Laboratorium Metrologii II. 2012/13 zlachpolitechnika Rzeszowska Katedra Metrologii i Systemów Diagnostycznych Laboratorium Metrologii II POMIARY OSCYLOSKOPOWE II Grupa Nr ćwicz. 1 1... kierownik 2... 3... 4... Data Ocena I. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania, obsługi i podstawowych zastosowań pomiarowych oscyloskopu cyfrowego oraz dodatkowych zastosowań oscyloskopów i zaawansowanych technik pomiarowych oscyloskopem. II. Przebieg ćwiczenia W celu ustabilizowania się termicznych warunków pracy przyrządów, przed rozpoczęciem ćwiczenia należy włączyć oscyloskop, generator oraz częstościomierz. Oscyloskop analogowy Oscyloskop cyfrowy Producent Model Liczba kanałów Wielkość ekranu, V dz H dz Czułość pionowa, C y Błąd maksymalny dopuszczalny współczynnika odchylania pionowego 1) equivalent mode: Podstawa czasu, C t 2) normal mode: 3) roll mode: Błąd maksymalny dopuszczalny współczynnika podstawy czasu 1) equivalent mode: 2) normal mode: 3) roll mode: Pasmo przenoszenia, f p Rozdzielczość przetwornika A/C, L
Zdolność rozdzielcza przetwornika, r Impedancja wejściowa Tryby pracy kursorów Pamięć (długość rekordu), M Współpraca z komputerem (TAK/NIE) Współpraca z drukarką (TAK/NIE) Oscyloskop cyfrowy 1) Obsługa oscyloskopu cyfrowego Połączyć generator funkcyjny G z gniazdem wejściowym układu RC. Nastawić sygnał sinusoidalny o częstotliwości rzędu 10 20 khz z niewielką składową stałą. Do gniazda wejściowego CH1 oscyloskopu cyfrowego dołączyć napięcie U WE, do CH2 napięcie U WY (z układem RC należy połączyć co najmniej jeden przewód masy, ponieważ wejścia tego oscyloskopu są odseparowane od sieci zasilającej, poprzez zasilacz AC/DC). UWAGA: nastawiane aktualnie wartości wyświetlane są z lewej strony ekranu oscyloskopu (VERTICAL, TIME, TRIGGER), znaczek T wyświetlany na ekranie nad przebiegiem wskazuje punkt wyzwolenia przebiegu zwrócić uwagę na fragment przebiegu przed wyzwoleniem (tzw. pre-trigger), skrót ENCDR oznacza użycie uniwersalnego pokrętła funkcyjnego (ENCODER), F1,...,F6 jednokrotne lub kilkukrotne naciśnięcie danego klawisza. przycisk AUTO SETUP: wstępne, automatyczne ustawienie badanego przebiegu na ekranie przycisk PAUSE/RUN: zamrożenie obrazu na ekranie oscyloskopu przycisk SYSTEM: wyświetlanie siatki na ekranie (F1), regulacja kontrastu (F1 + ENCDR) pomiar częstotliwości sygnału (F2) powrót do trybu oscyloskopowego (przycisk SYSTEM, F2) przycisk CH1 lub CH2: regulacja czułości kanału (F1 + ENCDR) rodzaj sprzężenia kanału (F2) ustalenie poziomu zerowego (F3, F6 + ENCDR, F3) tryb wyświetlania sygnałów na ekranie (F5) ćw. 1 / str. 2
przesunięcie przebiegu w osi Y (F6) przycisk TIME: regulacja podstawy czasu (F1 + ENCDR) ekspansja podstawy czasu (F4) przesunięcie przebiegu w osi X (F6 + ENCDR) przycisk TRIG: tryb wyzwalania (F1) źródło sygnału wyzwalającego (F2) wybór zbocza wyzwalającego (F4) ustawienie poziomu wyzwalania (F6 + ENCDR) 2) Przykładowe zastosowanie linii kursorów (przycisk CURSOR) a) wyznaczenie wartości międzyszczytowych U p-p obu przebiegów i wzmocnienia A czwórnika: CH1: CH2: wybór trybu pracy kursorów V p p (F1) wybór kanału CH1 lub CH2 (F5) U 1p p U 2p p U U2p p A WY db 20log 20log U U WE 1p p b) pomiar częstotliwości f sygnału: włączenie / wyłączenie wyświetlania wyniku pomiaru częstotliwości (CURSOR, F6) CH1: f c) wyznaczenie okresu T i przesunięcia fazowego pomiędzy przebiegami: UWAGA: w celu zwiększenia dokładności pomiarów, obraz na ekranie oscyloskopu można zamrozić (PAUSE/RUN) obliczenie aktualnej częstotliwości próbkowania: M fp Ct H wybór trybu pracy kursorów T (F1) wyznaczenie okresu T sygnału (kursor O : F2 + ENCDR, kursor M : F3 + ENCDR) ćw. 1 / str. 3
T wyznaczenie odstępu czasu t pomiędzy sygnałami (F3 + ENCDR) t t 360 T d) wyznaczenie wartości składowej stałej U DC sygnału z generatora: UWAGA: Podczas pomiarów wartości kąta przesunięcia fazowego sygnałów napięciowych, należy odczytać zarówno długość odcinka proporcjonalnego do wartości okresu T przebiegu oraz długość odcinka proporcjonalnego do wartości czasu t pomiędzy przebiegami. Wyznaczanie długości obu odcinków nie powinno odbywać się przy tej samej podstawie czasu, należy tak zmieniać współczynnik odchylania, aby długości obu odcinków były maksymalne. W celu prawidłowego pomiaru kąta przesunięcia fazowego dwóch przebiegów (zwłaszcza o dużych częstotliwościach) należy sprawdzić, czy oscyloskop nie wprowadza przesunięcia fazowego pomiędzy kanałami A i B. W celu zwiększenia dokładności pomiarów można wyłączyć wyświetlanie siatki na ekranie oscyloskopu (SYSTEM, F1) wybór trybu pracy kursorów V (F1) wyświetlenie na ekranie napięcia wejściowego U WE (CH1, F5) ustawienie dolnego kursora O (CURSOR, F2 + ENCDR) wybór stałoprądowego sprzężenia kanału CH1 (CH1, F2) ustawienie kursora górnego M (CURSOR, F3 + ENCDR) U DC 3) Obserwacja i rejestracja sygnałów wolnozmiennych Zmniejszyć częstotliwość sygnału do wartości ok. 0,05 0,5 Hz. Nastawić podstawę czasu w tryb tzw. płynącej podstawy czasu (ROLL TIME BASE oscyloskop działa jak rejestrator: TIME, F1 + ENCDR lub AUTO SETUP) tak, aby widoczny był co najmniej jeden okres przebiegu wolnozmiennego. ćw. 1 / str. 4
a) wyznaczenie częstotliwości f przebiegu: zamrożenie przebiegu na ekranie (PAUSE/RUN) wybór trybu pracy kursorów 1/T (CURSOR, F1) wyznaczenie częstotliwości f sygnału (kursor O : F2 + ENCDR, kursor M : F3 + ENCDR) ponowne uruchomienie rejestracji (PAUSE/RUN) f b) zapis przebiegu do pamięci: zamrożenie przebiegu na ekranie (PAUSE/RUN) praca z pamięcią oscyloskopu (SYSTEM, F3) wybór numeru pamięci do zapisania (ENCDR) zapis przebiegu do pamięci (F1) wyjście do trybu wyświetlania (F6) Po zapisaniu przebiegu do pamięci zmienić parametry sygnału z generatora (np. symetrię przebiegu, jego amplitudę lub częstotliwość). c) odtworzenie przebiegu z pamięci na ekranie: praca z pamięcią oscyloskopu (SYSTEM, F3) wybór numeru pamięci do wczytania (ENCDR) wczytanie przebiegu z pamięci (F2) wyjście do trybu wyświetlania (F6) ponowne uruchomienie rejestracji (PAUSE/RUN) Porównać zmiany kształtu obydwu sygnałów (PAUSE/RUN, TIME, F6 + ENCDR). Zapisać wnioski. d) usunięcie przebiegu z pamięci: wymazanie wyświetlanego przebiegu z ekranu oscyloskopu (SYSTEM, F3, ENCDR, F4, F6) całkowite usunięcie zapisanego przebiegu (SYSTEM, F3, ENCDR, F5, F6) 4) Obserwacja sygnałów szybkozmiennych Zwiększyć częstotliwość sygnału do wartości rzędu kilku MHz. Nastawić podstawę czasu w tryb tzw. ekwiwalentnej podstawy czasu (EQUIVALENT TIME BASE: TIME, F1 + ENCDR lub AUTO SETUP) tak, aby widoczny był co najmniej jeden okres przebiegu szybkozmiennego. Zmienić skokowo amplitudę lub częstotliwość sygnału, zaobserwować odtwarzanie nowego przebiegu na ekranie. To samo powtórzyć dla sygnału o częstotliwości rzędu kilku khz i dla normalnej podstawy czasu (AUTO SETUP). Zapisać wnioski. ćw. 1 / str. 5
Oscyloskop analogowy UWAGA - przed rozpoczęciem pomiarów należy zawsze sprawdzić czy: linia jest dobrze zogniskowana (FOCUS) a jej jaskrawość jest minimalna (INTENS), pokrętła płynnej regulacji czułości C y kanałów A oraz B (VAR) są w pozycji kalibrowany (CAL), pokrętło płynnej regulacji podstawy czasu C t (VAR) jest w pozycji kalibrowana (CAL) a przycisk ekspansji podstawy czasu (MAG) jest wyłączony. 1) Zastosowanie sondy biernej RC i ekspansji podstawy czasu Do kanału CH1 oscyloskopu dołączyć przewód BNC z sondą bierną RC. Uwzględniając tłumienie K sondy zmierzyć amplitudę U m oraz okres T napięcia z transformatora sieciowego (tryb pracy MODE CH1, przełącznik źródła wyzwalania SOURCE w pozycji LINE wyzwalanie od częstotliwości sieci 50Hz). Powiększyć (rozciągnąć w osi czasu) wybrany interesujący fragment przebiegu napięcia ( POSITION ) ustawić fragment na środku ekranu, MAG rozciągnięcie podstawy czasu). U m 1 K 2 T l x Ct ly Cy 2) Obserwacja powstawania zwisu impulsu Do kanału CH1 oscyloskopu podłączyć generator funkcyjny G. Nastawić przebieg prostokątny o częstotliwości rzędu 30 70 Hz. Zmieniając rodzaj sprzężenia kanału (AC/GND/DC) zaobserwować zmiany kształtu wyświetlanego przebiegu prostokątnego. Zapisać wnioski. Zmienić kształt przebiegu na sinusoidalny, zmniejszyć częstotliwość do ok. 1 5 Hz. Czy możliwa jest wygodna obserwacja i pomiar np. okresu sygnału? 3) Praca dwukanałowa i praca różnicowa oscyloskopu Połączyć wyjście generatora funkcyjnego G z wejściem WE czwórnika RC oraz wejściem TRIG IN oscyloskopu. Ustawić sygnał sinusoidalny o częstotliwości ok. 10 20 khz. a) w trybie pracy dwukanałowej (MODE DUAL, ALT/CHOP) i przy wyzwalaniu od kanału CH1 zaobserwować kształt, amplitudę i przesunięcie fazowe napięcia wyjściowego czwórnika (U WY = U3) oraz napięcia na rezystorze R2 (U R2 = U2) w stosunku do napięcia wejściowego (U WE = U1) podłączonego do kanału CH1 oscyloskopu. b) w trybie pracy różnicowej (MODE ADD, CH2 INV) i przy wyzwalaniu EXT zaobserwować kształt, amplitudę i przesunięcie fazowe napięcia: na kondensatorze C1 (U C1 = U1 U2), na kondensatorze C2 (U C2 = U2 U3) oraz na rezystorze R1 (U R1 = U1 U3) w stosunku do napięcia wejściowego (U WE ) podłączonego do kanału CH1 oscyloskopu. Zanotować wnioski. ćw. 1 / str. 6
UWAGA - w celu poprawnej pracy różnicowej: źródło wyzwalania oscyloskopu SOURCE ustawić na EXT wyzwalanie od tego samego punktu napięcia wejściowego U WE czwórnika, wzmocnienia VOLTS/DIV obu kanałów muszą być jednakowe, położenie obu przebiegów (GND, POSITION ) musi być jednakowe, odpowiedni poziom wyzwalania nastawić potencjometrem LEVEL. Ćwiczenie dodatkowe (w ramach wolnego czasu): Wyznaczenie interesujących fragmentów w czasie i amplitudzie dla sygnału zakłócającego 50Hz przejściówka BNC/banaki w pobliżu przewodu zasilającego: (AUTOSETUP, CH1: F1 + ENCDR, TIME: F1 + ENCDR, PAUSE/RUN, CURSOR: F1, F2 + ENCDR, F3 + ENCDR) III. Wnioski IV. Pytania kontrolne 1. Jakie są główne zalety oscyloskopu cyfrowego w stosunku do oscyloskopu analogowego? 2. Na czym polega pomiar za pomocą oscyloskopu cyfrowego? 3. Omówić techniki próbkowania sygnału mierzonego? 4. Co to jest płynąca, normalna i ekwiwalentna praca podstawy czasu? 5. Do czego służy i jakie są zalety sondy biernej RC? 6. Jakie korzyści daje zastosowanie rozciągu podstawy czasu? 7. Co jest przyczyną i jak należy postępować, aby uniknąć powstawania tzw. zwisu impulsu prostokątnego? 8. Jak można wykorzystać pracę oscyloskopu w trybie różnicowym? V. Literatura 1. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna, Warszawa: WNT, 2010. 2. Marcyniuk A., Pasecki E., Pluciński M., Szadkowski B.: Podstawy metrologii elektrycznej, Warszawa: WNT, 1984. 3. Parchański J.: Miernictwo elektryczne i elektroniczne, Warszawa: WSiP, 1997. 4. Webster J. G.: The measurement, instrumentation and sensors handbook. CRC Press, 2000. 5. Rydzewski J.: Pomiary oscyloskopowe, Warszawa: WNT, 1995. ćw. 1 / str. 7