tumański, Technika pomiarowa, PWN, Warszawa 2000 [2] http://www.eti.pg.gda.pl/katedry/kose/dydaktyka/metrologia/cw2.pdf [3] Instrukcja obsługi generatora funkcyjnego DF 1641 [4] Instrukcja obsługi multioscyloskopu HM 1508 [5] Wprowadzenie do laboratorium Podstaw Miernictwa 9