1 Ćwiczenie Podstawy teoretyczne Badanie oscyloskopu Budowa oscyloskopu Oscyloskop elektroniczny jest przyrządem służącym do obserwacji sygnałów elektrycznych i pomiaru ich parametrów. Na rys.1 pokazano schemat blokowy oscyloskopu. Przełącznik AC/DC 100 nf AC C DC GND V/div Tłumik Rwe=1M 5 mv/div 10 mv/div 20 mv/div 10 V/div Przesuw Y Wzmacniacz Y Wewn Zewn kład wyzwalania Generator podstawy czasu Wzmacniacz X Zbocze Auto Norm Xzewn Przesuw X Poziom s/div Rys. 1. Schemat blokowy oscyloskopu W schemacie blokowym wyodrębnić można cztery bloki funkcjonalne: - lampę oscyloskopową - blok odchylania pionowego - blok odchylania poziomego - blok wyzwalania i synchronizacji Podstawowym podzespołem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa, wewnątrz której znajduje się układ elektrod z żarzoną katodą, emitujący i skupiający elektrony w wiązkę. Elektrony, uderzając w ekran lampy pokryty materiałem luminescencyjnym, powoduje powstanie punktu świetlnego. Między zespołem elektrod i ekranem lampy znajdują się dwie pary wzajemnie prostopadłych płytek odchylających X, Y, które uczestniczą w powstaniu obrazu przebiegu badanego sygnału. Na rysunku 2 pokazano uproszczoną konstrukcję lampy oscyloskopowej. Katoda Siatka Anoda przyśpieszająca Jaskrawość y x 1500 V Rys.2 Budowa lampy oscyloskopowej
2 Badany sygnał u (t) wprowadza się na płytki odchylania pionowego Y lampy oscyloskopowej poprzez przełącznik wyboru rodzaju wejścia stało- lub zmiennoprądowego, tłumik, czyli nastawny dzielnik napięcia oraz szerokopasmowy wzmacniacz Y. Załączenie przełącznika w pozycję AC wprowadza sprzężenie poprzez kondensator, co sprawia, ze z sygnału wejściowego u (t) wyeliminowana zostaje składowa stała. Nastawny dzielnik napięcia umoż1iwia zmianę współczynnika odchylania w szerokich granicach od mv/div (mv/działkę) do kilku V/div (V/działkę), przy czym zwykle współczynniki przyjmują wartości z szeregu liczbowego 1 2 5 np. 0.1 V/div, 0,2 V/div, 0,5 V/div, 1 V/div, 0,2 V/div, 5 V/div. W wielu wykonaniach oscyloskopów 1 działka odpowiada odcinkowi 1 cm i dlatego często w języku potocznym stosuje się jednostkę V/cm. Współczynnik odchylania wyrażony w V/div określa wartość napięcia stałego lub chwilowego, jakie należy doprowadzić do wejścia oscyloskopu, aby spowodować odchylenie plamki o odcinek równy 1div. Rezystancja wejściowa oscyloskopu ma zwykle wartość 1 M i nie zależy od nastawy współczynnika odchylania.. Do płytek odchylania poziomego X doprowadza się poprzez wzmacniacz X. napięcie o dowolnym przebiegu z wejścia We X lub z generatora podstawy czasu, który sterowany jest sygnałem wyjściowym z układu synchronizującego. Synchronizacja może być wewnętrzna (za pomocą badanego sygnału) lub zewnętrzna ( za pomocą sygnału doprowadzonego z zewnątrz do odpowiedniego gniazda oscyloskopu). Na rys. 2a. pokazano widok płyty czołowej oscyloskopu Rys. 2a widok płyty czołowej oscyloskopu Powstawanie obrazu Pod wpływem napięcia stałego doprowadzonego tylko do płytek odchylania Y lub X plamka świetlna przemieści się w kierunku Y lub X, przy czym odległość pomiędzy nowym położeniem i położeniem poprzednim plamki jest proporcjonalna do wartości napięcia odpowiednio na płytkach Y lub X (rys. 3.a,b). Doprowadzenie napięcia stałego do obu par płytek spowoduje, że plamka przemieści się w położenie będące wynikiem sumy dwóch wymuszeń w kierunku X i Y (rys. 3c.). W przypadku sterowania jednej pary elektrod napięciem przemiennym o dostatecznie szybkich zmianach na ekranie widoczny jest odcinek o długości proporcjonalnej do wartości podwójnej amplitudy napięcia (rys. 3.d).
3 Rys. 3. Powstawanie obrazu na ekranie oscyloskopu W wyniku doprowadzenia do płytek odchylania X Y napięć sinusoidalnie zmiennych o identycznej częstotliwości i amplitudzie otrzymuje się na ekranie charakterystyczne obrazy, zwane figurami Lissajous, pozwalające na wyznaczenie kąta przesunięcia fazowego między przebiegami napięciowymi (rys. 4). Rys. 4. Krzywe Lissajous Wartość przesunięcia fazowego φ oblicza się z zależności: a arcsin (1) b W większości zastosowań oscyloskop służy do obserwacji kształtu przebiegu badanego napięcia doprowadzonego do płytek odchylania pionowego Y. Obraz tego przebiegu uzyskuje się przez doprowadzenie do płytek odchylania poziomego X napięcia piłokształtnego z generatora podstawy czasu (rys. 5). Napięcie to narasta proporcjonalnie do czasu roboczego t r dzięki czemu plamka Rys. 5. Napięcie piłokształtne generatora podstawy czasu przesuwa się ruchem jednostajnym od lewej do prawej strony ekranu. Prędkość ruchu plamki zależy od prędkości narastania napięcia liniowego. W czasie powrotu t r plamka zostaje wygaszona i po lewej stronie ekranu oczekuje przez czas t o (czas oczekiwania) na następny cykl pracy. Zasadę powstawania obrazu przebiegu badanego napięcia przedstawia rysunek 6, na którym do płytek Y doprowadzono badane napięcie, a do płytek X napięcie piłokształtne.
4 Rys. 6. Powstawanie obrazu przebiegu u (t) na ekranie oscyloskopu przy sterowaniu płytek X sygnałem piłokształtnym Stabilizacja obrazu Nieruchomy obraz przebiegu na ekranie uzyskamy tylko wtedy, gdy badany przebieg jest powtarzalny. Aby kolejne obrazy nakładały się na siebie, generator podstawy czasu powinien pracować synchronicznie z badanym przebiegiem, czyli jego momenty startu winny przypadać każdorazowo w identycznym punkcie badanego przebiegu. Doprowadzenie do zgodności w czasie mierzonego przebiegu i piłokształtnego napięcia podstawy czasu nazywa się synchronizacją. Stabilizację obrazu uzyskuje się za pomocą układu synchronizacji, sterującego generatorem podstawy czasu. Stosowane są dwa sposoby stabilizacji obrazu: wyzwalanie automatyczne i wyzwalanie normalne. Stosowanie stabilizacji w trybie auto zaleca się zwłaszcza dla niedoświadczonego użytkownika oscyloskopu Stabilizacja ATO daje dobre rezultaty pod warunkiem, że częstotliwość sygnału wejściowego ma wartość większą od kilkunastu Hz. Zastosowanie pracy auto ułatwia wprawdzie uzyskanie stabilizacji obrazu, ale w żadnym wypadku nie należy interpretować, że właściwości tego trybu stabilizacji obrazu całkowicie zwalniają operatora z czynności obsługowych wręcz przeciwnie, wykonanie takich czynności zwykle jest konieczne. W celu uzyskania stabilizacji należy ustawić przełącznik źródła wyzwalania SORCE w pozycję na ten kanał, do którego doprowadzony jest sygnał mierzony. Następnie należy pokrętło POZIOM WYZWALANIA (LEVEL) ustawić w takim położeniu, dla którego jest stabilny obraz (w wielu przypadkach wystarczy ustawić pokrętło LEVEL w środkowym położeniu). Niedoświadczeni użytkownicy oscyloskopu w celu uzyskania stabilnego (nieruchomego) obrazu zwykle podejmują próby zmiany nastawy pokrętła współczynnika czasu (s/div), pomijając zupełnie pokrętło LEVEL. Z reguły są to zabiegi nie przynoszą oczekiwanego rezultatu, a jedynym efektem jest zmiana ilości okresów przebiegu u(t) rysowanych na ekranie oscyloskopu. Stosowanie trybu wyzwalanie normalne NORM poleca się bardziej doświadczonym użytkownikom. Głównym mankamentem tego trybu stabilizacji obrazu jest to, że przy braku sygnału wejściowego u(t) brak jest na ekranie linii zwanej linią podstawy czasu i w efekcie użytkownik widzi ciemny ekran. Identyczny efekt ciemnego ekranu oscyloskopu uzyskuje się dla pracy NORM, gdy sygnał jest wprawdzie doprowadzony, ale poziom wyzwalania (LEVEL) jest niewłaściwy (np. pokrętło skręcone w jedną ze skrajnych pozycji). Istotną zaletą pracy norm jest bardzo dobra stabilizacja dla sygnałów o częstotliwościach z całego pasma przenoszenia oscyloskopu (w tym również dla bardzo niskich wartości częstotliwości) oraz sygnałów o złożonych kształtach.
5 Pomiary napięcia i czasu za pomocą oscyloskopu Przykład wyznaczania wartości międzyszczytowej napięcia sygnału sinusoidalnego i okresu sygnału sinusoidalnego a) Pomiar napięcia: Pożądane (ale nie we wszystkich przypadkach jest to konieczne) jest wyznaczyć najpierw wartość międzyszczytową napięcia, a następnie na podstawie ogólnie znanych elementarnych zależności obliczyć amplitudę i wartość skuteczną gdzie: K Y - wpółczynnik odchylania w kieruku Y Amplituda napięcia : m Wartość skuteczna: 2 sk 2 b) Błąd pomiaru napięcia: Ky Y gdzie: δ KY - błąd względny współczynnika odchylania w kieruku Y z instrukcji oscyloskopu (zwykle 3%) δ Y - błąd względny odczytu odcinka Y (szacuje operator) Y c) Pomiar okresu K C współczynnik czasu [s/cm]. d) Błąd pomiaru okresu: X K 2V / div 5,5div 11V odczytu 0,1div 100 100 1,818% Y 5,5div 3% 1,818% 5% T K C X y Y T 2ms / div 5,7div 11, 4ms T Kc X odczytu 0,1div 100 100 1,754% X 5,7div T 3% 1,754% 5% 2
6 I Badanie właściwości oscyloskopu 1. Obiekt badania i zakres ćwiczenia Obiektem badań jest analogowy oscyloskop dwukanałowy. Zakres ćwiczenia obejmuje: Badanie właściwości przełącznika AC-DC Sprawdzenie wartości współczynnika odchylania toru Y Badanie układu stabilizacji 2. Zadania pomiarowe i technika pomiarów 2.1. Badanie przełącznika wyboru rodzaju wejścia AC-DC 2.1.1. Testowanie przełącznika AC-DC Doprowadzić sygnał do wejścia oscyloskopu zgodnie z punktami. zamieszczonymi w tabeli 1. Zastosować pracę ATO. Narysować (fotografia) zaobserwowane obrazy w tabeli.1 dla przełącznika ustawionego w pozycji DC i następnie AC Tab.1 Sposób badania Obraz na ekranie dla we DC Obraz na ekranie dla we AC a) Brak sygnału wejściowego ustawić linię podstawy czasu na środku ekranu. W dalszych badaniach (punkty b, c, d, ) pozostawić środkowe położenie linii odniesienia podstawy czasu. Położenie linii odniesienia można łatwo sprawdzić ustawiając odpowiedni przełącznik w położenie GND b) Sygnał wejściowy: napięcie stałe np. : = 5V. Czy rysowane obrazy sygnału u(t) są identyczne dla we DC i AC Jeżeli obrazy nie są identyczne należy w sprawozdaniu uwzględnić komentarz z wyjaśnieniami c) Sygnał wejściowy: napięcie sinusoidalne u (t) = m sin t. Amplituda m : kilka V, częstotliwość dowolna z zakresu 50 Hz do kilkaset khz Czy rysowany przebieg ma kształt sinusoidalny dla we DC i AC Czy amplitudy obydwu przebiegów są identyczne d) sygnał sinusoidalny ze składową stałą 0 : u (t) = o + m sin t, częstotliwość dowolna z zakresu 50 Hz do kilkaset khz (ustawienie składowej stałej 0 za pomocą pokrętła DC offset generatora) Czy rysowane obrazy sygnału u(t) są identyczne dla we DC i AC Jeżeli obrazy nie są identyczne należy w sprawozdaniu uwzględnić komentarz z wyjaśnieniami
7 Schemat układu pokazano na rys. 7. Przełącznik AC/DC Tłumik V/div we(t) C Rwe=1M Wzmacniacz Y Rys.7. Schemat układu do testowania przełacznika AC-DC Podać wnioski dotyczące wyników testowania. - Czy działanie przełącznika AC-DC jest prawidłowe (uszkodzony, czy sprawny) - Wyjaśnić w oparciu o schemat elektryczny i wiadomości z podstaw elektrotechniki przyczyny dla których występują (lub nie występują) różnice w rysowanych obrazach dla we DC i AC 2.1.2. Badanie charakterystyki częstotliwościowej toru Y. Jest to zależność Y= f (f) wartości amplitudy (lub wartości międzyszczytowej Y ) sygnału sinusoidalnego odczytanej na ekranie w funkcji częstotliwości f tego sygnału, przy zastosowaniu stałej wartości amplitudy napięcia sinusoidalnego na wejściu oscyloskopu. Technika pomiarów: Do wejścia Y oscyloskopu doprowadzić z generatora sygnał sinusoidalny o częstotliwości około 1 khz i amplitudzie o takiej wartości, aby napięcie międzyszczytowe (peak-peak) wyrażone w działkach miało wartość Y 1kHz = 6,0 div (ustawić precyzyjnie na wartość 6,0 div). Napięcie to traktować należy jest jako sygnał odniesienia i w dalszej części badania nie wolno dokonywać zmian jego wartości Badanie należy przeprowadzić dla obu wejść AC oraz DC zmieniając częstotliwość w zakresie od 1 Hz do 1 MHz (szczególnie starannie dokonać pomiarów dla częstotliwości z zakresu 1Hz- 20 Hz) należy zmierzyć wartości międzyszczytowe Y napięcia na ekranie. Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli 2 i wykonać wykres charakterystyki amplitudowej wyrażonej w jednostkach względnych zgodnie z zależnością: Y div G f ( f ) (2) Y div 1KHz gdzie: Y wartość międzyszczytowa rysowanego obrazu w div dla nastawionej częstotliwości f Tab.2a Wyniki pomiarów dla we DC f Y 1KHz Y G (nastawa generatora) Hz div div - Tab. 2b Wyniki pomiarów dla we AC f Y 1KHz Y G (nastawa generatora) Hz div div -
8 Zadania: - wykonać wykresy charakterystyk amplitudowych wyrażonej w jednostkach względnych Y div G Y div 1 KHz - określić pasmo przenoszenia toru Y jako kryterium szerokości pasma przenoszenia przyjąć zmianę wysokości rysowanego obrazu o około 5% w stosunku do wartości uzyskanej dla częstotliwości 1 khz, - Wyjaśnić przyczynę różnic pomiędzy dolnymi granicami pasma przenoszenia dla wejść AC i DC. - obliczyć wartość pojemności sprzęgającej C przełącznika AC-DC. Do obliczeń wykorzystać informację, że R we oscyloskopu (rezystancja wejściowa tłumika) ma wartość R we = 1 MΩ oraz dane z tabeli 2 (dla częstotliwości np. 5 Hz 2.1.3 Badanie zniekształceń kształtu sygnału Do wejścia oscyloskopu należy doprowadzić sygnały wejściowe o kształtach sinusoidy, prostokąta, trójkąta o parametrach podanych w tabeli 3. Narysować (Ew. fotografia) uzyskane obrazy dla wejść DC i AC. Tab.3 Sposób badania DC AC a) Sygnał sinusoidalny, amplituda 2-3 V. w okienkach narysować (fotografia) kształt dla częstotl. f = 20Hz Zadania: Czy rysowany przebieg ma kształt sinusoidy Czy wzrost częstotliwości sygnału powoduje zmianę kształtu sygnału (pogorszenie, ew. polepszenie) b) Sygnał prostokątny, amplituda 2-3 V. w okienkach narysować (fotografia) kształt dla częstotl. f = 20Hz Zadania: Czy rysowany przebieg ma kształt prostokątny Czy wzrost częstotliwości sygnału powoduje zmianę kształtu sygnału (pogorszenie, ew. polepszenia) Od jakiej wartości częstotliwości można uznać, że kształt rysowanego przebiegu odpowiada prostokątnemu b) Sygnał trójkątny, amplituda 2-3 V. w okienkach narysować (fotografia) kształt dla częstotl. f = 20Hz Zadania: Czy rysowany przebieg ma kształt trójkątny Czy wzrost częstotliwości powoduje zmianę kształtu sygnału (pogorszenie, ew. polepszenia) Od jakiej wartości częstotliwości można uznać, że kształt rysowanego przebiegu odpowiada trójkątnemu
9 2.2. Przenikanie zakłóceń do obwodu pomiarowego Przenikanie zakłóceń do obwodu pomiarowego. Po odłączeniu kabla pomiarowego od źródła sygnału należy sprawdzić doświadczalnie, jakie efekty na ekranie uzyskuje się przez dotknięcie ręką metalowej tylko końcówki przewodu "gorącego" i następnie przez dotknięcie tylko końcówki przewodu "masy" (końcówkę gorącą należy wtedy puścić) kabla pomiarowego oscyloskopu. zyskać obraz przebiegu zakłócającego i wyznaczyć wartość częstotliwości i amplitudy tego przebiegu. Sprawdzić doświadczalnie efekt przenikania zakłóceń spowodowany zbliżeniem (zetknięciem) przewodu gorącego do izolowanego kabla sieciowego podłączonego do sieci 230 V. Wynik badań zilustrować na rys. 8 (fotografia lub szkic ). Obraz sygnału zakłóceń Rys.8 Obraz zakłóceń zarejestrowanych (fotografia) na ekranie oscyloskopu Zadanie: wyjaśnić zaobserwowane zjawiska z wykorzystaniem schematu elektrycznego przedstawiającego obwód prądu zakłócającego, narysować obraz (fotografia) uzyskanego przebiegu i określić: okres rysowanego przebiegu T, częstotliwość f i amplitudę m odpowiednio z zależności (3) (4) i (5) : T = K C X (3) 1 (4) f T Y (5) m KY 2 gdzie - K C współczynnik czasu [ms/div] (zalecane jest ustawienie przełącznika współczynnika czasu na wartość 10 ms/div lub 5ms/div). - K y nastawa współczynnika odchylania [V/div] należy dobrać wartość współczynnika odchylania tak, aby uzyskać odpowiednio duże wymiary obrazu przebiegu napięciowego - Y odległość odpowiadająca wartości napięcia międzyszczytowego
10 II Pomiary napięć i czasu za pomocą oscyloskopu 1. Pomiary napięcia i czasu oscyloskopem Obiekty badań i zakres ćwiczenia Wielkością mierzoną jest napięcie stałe 0 na wyjściu zasilacza stabilizowanego (kilka V) i parametry sygnału sinusoidalnego wytwarzanego za pomocą generatora funkcyjnego - wartość skuteczna sk i częstotliwość f. Sposób pomiaru: patrz podstawy teoretyczne str 5 instrukcji. a) Pomiar napięcia stałego 0 zasilacza stabilizowanego Schemat układu pokazano na rys. 9 Ch1 Ch2 Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 1 Tab.1 Pomiar parametrów sygnału stałoprądowego Rys. 9 Pomiar napięcia zasilacza wagi Wartość zmierzona multimetrem: =. Y K Y 0 o div V/div V % b) Pomiar parametrów sygnału sinusoidalnego należy zastosować sygnał sinusoidalny o częstotliwości (kilkaset Hz) z generatora. Schemat układu pokazano na rys. 10 Ch1 Ch2 Rys. 10 Pomiar parametrów napięcia sinusoidalnego Na podstawie obrazu przebiegu wyznaczamy wartość napięcia międzyszczytowego i następnie obliczamy wartość skuteczną sk. zyskany wynik pomiaru wartości skutecznej należy porównać ze wskazaniem multimetru. Tab.2 Pomiar parametrów sygnału sinusoidalnego wagi Y K Y sk X K C T f T div V/div V % V div ms/div ms Hz % Wartość zmierzona multimetrem: sk =.
11 2. Zastosowanie oscyloskopu do pomiaru parametrów napięcia w stanie jałowym i napięcia tętnień prostego zasilacza Cel: Badanie ma na celu zaprezentować konieczność zastosowania odpowiedniej pozycji przełącznika AC-DC w przypadkach, gdy dokonywany jest pomiar zarówno składowej stałej sygnału, jak i pomiar składowej zmiennej o niewielkiej wartości w porównaniu do wartości składowej stałej. Schemat układu pokazano na rys. 1 D we wy Oscyloskop Transformator Rys.1. Należy zmierzyć wybrane parametry napięcia wyjściowego zasilacza : napięcie 0 w stanie jałowym, napięcie międzyszczytowe tętnień oraz okres T napięcia tętnień. waga: tętnienia na wyjściu zasilacza ujawniają się po obciążeniu jego wyjścia. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 3 i tabeli 4. Tab.3 Pomiar parametrów 0 w stanie jałowym.wagi Y K Y 0 0 div V/div V % Tab.4 Pomiar parametrów sygnału tętnień.wagi Y K Y X K C T f T div V/div V % div ms/div ms Hz %.