AGH Metrologia Laboratorium					Grupa: Rafał Sopliński Paweł Straszak Rafał Szemraj Marcin Szydełko
^wydział EAIiE	^rok akademicki 2001/2002		^rok studiów II
Temat : Zastosowania pomiarowe oscyloskopu: pomiar czasu, częstotliwości i fazy.
^data wykonania 18.10.2001		^data zaliczenia 25.10.2001		^ocena

1. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi zastosowaniami metrologicznymi oscyloskopu - rodzajami możliwych do zbadania wielkości, sposobami ich pomiaru a także rodzajami błędów występujących przy pomiarach oscyloskopem.

2. Część teoretyczna:

Oscyloskop elektroniczny jest urządzeniem służącym do obserwacji przebiegów czasowych sygnałów zarówno okresowych jak i nieokresowych. Ze względu na takie zalety jak: możliwość obserwacji na ekranie nawet do kilkunastu przebiegów jednocześnie, zdolność do badania przebiegów

3. Przygotowanie oscyloskopu do pomiaru:

• Kompensacja dynamiczna:

Kompensacja dynamiczna jest operacją mającą na celu wyeliminowanie wpływu impedancji przewodów na przebiegi badanych sygnałów. Wykonuje się ją podając na jedno z wejść oscyloskopu prostokątny sygnał o amplitudzie 1 V z wejścia kalibrującego poprzez przewód z sondą. Dostrajamy sondę aż sygnał oglądany na ekranie oscyloskopu będzie kształtem zbliżony do prostokątnego - dzięki temu „uniezależniamy” oscyloskop od zniekształceń wprowadzamy przez przewody.

• Sprawdzanie podstawy czasu:

Dokonujemy sprawdzenia podstawy czasu wykorzystując częstotliwość wzorcową 10 MHz z przelicznika cyfrowego PFL30

Wyniki pomiarów bez dzielnika częstotliwości:

- wynik pomiaru dla 10 okresów

- wyliczony okres przebiegu

, - częstotliwość przebiegu

- błąd pomiaru wynikający z czułości oscylokopu

Wyniki pomiarów z zastosowaniem dzielnika częstotliwości 1:10 :

- wyliczony okres przebiegu

,

Wynik należy pomnożyć przez 10, ponieważ stosowaliśmy dzielnik częstotliwości.

Wniosek : pomiar za pomocą dzielnika obarczony jest takim samym błędem co pomiar 10 okresów. Błąd ten wynika między innymi z małej dokładności wyznaczenia przejścia przebiegu przez zero (można ten błąd zmniejszyć rozciągając przebieg w pionie poprzez zmniejszenie stałej dzielnika napięcia co powoduje, że przebieg przecina zero prawie pod kątem prostym, a co za tym idzie - zwiększa się możliwość dokładnego odczytu.

4. Pomiar częstotliwości :

• metoda bezpośrednia

• metoda krzywych Lissajous:

Rys. Tabela obrazów krzywych Lissajous

dla odpowiednich częstotliwości i przesunięć fazowych

Metoda krzywych Lissajous polega na podaniu na oba wejścia oscyloskopu sygnałów o częstotliwościach badanej i wzorcowej. Po odpowiednim ustawieniu przełączników na płycie oscyloskopu na jego ekranie ukazują się tzw. Krzywe Lissajous. Jeśli stosunek częstotliwości jest liczbą całkowitą to te krzywe pozostają nieruchome tworząc konkretny obraz. Porównując kształt obrazu do wzorców i przypisanych im stosunków częstotliwości możemy określić wartość badanej częstotliwości.

f_w1 = 7,16 kHz _, dla stosunku
⇒ f₁ = f_w1 = 7,16 kHz

f_w2 = 2,53 kHz, dla stosunku
⇒ f₂ = 2f_w2 = 5,06 kHz

f_w3 = 1,03 kHz, dla stosunku
⇒ f₂ = 3f_w2 = 3,09 kHz

Wnioski: wyniki pomiarów metodą bezpośrednią i metodą krzywych Lissajous dały podobne wyniki, jednak pomiar bezpośredni jest bardziej dokładniejszy. Na błędy metody bezpośredniej wpływa przede wszystkim błąd generatora podstawy czasu, a na pomiar metodą Lissajous - błędy generatora częstotliwości wzorcowej oraz trudnością uzyskania idealnie nieruchomego obrazu (im większa częstotliwość badana tym bardziej jest to trudne).

5. Badanie przesunięcia fazowego metodą elipsy:

Pomiar przesunięcia fazowego sygnału metodą elipsy również wykorzystuje zjawisko powstawania krzywych Lissajous. Na jedno z wejść oscyloskopu podawany jest sygnał o danej częstotliwości, a na drugie - ten sam sygnał o tej samej częstotliwości, lecz przesunięty w fazie (za przesunięcie odpowiada włączony w tor sygnału czwórnik liniowy powodujący opóźnienia zależne od częstotliwości). Ponieważ na wejściach jest ta sama częstotliwość powstaje elipsa - krzywa Lissajous dla
- która jest całkowicie nieruchoma (efekt idealnej równości częstotliwości). Elipsa ta może być obrócona (patrz tabela powyżej) w zależności od przesunięcia fazowego podawanych sygnałów. Znając odpowiednie parametry wyświetlanej elipsy możemy obliczyć przesunięcie fazowe i wyznaczyć charakterystykę fazowo - częstotliwościową danego czwórnika.

f [Hz]	Yo [-]	Ym [-]	Δϕ [^0]
20	5,5	12	27
70	4,5	11,5	23
100	5	11	27
190	11,5	18	40
398	10,5	12	61
500	18,2	19	73
750	10,15	10,45	76
1000	9,2	9,5	75

6. Wnioski:

1. Na każdy pomiar oscyloskopem mają wpływ: niedokładna kalibracja generatora podstawy czasu i wzmacniacza w torze X (rzędu 2% - 3%), niedokładności wzmacniaczy i dzielników napięciowych toru sygnału badanego, negatywny wpływ impedancji przewodów doprowadzających na kształt sygnału. Niektóre z tych niepewności można zmniejszyć stosując kompensację za pomocą sondy i kalibrację podstawy czasu wzorcową częstotliwością (oba te zabiegi wykonywaliśmy w niniejszym ćwiczeniu). Oprócz tego na pomiar mają wpływ niedokładność wykonania podziałki na ekranie oscyloskopu lub - w przypadku korzystania z cyfrowej metody pomiaru - pewien stały kwant przesunięcia między jednym położeniem wskaźnika a drugim.

2. Bardziej dokładną metodą pomiaru przesunięcia fazowego niż wykorzystana przez nas metoda elipsy jest tzw. metoda kompensacji. Polega ona na wykorzystaniu przesuwnika fazowego do skompensowania przesunięcia jakie wprowadza badany przez nas czwórnik. Podając oba sygnały - z czwórnika i przesuwnika - na wejścia oscyloskopu tak regulujemy pokrętłem przesuwnika , aż na ekranie ukaże się linia prosta nachylona pod kątem 45⁰ (sytuacja odpowiada kształtowi krzywej Lissajous dla równych częstotliwości i zerowego przesunięcia fazowego). Gdy to nastąpi z podziałki przesuwnika odczytujemy wartość przesunięcia fazy.

7. Wykaz aparatury:

• Oscyloskop

• Częstotliwościomierz PFL 30

• Dzielnik częstotliwości

• Dekadowy generator częstotliwości

• Zasilacz DC

• Czwórnik liniowy

1

5

Ym

Yo

---