• Cel cwiczenia:

0. Celem cwiczenia jest nabycie umiejetnosci poslugiwania sie oscyloskopem w celu obserwacji i pomiarów czestotliwosci i poziomów napiec ze szczególnym uwzglednieniem róznych metod pomiarowych. Celem jest takze obycie sie z podstawowymi elementami i ukladami elektronicznymi.

• Wstep teoretyczny:

Budowa oscyloskopu elektronicznego.

Oscyloskop elektroniczny jest urzadzeniem umozliwiajacym obserwacje zmian napiecia elektrycznego w funkcji czasu, lub w funkcji zmian innego wejsciowego napiecia elektrycznego. Podstawowym elementem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa. Lampa taka jest zbudowana ze szklanej banki z ekranem, na który naniesiony jest od wewnatrz luminofor - substancja, która bombardowana przez elektrony emituje swiatlo widzialne. Elektrony bombardujace ekran emitowane sa przez rozgrzana katode i formowane w waski strumien i przyspieszane przez cylinder Wenhelta i dwie anody. Tak uformowany strumien pada na sam srodek ekranu i powoduje powstanie swiecacego punktu. Przez odpowiednie odchylenie wiazki elektronów mozemy ten punkt umiescic w dowolnym miejscu na ekranie. Odchylanie takie umozliwiaja dwie pary plytek - równolegle ustawionych - tworzacych kondensator prózniowy. Jedna para ustawiona jest poziomo i realizuje odchylanie pionowe, a druga ustawiona jest pionowo i realizuje odchylanie poziome. Poprzez przylozenie odpowiedniego napiecia do plytek mozemy dowolnie odchylac wiazke elektronów we wszystkich kierunkach na plaszczyznie. Czesc elektroniczna oscyloskopu sklada sie z szeregu wzmacniaczy elektronicznych formujacych napiecie wejsciowe Y podawane nastepnie na plytki odchylania pionowego. Kazdy oscyloskop posiada takze tzw. generator podstawy czasu, który generuje - wyzwalany zewnetrznie lub wewnetrznie przez sygnal wejsciowy Y - przebieg piloksztaltny. Przebieg taki podawany jest na plytki odchylania poziomego i symuluje uplyw czasu, dzieki czemu mozliwa jest obserwacja przebiegów szybkozmiennych (przez nakladanie sie kolejnych przebiegów). Dzieki duzym czestotliwosciom drgan generatora pily, przewyzszajacym bezwladnosc oka ludzkiego, obserwowany przebieg wydaje sie byc wykresem wartosci chwilowych napiecia w funkcji czasu. Mozliwe jest takze podanie na plytki zewnetrznego dowolnego sygnalu, dzieki czemu mozliwe jest porównywanie faz i czestotliwosci dwóch róznych przebiegów za pomoca tzw. figur Lissajous. Na ekranie powstaja wtedy figury rozmaitych ksztaltów, a stosunek liczby przeciec wykresu z osia OY do liczby przeciec z osia OX okresla nam stosunek czestotliwosci
.

Uklad calkujacy.

Jest - obok ukladu rózniczkujacego najczesciej stosowanych ukladem w elektronice. Realizuje funkcje matematyczna calkowania. Napiecie wyjsciowe takiego ukladu jest po prostu napieciem ladujacego, badz rozladowujacego sie kondensatora. Najkrócej mozna powiedziec, ze spowalnia szybkie zmiany napiecia, lub inaczej - obcina skladowe harmoniczne przebiegu wejsciowego wyzsze niz pewna czestotliwosc graniczna. Jest to podstawowy uklad filtru dolnoprzepustowego o zboczu 6dB na oktawe.

Uklad rózniczkujacy.

Realizuje funkcje matematyczna rózniczkowania. Napiecie wyjsciowe tego ukladu jest proporcjonalne do pradu ladujacego badz rozladowujacego sie kondensatora. Obcina skladowe harmoniczne przebiegu wejsciowego o czestotliwosci nizszej niz tzw. czestotliwosc graniczna ukladu. Jest stosowany jako filtr górnoprzepustowy o zboczu 6dB na oktawe.

Oba te uklady cechuja sie pewna wielkoscia zalezna od wartosci zastosowanych elementów. Jest nia tzw. stala czasowa , wyrazona w sekundach i bedaca iloczynem rezystancji i pojemnosci.

Generator funkcji.

Realizuje funkcje zródla przebiegów sinusoidalnych, prostokatnych i trójkatnych w szerokim zakresie czestotliwosci i amplitud. Zastosowany w cwiczeniu przyrzad dostarczal ww. przebiegów w pasmie 20Hz - 20 kHz i zakresie napiecia 0 - 10V.

• Przebieg pomiarów:

Spis i objasnienia rysunków i wykresów:

Obserwacja i pomiar napiecia przemiennego:

a) Przebieg prostokatny

b) Przebieg trójkatny

c) Przebieg sinusoidalny

Obserwacja i pomiar napiecia przemiennego na wyjsciu ukladu rózniczkujacego:

a) Przebieg prostokatny

b) Przebieg trójkatny

c) Przebieg sinusoidalny

Obserwacja i pomiar napiecia przemiennego na wyjsciu ukladu prostowania jedno i dwupolówkowego z ukladem calkujacym:

a) Prostowanie jednopolówkowe

Zaleznosc napiecia tetnien od wartosci elementów zastosowanych w filtrze.

	brak obciazenia	obciazenie R	obciazenie 4R
brak kondensatora	10V	10V	10V
kondensator C	0V	10V	6V
kondensator 10C	0V	5V	2V

b) Prostowanie dwupolówkowe

Zaleznosc napiecia tetnien od wartosci elementów zastosowanych w filtrze.

	brak obciazenia	obciazenie R	obciazenie 4R
brak kondensatora	10V	10V	10V
kondensator C	0V	8	4V
kondensator 10C	0V	3	0.8V

Pomiar czestotliwosci przy pomocy figur Lissajous (dla przebiegu wzorcowego sin 50Hz).

W celu porównania czestotliwosci nalezy policzyc ile maksymalnie razy wykres figury Lissajous przecina os OX (nx) i os OY (ny). Przy znanej jednej z czestotliwosci wejsciowych mozna latwo obliczyc druga ze wzorów:




a) Czestotliwosci jednakowe

b) Stosunek czestotliwosci 2

c) Stosunek czestotliwosci 1.5

• Wnioski

Oscyloskop elektroniczny umozliwia pomiar napiec zmiennych w czasie zarówno pod wzgledem poziomów tych napiec, jak i zaleznosci u(t).

Uklad rózniczkujacy powoduje wyciecie z podanego na wejscie przebiegu elektrycznego skladowych o czestotliwosci nizszej niz czestotliwosc graniczna danego ukladu - zalezna od zastosowanych elementów. Uklad rózniczkujacy wycina takze skladowa stala, tzn. stala wartosc napiecia. Inaczej mówiac nie przepuszcza pradu stalego.

Jak widac z wykresów i tabel prostowanie dwupolówkowe jest bardziej ekonomiczne, niz jednopolówkowe, z uwagi na znacznie mniejsza wartosc napiecia tetnien przy zastosowaniu tego samego ukladu filtracji. Uklad filtracji to w zasadzie uklad calkujacy napiecie. Prostowanie dwupolówkowe wymaga jednak zastosowania dwukrotnie wiekszej ilosci elementów prostujacych (np. diod pólprzewodnikowych). Dla transformatora symetrycznego potrzeba dwóch diod, a niesymetrycznego - 4 (tzw. mostka Greatz'a). Napiecie tetnien asymptotycznie dazy do zera, przy pojemnosci kondensatora C zdazajacej do nieskonczonosci i obciazeniu zdazajacym do zera (rezystancji do nieskonczonosci).

Pomiar czestotliwosci przy pomocy figur Lissajous to bardzo dokladna metoda, zalezna niestety od wzorca. W tym cwiczeniu wzorcem byl przebieg sinusoidalny pochodzacy z sieci energetycznej 50Hz. Przy porównywaniu jednakowych czestotliwosci i róznych faz mozna wyznaczyc wartosc przesuniecia fazowego z samego ksztaltu elipsy (lub okregu dla f=0). W obecnych czasach pomiar za pomoca figur Lissajous jest wykonywany bardzo rzadko z uwagi na istnienie nowoczesnych metod pomiarowych za pomoca czestosciomierzy i fazomierzy cyfrowych.

---