• Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest nabycie umiejętności posługiwania się oscyloskopem w celu obserwacji i pomiarów częstotliwości i poziomów napięć ze szczególnym uwzględnieniem różnych metod pomiarowych. Celem jest także obycie się z podstawowymi elementami i układami elektronicznymi.

• Wstęp teoretyczny:

Budowa oscyloskopu elektronicznego.

Oscyloskop elektroniczny jest urządzeniem umożliwiającym obserwację zmian napięcia elektrycznego w funkcji czasu, lub w funkcji zmian innego wejściowego napięcia elektrycznego. Podstawowym elementem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa. Lampa taka jest zbudowana ze szklanej bańki z ekranem, na który naniesiony jest od wewnątrz luminofor - substancja, która bombardowana przez elektrony emituje światło widzialne. Elektrony bombardujące ekran emitowane są przez rozgrzaną katodę i formowane w wąski strumień i przyspieszane przez cylinder Wenhelta i dwie anody. Tak uformowany strumień pada na sam środek ekranu i powoduje powstanie świecącego punktu. Przez odpowiednie odchylenie wiązki elektronów możemy ten punkt umieścić w dowolnym miejscu na ekranie. Odchylanie takie umożliwiają dwie pary płytek - równolegle ustawionych - tworzących kondensator próżniowy. Jedna para ustawiona jest poziomo i realizuje odchylanie pionowe, a druga ustawiona jest pionowo i realizuje odchylanie poziome. Poprzez przyłożenie odpowiedniego napięcia do płytek możemy dowolnie odchylać wiązkę elektronów we wszystkich kierunkach na płaszczyźnie. Część elektroniczna oscyloskopu składa się z szeregu wzmacniaczy elektronicznych formujących napięcie wejściowe Y podawane następnie na płytki odchylania pionowego. Każdy oscyloskop posiada także tzw. generator podstawy czasu, który generuje - wyzwalany zewnętrznie lub wewnętrznie przez sygnał wejściowy Y - przebieg piłokształtny. Przebieg taki podawany jest na płytki odchylania poziomego i symuluje upływ czasu, dzięki czemu możliwa jest obserwacja przebiegów szybkozmiennych (przez nakładanie się kolejnych przebiegów). Dzięki dużym częstotliwościom drgań generatora piły, przewyższającym bezwładność oka ludzkiego, obserwowany przebieg wydaje się być wykresem wartości chwilowych napięcia w funkcji czasu. Możliwe jest także podanie na płytki zewnętrznego dowolnego sygnału, dzięki czemu możliwe jest porównywanie faz i częstotliwości dwóch różnych przebiegów za pomocą tzw. figur Lissajous. Na ekranie powstają wtedy figury rozmaitych kształtów, a stosunek liczby przecięć wykresu z osią OY do liczby przecięć z osią OX określa nam stosunek częstotliwości .

Układ całkujący.

Jest - obok układu różniczkującego najczęściej stosowanych układem w elektronice. Realizuje funkcję matematyczną całkowania. Napięcie wyjściowe takiego układu jest po prostu napięciem ładującego, bądź rozładowującego się kondensatora. Najkrócej można powiedzieć, że spowalnia szybkie zmiany napięcia, lub inaczej - obcina składowe harmoniczne przebiegu wejściowego wyższe niż pewna częstotliwość graniczna. Jest to podstawowy układ filtru dolnoprzepustowego o zboczu 6dB na oktawę.

Układ różniczkujący.

Realizuje funkcję matematyczną różniczkowania. Napięcie wyjściowe tego układu jest proporcjonalne do prądu ładującego bądź rozładowującego się kondensatora. Obcina składowe harmoniczne przebiegu wejściowego o częstotliwości niższej niż tzw. częstotliwość graniczna układu. Jest stosowany jako filtr górnoprzepustowy o zboczu 6dB na oktawę.

Oba te układy cechują się pewna wielkością zależną od wartości zastosowanych elementów. Jest nią tzw. stała czasowa τ, wyrażona w sekundach i będąca iloczynem rezystancji i pojemności.

Generator funkcji.

Realizuje funkcję źródła przebiegów sinusoidalnych, prostokątnych i trójkątnych w szerokim zakresie częstotliwości i amplitud. Zastosowany w ćwiczeniu przyrząd dostarczał ww. przebiegów w paśmie 20Hz - 20 kHz i zakresie napięcia 0 - 10V.

• Przebieg pomiarów:

Spis i objaśnienia rysunków i wykresów:

Obserwacja i pomiar napięcia przemiennego:

a) Przebieg prostokątny

b) Przebieg trójkątny

c) Przebieg sinusoidalny

Obserwacja i pomiar napięcia przemiennego na wyjściu układu różniczkującego:

a) Przebieg prostokątny

b) Przebieg trójkątny

c) Przebieg sinusoidalny

Obserwacja i pomiar napięcia przemiennego na wyjściu układu prostowania jedno i dwupołówkowego z układem całkującym:

a) Prostowanie jednopołówkowe

Zależność napięcia tętnień od wartości elementów zastosowanych w filtrze.

	brak obciążenia	obciążenie R	obciążenie 4R
brak kondensatora	10V	10V	10V
kondensator C	0V	10V	6V
kondensator 10C	0V	5V	2V

b) Prostowanie dwupołówkowe

Zależność napięcia tętnień od wartości elementów zastosowanych w filtrze.

	brak obciążenia	obciążenie R	obciążenie 4R
brak kondensatora	10V	10V	10V
kondensator C	0V	8	4V
kondensator 10C	0V	3	0.8V

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

W celu porównania częstotliwości należy policzyć ile maksymalnie razy wykres figury Lissajous przecina oś OX (nx) i oś OY (ny). Przy znanej jednej z częstotliwości wejściowych można łatwo obliczyć drugą ze wzorów:

a) Częstotliwości jednakowe

b) Stosunek częstotliwości 2

c) Stosunek częstotliwości 1.5

• Wnioski

Oscyloskop elektroniczny umożliwia pomiar napięć zmiennych w czasie zarówno pod względem poziomów tych napięć, jak i zależności u(t).

Układ różniczkujący powoduje wycięcie z podanego na wejście przebiegu elektrycznego składowych o częstotliwości niższej niż częstotliwość graniczna danego układu - zależna od zastosowanych elementów. Układ różniczkujący wycina także składową stałą, tzn. stałą wartość napięcia. Inaczej mówiąc nie przepuszcza prądu stałego.

Jak widać z wykresów i tabel prostowanie dwupołówkowe jest bardziej ekonomiczne, niż jednopołówkowe, z uwagi na znacznie mniejszą wartość napięcia tętnień przy zastosowaniu tego samego układu filtracji. Układ filtracji to w zasadzie układ całkujący napięcie. Prostowanie dwupołówkowe wymaga jednak zastosowania dwukrotnie większej ilości elementów prostujących (np. diod półprzewodnikowych). Dla transformatora symetrycznego potrzeba dwóch diod, a niesymetrycznego - 4 (tzw. mostka Greatz'a). Napięcie tętnień asymptotycznie dąży do zera, przy pojemności kondensatora C zdążającej do nieskończoności i obciążeniu zdążającym do zera (rezystancji do nieskończoności).

Pomiar częstotliwości przy pomocy figur Lissajous to bardzo dokładna metoda, zależna niestety od wzorca. W tym ćwiczeniu wzorcem był przebieg sinusoidalny pochodzący z sieci energetycznej 50Hz. Przy porównywaniu jednakowych częstotliwości i różnych faz można wyznaczyć wartość przesunięcia fazowego z samego kształtu elipsy (lub okręgu dla f=0). W obecnych czasach pomiar za pomocą figur Lissajous jest wykonywany bardzo rzadko z uwagi na istnienie nowoczesnych metod pomiarowych za pomocą częstościomierzy i fazomierzy cyfrowych.

---