Ćwiczenie nr Badanie oscyloskopu

1 Podstawy teoretyczne Ćwiczenie nr 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 AC DC Tłumik Rwe=1M Współczynnik odchylania V/div 5 mv/div Przesuw Y 100 nf Uwe(t) 10 mv/div 20 mv/div 5 V/div Wzmacniacz Y Wewn Układ wyzwalania Generator podstawy czasu Wzmacniacz X Zewn Zbocze Poziom Auto Norm s/div Xzewn Przesuw X B 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 Uy Ux 1500 V Rys.2 Budowa lampy oscyloskopowej Badany sygnał u (t) wprowadza się na płytki odchylania pionowego Y lampy oscyloskopowej poprzez przełącznik wyboru rodzaju wejścia stało- lub zmiennoprądowego, tłumik, czyli nastawny

2 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. Tłumik (nastawny dzielnik napięcia) umoż1iwia zmianę współczynnika odchylania K y 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 jednostka współczynnika odchylania określana jest w V/cm jest to jednak zapis nieformalny i w zasadzie nie powinien być stosowany. 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 MW 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.3. pokazano widok płyty czołowej oscyloskopu oraz powiększenie obrazu panelu z elementami regulacyjnymi Rys.3 widok płyty czołowej oscyloskopu

3 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. 4.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. 4c.). 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. 4.d). Rys. 4. 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. 5). Rys. 5. Krzywe Lissajous Wartość przesunięcia fazowego φ oblicza się z zależności: a j = arctg (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. 6). Napięcie to narasta proporcjonalnie do czasu roboczego t r dzięki czemu plamka Rys. 6. Napięcie piłokształtne generatora podstawy czasu

4 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 7, na którym do płytek Y doprowadzono badane napięcie, a do płytek X napięcie piłokształtne. Rys. 7. 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 AUTO 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 SOURCE 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 przynoszące 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 potocznie 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 Cwiczenie nr Badanie właściwości oscyloskopu Laboratorium Metrologii PP 2005/2006 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 AUTO. Narysować zaobserwowane obrazy w tabeli.1 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 położeni linii odniesienia podstawy czasu. Położenie linii odniesienia można łatwo sprawdzić ustawiając odpowiedni przełącznik w położenie GND b) Sygnał wejściowy: napięcie stałe np. :U = 5V. c) Sygnał wejściowy: napięcie sinusoidalne u (t) = U m sin w t. Amplituda U m : kilka V, częstotliwość dowolna z zakresu 50 Hz do kilkaset khz d) sygnał wejściowy zmiennoprądowy ze składową stałą u (t) = Uo + U m sin w t (wykorzystać możliwość ustawienia składowej stałej za pomocą nastaw generatora (pokrętło DC offset)

6 Schemat układu pokazano na rys. 8. Przełącznik AC/DC Tłumik V/div Uwe(t) C U Rwe=1M Rys.8. 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 przebiegu sinusoidalnego odczytanej na ekranie od częstotliwości, 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 pp1khz = 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 zagęścić odległość kroku pomiarów zastosować np. 1 Hz, 3Hz 5Hz, 9Hz, 14Hz,... ) należy zmierzyć wartości międzyszczytowe Y pp napięcia na ekranie. Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli 2a i 2b oraz wykonać wykres charakterystyki amplitudowej wyrażonej w jednostkach względnych zgodnie z zależnością: Y div pp G = = f ( f ) (2) Y div pp1khz Wzmacniacz Y gdzie: Y pp wartość międzyszczytowa ampitudy rysowanego obrazu przebiegu sinusoidalnego wyrażona w div dla nastawionej częstotliwości f Y pp 1kHz - wartość międzyszczytowa ampitudy rysowanego obrazu przebiegu sinusoidalnego wyrażona w div dla częstotliwości odniesienia f= 1kHz

7 Tab.2a Wyniki pomiarów dla we DC f Y pp1khz Y pp G (nastawa generatora) Hz div div - 6,0 Tab. 2b Wyniki pomiarów dla we AC Zadania: f Y pp1khz Y pp G (nastawa generatora) Hz div div - 6,0 - wykonać wykresy charakterystyk amplitudowych wyrażonych w jednostkach względnych - Y div pp G = Y div pp1khz - 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 2b (dla częstotliwości np. 5 Hz

8 2.1.3 Badanie zniekształceń kształtu sygnału spowodowanych właściwościami przełącznika AC-DC 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. Badanie zniekształceń sygnałów na ekranie oscyloskopu Sposób badania DC AC a) Sygnał sinusoidalny, amplituda 2-3 V. w okienkach narysować (fotografia) kształt dla częstotliwości f = 20 Hz. Jako pierwsze w kolejności badań zastosować wejście DC i następnie AC Zadania: Czy zobrazowany przebieg ma kształt sinusoidy dla obydwu wejść DC i AC 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. Jako pierwsze w kolejności badań zastosować wejście DC i następnie AC Zadania: Czy zobrazowany przebieg ma kształt prostokątny dla obydwu wejść DC i AC Czy wzrost częstotliwości sygnału powoduje zmianę kształtu sygnału (pogorszenie, ew. polepszenie) Dla jakiego zakresu częstotliwości można uznać, że kształt rysowanego przebiegu odpowiada prostokątnemu (??? do 1 MHz) b) Sygnał trójkątny, amplituda 2-3 V. w okienkach narysować (fotografia) kształt dla częstotl. f = 20Hz. Jako pierwsze w kolejności badań zastosować wejście DC i następnie AC Zadania: Czy zobrazowany przebieg ma kształt trójkątny dla obydwu wejść DC i AC Czy wzrost częstotliwości sygnału powoduje zmianę kształtu sygnału (pogorszenie, ew. polepszenie) Dla jakiego zakresu częstotliwości można uznać, że kształt rysowanego przebiegu odpowiada trójkątnemu (??? do 1 MHz)

9 2.2. Przenikanie zakłóceń do obwodu pomiarowego Przenikanie zakłóceń do obwodu pomiarowego. Po odłączeniu kabla pomiarowego od źródła sygnału sprawdzić doświadczalnie, jakie efekty na ekranie uzyskuje się przez dotknięcie ręką przewodu "gorącego" oraz przewodu "masy" kabla pomiarowego oscyloskopu. Uzyskać obraz przebiegu zakłócającego. Sprawdzić doświadczalnie efekt przenikania zakłóceń spowodowany zbliżeniem (zetknięciem) przewodu gorącego do izolowanego kabla sieciowego podłączonego do sieci 230 V. Sposób badania ilustruje rys. 9. Obraz sygnału zakłóceń Rys.9 Badanie przenikania zakłóceń do obwodu pomiarowego oscyloskopu Zadanie: - wyjaśnić zaobserwowane zjawiska z wykorzystaniem schematu elektrycznego przedstawiającego obwód prądu zakłócającego, - narysować obraz uzyskanego przebiegu i określić: okres rysowanego przebiegu T, częstotliwość f i amplitudę U m odpowiednio z zależności (3) (4) i (5) : T = K C X (3) 1 (4) f = T Y (5) pp U m = KY 2 Gdzie - K C - współczynnik czasu [s/div]. - K y nastawa współczynnika odchylania [V/div] - Y pp odległość odpowiadająca wartości napięcia międzyszczytowego U pp

10 2.3. Sprawdzenie wartości współczynnika odchylania toru Y Celem pomiaru jest określenie rzeczywistej (poprawnej) wartości dowolnie wybranej nastawy współczynnika odchylania K Y i wyznaczenie błędu względnego jakim obarczona jest badana wartość nastawy K Y. Pomiar należy dokonać tylko dla jednej, dowolnie wybranej nastawy współczynnika odchylania K Y (np. przyjąć do badań wartość nastawy o znamionowej wartości K Yn = 1V/div). Rys. 10. Układ do pomiaru współczynnika odchylania toru Y Układ pomiarowy pokazano na rysunku 10. Do wejścia Y oscyloskopu doprowadzić napięcie stałe z zasilacza o znanej, wskazywanej przez woltomierz wartości. Aby zmniejszyć błąd odczytu odcinka Y, stanowiącego miarę wartości mierzonego napięcia U y, należy nastawić napięcie sygnału o takiej wartości, aby odchylenie plamki świetlnej wynosiło co najmniej 6 div pola odczytowego ekranu. Wyniki pomiarów i obliczeń umieścić w tablicy 4 w której: K Y - znamionowa wartość współczynnika odchylania toru Y, U Y - - napięcie stałe doprowadzone do toru Y, K Yp - wartość poprawna współczynnika odchylania toru Y obliczona z zależności: UY KYp = (6) Y Y - odchylenie plamki od położenia spoczynkowego, d Ky - błąd wartości poprawnej współczynnika odchylania K Yp (błąd jakim obarczona jest wartość obliczona ze wzoru (6), traktowana jako wartość poprawna). Konieczność oszacowania tego błędu wynika z elementarnych zasad metrologii jeżeli chcemy sprawdzać znamionową wartość nastawy podaną przez producenta, to musimy zapewnić, aby pomiar tej wartości był wykonany z odpowiednio dużą dokładnością, lepszą od dokładności deklarowanej przez producenta oscyloskopu. Producent oscyloskopu podał w instrukcji, że graniczny błąd względny wartości K y nastawy współczynnika odchylania wynosi 3%. Oznacza to, że błąd d Kyp wyznaczonej przez użytkownika wartości poprawnej K yp powinien mieć znacząco mniejszą wartość od od 3% - na przykład 1-2%. d = d + d (7.) Kyp U y Gdzie: d U błąd pomiaru napięcia woltomierzem (na podstawie klasy lub patrz instrukcja multimetru cyfrowego), d Y - względny błąd odczytu pomiaru długości Y (należy samodzielnie przyjąć wartość bezwzględnego błędu odczytu np.: ΔY = 0,1 div i obliczyć błąd względny d Y ) d Y - błąd badanej nastawy współczynnika K Y obliczamy z zależności: K y - K yp d Y = (8) K Tablica 4 Sprawdzenie wartości współczynnika odzchylania K Y U Y Y L.p (nastawiona (odczytana z (odczytana z. wartość) woltomierza) ekranu osc.) y K Yp (Wartość poprawna) d Kyp (błąd wartości poprawnej) d Ky (błąd nastawy K y ) V/div V div V/div % % np. 1V/div

11 2.4. Badanie układu synchronizacji Zastosować stabilizację obrazu typu wyzwalanie automatyczne, a następnie stabilizację obrazu typu wyzwalanie normalne Zadania pomiarowe: opisać efekty zaobserwowane na ekranie oscyloskopu i ocenić jakość stabilizacji obrazu dla następujących przypadków: - sygnał U Y nie jest dołączony do wejścia Y - sygnał U Y ma częstotliwość 10 khz - zastosować prawidłowy i nieprawidłowy poziom wyzwalania i różne nastawy współczynników czasu (kilka sąsiednich nastaw). - sygnał U Y ma częstotliwość mniejszą od 10 Hz Tab 6 Badanie układu synchronizacji Sposób badania AUTO NORM 1. Brak sygnału U Y 2. Doprowadzić sygnał o częstotliwości około 10 khz Komentarz: Komentarz: a) zastosować prawidłowy poziom wyzwalania i zbadać jakość stabilizację obrazu dla kilku wartości współczynników czasu. Komentarz: czy jest poprawna stabilizacja obrazu dla kilku sąsiednich nastaw współczynników czasu? Komentarz: czy jest poprawna stabilizacja obrazu dla kilku sąsiednich nastaw współczynników czasu? b) zastosować nieprawidłowy poziom wyzwalania i zbadać jakość stabilizację obrazu dla kilku wartości współczynników czasu Komentarz: czy jest widoczny obraz? Czy zmiany nastaw współczynnika czasu umożliwiają osiągniecie efektu stabilizacji? Komentarz: czy jest widoczny obraz? Czy zmiany nastaw współczynnika czasu umożliwiają osiągniecie efektu stabilizacji 3. Doprowadzić sygnał o częstotliwości około 10Hz. Zastosować prawidłowy poziom wyzwalania (pokrętło LEVEL w pobliżu położenia środkowego) Komentarz: czy jest poprawna stabilizacja obrazu dla wszystkich nastawionych współczynników czasu? Komentarz: czy jest poprawna stabilizacja obrazu dla wszystkich nastawionych współczynników czasu?