Ćwiczenie 07 - pomiary oscyloskopem analogowym.pdf

(589 KB) Pobierz
Politechnika Lubelska
Katedra Automatyki i Metrologii
ĆWICZENIE
NR 7
POMIARY OSCYLOSKOPEM ANALOGOWYM
1. Cel
ćwiczenia
Celem
ćwiczenia
jest zapoznanie studentów z budową i zasadą działania oscyloskopu
analogowego oraz ze sposobem wykonywania pomiarów za jego pomocą.
2. Budowa oscyloskopu
Oscyloskop jest przyrządem umożliwiającym obserwację kształtu przebiegu sygnałów. Za
jego pomocą można także dokonać pomiarów parametrów czasowych (np. okresu,
częstotliwości, wypełnienia, czasu narastania zbocza sygnału) i napięciowych (np. amplitudy,
składowej stałej) sygnału oraz porównania parametrów dwóch sygnałów (np. przesunięcia
fazowego, wzmocnienia sygnału). Możliwa jest również obserwacja charakterystyk prądowo-
napięciowych dwójników (np. diody półprzewodnikowej, termistora).
Schemat blokowy typowego analogowego oscyloskopu dwukanałowego przedstawiony
jest na Rys. 1. Do podstawowych bloków funkcjonalnych oscyloskopu należą:
-
układy wejściowe,
-
wzmacniacz Y odchylania pionowego,
-
układ wyzwalania,
-
układ generacji podstawy czasu,
-
wzmacniacz X odchylania poziomego,
-
wzmacniacz modulacji jaskrawości plamki,
-
lampa oscyloskopowa,
-
zasilacz niskiego i wysokiego napięcia.
Rys 1. Schemat blokowy analogowego oscyloskopu dwukanałowego
Ćw.
7. Pomiary oscyloskopem analogowy
Ver. 3.0
strona 1 z 19
Politechnika Lubelska
Katedra Automatyki i Metrologii
Sygnały wejściowe w kanałach CH1 i CH2 przechodzą przez przełączniki wyboru rodzaju
mierzonego sygnału (AC/DC) i podawane są na układy wejściowe zawierające skokową,
skalowaną regulację (opisaną w woltach na działkę V/DIV) oraz płynną regulację
wzmocnienia (Variable). Aby poprawnie korzystać ze skalowanych wartości podanych przy
przełączniku V/DIV należy płynną regulację wzmocnienia ustawić w pozycji skalibrowanej
(CAL). Z układów wejściowych sygnały trafiają do wzmacniaczy. Wzmacniacz odchylania
pionowego Y ma dodatkowo możliwość regulacji położenia obrazu w pionie, a wzmacniacz
X ma możliwość regulacji położenia obrazu w poziomie.
W przypadku pracy jednokanałowej, z kanału pierwszego CH1, opisanego także Y, sygnał
dalej podawany jest na wzmacniacz Y odchylania pionowego, z którego wzmocniony,
symetryczny sygnał podawany jest na płytki odchylania pionowego lampy oscyloskopowej.
Do narysowania obrazu niezbędne jest także wysterowanie płytek odchylania poziomego. W
przypadku pracy oscyloskopu w trybie wyświetlania przebiegu wejściowego w funkcji czasu
za odchylanie poziome odpowiedzialny jest układ generacji podstawy czasu. Wytwarza on
piłokształtny przebieg, którego szybkość narastania zależy od wybranego skokowo
współczynnika czasu (w sekundach na działkę s/DIV). Możliwa jest także płynna regulacja
szybkości narastania za pomocą pokrętła VARIABLE, jednak podobnie jak w przypadku
wzmocnienia aby móc skorzystać ze skali czasu należy to pokrętło ustawić w pozycji
skalibrowanej CAL. Sygnał piłokształtny jest podawany na wzmacniacz X odchylania
poziomego, na wyjściu którego także otrzymywany jest przebieg symetryczny podawany na
płytki odchylania poziomego. W czasie narastania przebiegu piłokształtnego na wzmacniacz
jaskrawości, nazywany czasem wzmacniaczem Z, podawany jest stan wysoki. Ma to na celu
rozświetlenie plamki na czas rysowania właściwego przebiegu i wygaszenie jej na czas
powrotu do punktu początkowego. Ze wzmacniacza jaskrawości jest wyprowadzona regulacja
jasności (INTENSITY) umożliwiająca ustawienie jaskrawości obrazu dogodnej do obserwacji
przebiegu.
W ogólnym przypadku rysowanie obrazu zaczynałoby się w przypadkowej chwili
czasowej co powodowałoby wyświetlanie obrazu nie nadającego się do obserwacji. Stabilny
obraz jest uzyskiwany tylko w przypadku startu podstawy czasu dokładnie zawsze w tym
samym punkcie badanego przebiegu. Zapewnia to układ wyzwalania (TRIGER). Ten blok
oscyloskopu jest odpowiedzialny za wystartowanie podstawy czasu zawsze w tym samym
momencie badanego przebiegu. Możliwy jest wybór
źródła
przebiegu wyzwalającego:
CH 1 – wyzwalanie przebiegiem z kanału pierwszego,
CH 2 – wyzwalanie przebiegiem z kanału drugiego,
LINE – wyzwalanie częstotliwością sieci,
EXTERNAL – wyzwalanie przebiegiem zewnętrznym doprowadzonym do osobnego wejścia.
Oprócz wyboru
źródła
sygnału wyzwalającego jest możliwość regulacji poziomu
wyzwalania (pokrętło LEVEL), czyli poziomu od którego przebieg będzie rysowany oraz
zbocza narastającego lub opadającego. Jeżeli poziom wyzwalania jest niższy lub wyższy od
poziomu badanego przebiegu nie jest możliwe poprawne wyzwolenie przebiegu i obraz jest
niestabilny. Układ wyzwalania może pracować w dwóch trybach. W trybie AUTO podstawa
czasu jest generowana cały czas, bez względu na synchronizację przebiegu. W trybie
NORMAL podstawa czasu generowana jest tylko w przypadku zapewnienia poprawnych
warunków wyzwalania. W przypadku gdy nie są spełnione warunki poprawnego wyzwalania
w trybie pracy AUTO zaobserwujemy płynący przebieg lub kilka przebiegów nałożonych na
siebie, w trybie pracy NORMAL ekran będzie pusty, co może utrudnić regulacją oscyloskopu
zwłaszcza na początku jego użytkowania.
Zasadę powstawania obrazu na ekranie oscyloskopu przedstawiono na Rys. 2. Aby na
ekranie można było zaobserwować sygnał zmienny potrzebne jest jednoczesne oddziaływanie
na strumień elektronów dwóch sił. W kierunku pionowym plamka jest odchylana
Ćw.
7. Pomiary oscyloskopem analogowy
Ver. 3.0
strona 2 z 19
Politechnika Lubelska
Katedra Automatyki i Metrologii
proporcjonalnie do mierzonego sygnału, a w kierunku poziomym odchylanie musi być wprost
proporcjonalne do czasu, co można uzyskać poprzez doprowadzenie do płyt odchylania
poziomego napięcia narastającego liniowo w funkcji czasu. Po osiągnięciu przez plamkę
prawego skrajnego położenia musi ona wrócić do początku co osiąga się poprzez
zmniejszenie napięcia do wartości początkowej. Na płyty odchylania poziomego podawany
więc jest sygnał piłokształtny, a rysowana przez niego linia nazywana jest liniową podstawą
czasu lub rozciągiem liniowym. Zgodność wzajemnego zsynchronizowania się sygnału
podstawy czasu i sygnału mierzonego jest warunkiem koniecznym do nakładania się
kolejnych obrazów a więc i powstawania obrazu nieruchomego dla obserwatora.
Synchronizację tą zapewniają w oscyloskopie układy synchronizacji i wyzwalania TRIGGER.
Podczas liniowego narastania napięcia plamka przesuwa się w prawo wzdłuż osi X. Ten
ruch nazywany jest ruchem roboczym. Powrotny ruch odbywa się z pewną skończoną
prędkością, zwykle większą niż podczas ruchu roboczego co powodowałoby narysowanie w
tym czasie fragmentu przebiegu. Dlatego też w czasie powrotu plamka jest wygaszana co jest
wykonywane poprzez doprowadzenie ujemnego impulsu napięciowego do siatki pierwszej
lampy oscyloskopowej.
Obraz na ekranie
2
1
0
3
4
5
6
7
8
9 10
11
0
1
U
Y
2
3
4
5
6
7
8
9
t
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
11
10
U
Y
t
Rys 2. Zasada powstawania obrazu sygnału na ekranie oscyloskopu
Większość współczesnych oscyloskopów ma możliwość pracy dwukanałowej. Daje to
możliwość obserwacji dwóch sygnałów równocześnie np. na wejściu i wyjściu układu
badanego. Praca dwukanałowa polega na szybkim przełączaniu kanałów i wyświetlaniu ich
na przemian na ekranie, co ze względu na bezwładność ludzkiego oka daje wrażenie
jednoczesnego oglądania dwóch przebiegów. Dostępne są dwa tryby pracy: siekana (CHOP) i
Ćw.
7. Pomiary oscyloskopem analogowy
Ver. 3.0
strona 3 z 19
Politechnika Lubelska
Katedra Automatyki i Metrologii
przełączana (ALT). Praca przełączana ALT polega na podawaniu na ekran przez jeden pełny
okres podstawy czasu najpierw sygnału z jednego kanału, potem sygnału z drugiego kanału.
W przypadku pracy siekanej CHOP na ekran są naprzemiennie podawane sygnały z obu
kanałów podczas tego samego okresu podstawy czasu, tzn. przełączanie kanałów odbywa się
podczas procesu wyświetlania przebiegu na ekranie. Praca ALT nadaje się lepiej dla dużych
częstotliwości, CHOP dla małych. Zazwyczaj tryb pracy ALT lub CHOP ustawiany jest w
oscyloskopie samoczynnie na podstawie wybranej nastawy szybkości podstawy czasu, tylko
w niektórych typach oscyloskopów użytkownik może dokonać wyboru samodzielnie.
W przypadku pomiarów dwukanałowych jest również możliwość dodawania przebiegów
do siebie. Jest to praca w trybie ADD. Ta właściwość jest szczególnie cenna w przypadku gdy
musimy wykonać pomiar pomiędzy dwoma punktami nieuziemionymi. W tym przypadku
dodajemy do siebie sygnały z obu wejść, ale kanał drugi CH2 z odwróconą polaryzacją
(INV). Na ekranie otrzymamy obraz sygnału w kanale pierwszym CH1 względem kanału
drugiego CH2, czyli różnicę sygnałów z dwóch kanałów CH1-CH2.
W przypadku oscyloskopów dwukanałowych możliwa jest także praca w trybie X-Y.
Polega to na odłączeniu podstawy czasu i podania na wejście wzmacniacza X odchylania
poziomego sygnału z kanału pierwszego CH1, który w takim przypadku pełni rolę kanału X,
kanał drugi CH2 pełni wtedy rolę kanału Y.
Całość oscyloskopu zasilana jest z zasilacza, który oprócz dostarczania napięć niskich do
zasilania układów wzmacniaczy musi także dostarczać napięć wysokich potrzebnych do pracy
lampy oscyloskopowej. Zasilacz wysokiego napięcia ma wyprowadzoną regulację napięcia
przyśpieszającego elektrony służącą do regulacji ostrości (FOCUS).
Aby umożliwić odczyt z ekranu oscyloskopu na jego powierzchni naniesiona jest
odpowiednia skala. Typowy ekran oscyloskopu przedstawiono na Rys. 3. Ma on rozmiar
10cmx8cm z zaznaczonymi liniami co 1cm, są to tzw. działki (DIV). Dodatkowo co 2mm
zaznaczone są małe działki. Wprawny użytkownik oscyloskopu powinien odczytywać
wymiary przebiegów z rozdzielczością 1/5 małej działki. Dodatkowe linie przerywane oraz
oznaczenia 0%, 10%, 90%, 100% na krawędzi ekranu są przeznaczone do pomiarów czasów
narastania i opadania zboczy sygnałów.
Rys 3. Skala naniesiona na ekranie typowego oscyloskopu analogowego
Ćw.
7. Pomiary oscyloskopem analogowy
Ver. 3.0
strona 4 z 19
Politechnika Lubelska
Katedra Automatyki i Metrologii
3. Pomiary z użyciem oscyloskopu
3.1. Podstawowe parametry sygnałów mierzone oscyloskopem
Amplituda
sygnału okresowego jest to nieujemna wartość określająca największe
odchylenie wartości chwilowej od jego wartości
średniej.
Amplituda
A
w sygnałach
sinusoidalnych jest równa jego maksymalnej wartości:
y
(
t
)
=
A
sin(
ω
t
+ ϕ
)
,
gdzie:
y(t)
- warto
ść
chwilowa sygnału,
t
- czas,
ω
- pulsacja (cz
ę
stotliwo
ść
kołowa) w radianach na sekund
ę
,
ϕ
- faza pocz
ą
tkowa sygnału w chwili
t=0.
Składowa stała
B
jest to warto
ść
napi
ę
cia stałego dodana do przebiegu przemiennego:
y
(
t
)
=
A
sin(
ω
t
+ ϕ
)
+
B .
W przypadku sygnału ze składow
ą
stał
ą
B,
amplituda
A
dotyczy tylko cz
ęś
ci okresowej.
Amplituda w tym przypadku jest równa
A,
suma
A+B
jest warto
ś
ci
ą
maksymaln
ą
sygnału, ale
nie jest to amplituda sygnału. Amplitud
ą
tego sygnału jest tylko warto
ść
A.
Amplituda jest cz
ę
sto niewła
ś
ciwie okre
ś
lana jako ró
ż
nica pomi
ę
dzy maksymaln
ą
a
minimaln
ą
warto
ś
ci
ą
przebiegu (według takiego opisu wynosiłaby 2A). Tak definiowana jest
wartość międzyszczytowa
(ang.
peak-to-peak).
Warto
ść
mi
ę
dzyszczytow
ą
podaje si
ę
cz
ę
sto
poprzez zapis jednostki napi
ę
cia z dodatkowym indeksem
V
p-p
.
Cykl
jest to powtarzaj
ą
cy si
ę
ci
ą
g warto
ś
ci sygnału lub charakterystycznych stanów.
Przebiegi cykliczne charakteryzuj
ą
si
ę
wi
ę
c tym,
ż
e co pewien czas przyjmuj
ą
te same
okre
ś
lone charakterystyczne stany, przebiegi okresowe natomiast przyjmuj
ą
co pewien czas
dokładnie te same warto
ś
ci. Przykładowo, przebieg sygnału elektrokardiogramu EKG jest
cykliczny poniewa
ż
wyst
ę
puj
ą
w nim kolejne tzw. załamki P-Q-R-S-T, ale nie jest okresowy
poniewa
ż
warto
ś
ci napi
ęć
w kolejnych cyklach mog
ę
by
ć
ró
ż
ne.
Okres
T
sygnału jest to czas trwania jednego cyklu sygnału. Matematycznie okres
T
jest to
taka najmniejsza warto
ść
czasu, po którym sygnał przyjmuje te same warto
ś
ci. Warto
ś
ci
sygnału powtarzaj
ą
si
ę
równie
ż
po ka
ż
dej wielokrotno
ś
ci
k
okresu:
y
(
t
)
=
A
sin(
ω
t
+ ϕ
)
=
A
sin(
ω
(
t
+
T
)
+ ϕ
)
=
A
sin(
ω
(
t
+
kT
)
+ ϕ
)
.
Częstotliwość
okre
ś
la liczb
ę
cykli zjawiska okresowego wyst
ę
puj
ą
cych w jednostce czasu.
W układzie SI jednostk
ą
cz
ę
stotliwo
ś
ci jest herc (Hz). Cz
ę
stotliwo
ść
1Hz odpowiada
wyst
ę
powaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ci
ą
gu 1 sekundy. Pomi
ę
dzy cz
ę
stotliwo
ś
ci
ą
f
i
okresem
T
zachodzi zale
ż
no
ść
:
1
f
=
T
gdzie:
T
- okres w sekundach,
f
- cz
ę
stotliwo
ść
w hercach.
Pomi
ę
dzy cz
ę
stotliwo
ś
ci
ą
f
i pulsacj
ą
ω
zachodzi zwi
ą
zek:
ω =
2
π
f
.
Przesunięcie fazowe
jest to odległo
ść
mi
ę
dzy punktami o takiej samej fazie dwóch napi
ęć
okresowo zmiennych.
Wzmocnienie
jest to stosunek amplitudy sygnału wyj
ś
ciowego do amplitudy sygnału
wej
ś
ciowego badanego układu (wzmacniacza, tłumika, filtru itp.):
A
Wy
K
U
=
.
A
We
Ćw.
7. Pomiary oscyloskopem analogowy
Ver. 3.0
strona 5 z 19

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin