Instytut Podstaw Elektrotechniki
i Elektrotechnologii
Zakład Elektrotechnologii
Wydział
Elektryczny
LABORATORIUM
METROLOGII ELEKTRYCZNEJ
dla kierunku studiów Mechatronika
Ćwiczenie 4
Pomiar oscyloskopowe
Opracował: dr inż. Krystian Krawczyk
mgr inż. Bartłomiej Kocjan
Wrocław 2014
2
1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem oscyloskopu analogowego oraz
cyfrowego, jak również z pomiarami, które można za ich pomocą wykonać.
2. Aparatura:
żð oscyloskop analogowy,
żð oscyloskop cyfrowy,
żð generator funkcyjny,
żð generator arbitralny,
żð multimetr,
żð komputer PC,
żð sonda pomiarowa.
3. Wstęp teoretyczny.
3.1. Informacje ogólne:
Oscyloskop jest bardzo użytecznym przyrządem w pracach badawczych, ponieważ
pozwala na obserwacje kształtu przebiegów, dając jednocześnie informacje o podstawowych
wielkościach tego przebiegu.
Oscyloskopy można podzielić na:
·ð analogowe,
·ð z lampÄ… pamiÄ™tajÄ…cÄ…,
·ð próbkujÄ…ce,
·ð cyfrowe.
W analogowym oscyloskopie przebieg rysowany jest w czasie rzeczywistym na ekranie
lampy oscyloskopowej. Oscyloskop z lampą pamiętającą różni się tym, że obserwowany
obraz można zapamiętać i przez pewien czas wyświetlać go na ekranie. Oscyloskopy
próbkujące służą do pomiarów bardzo szybkich przebiegów - pozwalają na pomiar nawet do
kilkudziesięciu GHz. Oscyloskop cyfrowy pobiera próbki badanego sygnału (tzn. wartości
chwilowych sygnału), a następnie wartości próbki są zamieniane na słowo cyfrowe i w takiej
formie przechowywane w pamięci. Z tego też powodu oscyloskopy analogowe są
niezastąpione przy obserwacji bardzo szybkich przebiegów.
3
Przy wyborze oscyloskopu trzeba przede wszystkim zdecydować, do jakich pomiarów ma
być ten oscyloskop stosowany i jakie parametry są dla nas najważniejsze.
·ð Pasmo i czas narastania okreÅ›la jak wiernie jest odtworzony oglÄ…dany przebieg. W
oscyloskopie analogowym czas narastania i pasmo powiÄ…zane sÄ… wzorem:
0,35
tr =ð
f2
gdzie tr - czas narastania [ns], f2 - górna częstotliwość przenoszona (-3dB) [MHz]. Gdy
czas narastania badanego sygnału jest co najmniej pięć razy dłuższy od czasu narastania
oscyloskopu, to czas odczytany z ekranu będzie obarczony błędem mniejszym niż 2 %.
·ð Rezystancja wejÅ›ciowa z reguÅ‚y wynosi 1M©, z równolegÅ‚Ä… pojemnoÅ›ciÄ… od kilku do
kilkudziesiÄ™ciu pF, lub 50© (głównie w oscyloskopach o paÅ›mie ponad 200MHz).
·ð WejÅ›cie różnicowe jest potrzebne, gdy żaden z punktów pomiarowych nie jest na
potencjale masy. Pozwala ono na odrzucenie z badanych sygnałów części wspólnej
(będącej np. tętnieniem sieci).
·ð WejÅ›cie sumujÄ…ce pozwala na zmierzenie sumy napięć pomiÄ™dzy dwoma punktami, np.
badanie symetrii przebiegów. Gdy są identyczne kształty i amplitudy, a przeciwne fazy to
na ekranie nie będzie obrazu.
·ð Ilość kanałów.
b) Budowa lampy oscyloskopowej i zasada działania:
4
Główną częścią oscyloskopu jest lampa, która umożliwia obserwację badanych
przebiegów elektrycznych (szybkość obserwowanych przebiegów jest ograniczona
bezwładnością elektronów).
Lampa składa się z:
·ð wyrzutni elektronowej (emituje i skupia elektrony w wiÄ…zkÄ™)
·ð systemu odchylajÄ…cego strumieÅ„ elektronów
·ð ekranu wysyÅ‚ajÄ…cego Å›wiatÅ‚o gdy bombardujÄ… go elektrony
Całość zamknięta jest w szklanej albo ceramicznej obudowie, pozbawionej powietrza.
Elektrony mogą być odchylane polem magnetycznym (za pomocą cewek) albo elektrycznym
(płytki odchylające). Aby odchylanie za pomocą cewek magnetycznych było odpowiednio
skuteczne potrzeba wytworzyć bardzo silne pole magnetyczne - czyli przez cewki musi
popłynąć dość duży prąd elektryczny (pojawia się problem z indukcyjnością i pojemnością
cewek ograniczając zakres częstotliwości ich stosowania). Dlatego lampy z reguły mają układ
odchylania elektronów bazujący na wykorzystaniu pola elektrycznego.
Strumień elektronów uderza w ekran pokryty luminoforem (substancja przetwarzająca
energię kinetyczną elektronów na energię świetlną). Aby móc oglądać dwa przebiegi
równocześnie pojawiły się dwa rozwiązania: lampy dwustrumieniowe (w jednej bańce są dwa
systemy przyspieszająco-odchylające) lub elektroda rozdzielająca (dzieli strumień elektronów
na dwie wiązki  w pionie są dwa niezależne zestawy płytek odchylających, a w poziomie
zestaw jest wspólny dla obydwu wiązek).
3.2. Sondy pomiarowe:
Od układów pomiarowych wymaga się jak najwierniejszego odtworzenia mierzonego
sygnału. Zmiana parametrów badanego układu powinna być możliwie mała, a transport
sygnału powinien odbywać się bez zmian parametrów sygnału. Najprościej wykonać pomiar
za pomocą 2 przewodów (z których jeden jest połączony z wejściem oscyloskopowym, a
drugi z masą oscyloskopu) połączonych z badanym układem. Jednak ten sposób łączenia
badanego układu można stosować tylko w niewielkim zakresie pomiarów, jest on
ograniczony impedancjÄ… z
ródła, poziomem sygnału, częstotliwością. Chcąc uniknąć wpływu
zakłóceń zewnętrznych należy pomiary przeprowadzać z zastosowaniem przewodu
koncentrycznego, zakończonego odpowiednią sondą pomiarową. Sondy ze względu na
mierzony sygnał mogą dzielić się na napięciowe i prądowe. Większość pomiarów
5
oscyloskopowych dotyczy sygnałów napięciowych, dlatego wybrane sondy napięciowe
zostaną pokrótce scharakteryzowane.
Rozwiązania sond napięciowych można podzielić na 3 grupy: sondy bierne R, L, C, sondy
czynne (aktywne) oraz sondy demodulacyjne.
3.2.1. Sondy rezystorowe:
Najprostsza sonda rezystorowa 1X składa się z kabla współosiowego i grotu. Jeżeli taką
sondę wyposażymy dodatkowo w rezystor zastępczy 450 &! to wraz z rezystorem
wejściowym 50 &!, utworzy on dzielnik napięcia o stopniu podziału 10 (rys. 2) Rezystancja
charakterystyczna Z0 zastosowanego kabla powinna być równa rezystancji wejściowej R0
oscyloskopu. Wtedy (zgodnie z teorią linii transmisyjnych) na wejściu kabla widziana jest
tylko rezystancja R0.
1 pF
Oscyloskop
Z0=50 &!
450 &!
50 &!
Rys 2. Sonda rezystorowa 10X.
Zastosowanie kondensatora pozwala skompensować straty występujące w kablu (dla
szerokiego pasma częstotliwościowego). Sonda o podziale napięcia 1:100 ma rezystancję
wejściową 5000 &!. Rezystorowe sondy bierne charakteryzują się szerokim pasmem
przenoszenia i małą pojemnością wejściową (rzędu 1 pF). Sondy rezystorowe mogą
pracować tylko z oscyloskopami o rezystancji wejściowej 50 &!. Typowe parametry
rezystorowych sond biernych:
·ð tÅ‚umienie: 1:10 (1:100),
·ð rezystancja wejÅ›cowa 500 &! (5 k&!),
·ð pojemność wejÅ›ciowa 1 pF (1 pF),
·ð pasmo 0-3500 MHz (0-1400 MHz),
·ð czas narastania 100 ps (250 ps)
6
3.2.2. Sondy RC
Znacznie większą rezystancję wejściową uzyskuje się w sondach rezystorowych o
niezakończonym rezystancją charakterystyczną kablu. W sondach RC, przewód sondy jest
zakończony impedancją o wiele większą od swojej impedancji Z0. Przewód takiej sondy od
strony wejścia przedstawia dużą pojemność. Duża wartość rezystancji szeregowej sondy,
pojemności kabla i oscyloskopu stanowią dzielnik o bardzo wąskim paśmie pracy. Dla sond
1X, pasmo pracy to pojedyncze MHz. Lepsze parametry pracy uzyskuje siÄ™ w zondach z
podziałem 10X. dodatkowo poprawę charakterystyki częstotliwościowej można uzyskać
przez dołączenie kondensatora równolegle do rezystora szeregowego (rys. 3).
C1
Oscyloskop
R1
R0
C0
Rys. 3. Sondy typu RC.
Wierne odtworzenie impulsu wymaga spełnienia warunku R1C1=R0CZ. Na pojemność
zastępczą CZ składa się pojemność wejściowa oscyloskopu oraz pojemność kabla. Ponieważ
impedancja zastępcza nie jest ściśle określona, więc należy skompensować dzielnik poprzez
strojenie trymera dołączonego do końca przewodu sondy lub umieszczonego w korpusie
sondy. Sondę stroi się, doprowadzając do jej wejścia sygnał prostokątny z kalibratora
oscyloskopu (lub generatora impulsów). Przykładowe przebiegi sygnałów dla sondy
skompensowanej prawidłowo oraz nieskompensowanej przedstawiono na rys. 4.
Rys. 4. Przebiegi sygnałów testowych [z
r. RIGOL].
Kompensację należy przeprowadzać każdorazowo przy podłączeniu sondy do nowego
(innego) kanału pomiarowego. Sondy RC są przeznaczone do pracy z wysokoomowymi
wejściami oscyloskopowymi.
3.2.3. Sondy czynne
Sondy czynne, jak nazwa wskazuje zawierajÄ… elementy czynne (np. tranzystory,
tyrystory, układy scalone). Zastosowanie elementów czynnych powoduje konieczność
doprowadzenia do sony napięcia zasilającego. Sondy czynne zasilane są z odrębnego
zasilacza lub z oscyloskopu przez dodatkowe złącze. Zastosowanie elementów czynnych
umożliwia wzmocnienie badanego sygnału. Sondy czynne charakteryzują się małym
tłumieniem badanego sygnału, co czyni je dogodnym narzędziem do pomiarów sygnałów o
małej amplitudzie.
4. Opis wykonania ćwiczenia:
a) Zapoznanie siÄ™ z pomiarami oscyloskopowymi:
I. Podłączyć generator funkcyjny analogowy do multimetru oraz do oscyloskopu
analogowego. W tym celu do gniazda  output w generatorze podłączyć rozdzielacz i
sygnał doprowadzić jednocześnie do oscyloskopu (kabel BNC) oraz do multimetru
(kabel z przejściówką do podłączenia z multimetrem).
II. Ustawić częstotliwość 1 kHz oraz wybrać sinusoidalny typ sygnału. Przy pomocy
pokrętła oraz multimetru ustawić wartość napięcia na ok. 1 V (multimetr ma mierzyć
napięcie przemienne). Sprawdzić multimetrem generowaną częstotliwość.
III. Zapoznać się z panelem oscyloskopu  wybrać takie ustawienia, aby sygnał był dobrze
widoczny
IV. Sprawdzić na skali oscyloskopu, czy wartość napięcia pokrywa się z wartością podaną
na generatorze
V. Powtórzyć z wykorzystaniem oscyloskopu cyfrowego
VI. Powtórzyć z wykorzystaniem generatora cyfrowego
VII. Wygenerować inny sygnał na generatorze cyfrowym i sprawdzić ponownie na
oscyloskopie parametry podawanego sygnału (np. sygnał trójkątny przy częstotliwości
>100 kHz i amplitudzie kilku woltów lub sygnał prostokątny).
VIII. Sprawdzić poprawność skompensowania sondy oscyloskopowej.
IX. Na generatorze cyfrowym ustawić sygnał sinusoidalny o częstotliwości 50 Hz i napięciu
Vpp 5.00 V. Za pomocÄ… oscyloskopu cyfrowego i przewodu oscyloskopowego (sonda
8
1X), odczytać napięcie Vpp, dla nastaw (5.00, 2.00, 1.00, 0.500) V/Div. Odczytów
dokonywać automatycznie (funkcja measure) oraz za pomocą kursorów. Wyniki
zanotować w tabeli i porównać z wartością zadaną. Powtórzyć dla oscyloskopu
analogowego.
X. Porównanie dwóch sygnałów: Ustawić na obydwu generatorach taki sam sygnał (sinus,
1 kHz oraz 1 V). Podłączyć obydwa generatory do oscyloskopu cyfrowego (CH1 oraz
CH2). Nałożyć na siebie dwa sygnały i porównać ich amplitudę. Porównać dwa sygnały
prostokątne. Ponieważ w oscyloskopie cyfrowym sygnały zamieniane są na słowo
cyfrowe, można dokonywać na nich pewnych operacji matematycznych. Zobaczyć jak
będzie wyglądał sygnał będący sumą lub różnicą dwóch obserwowanych sygnałów. Do
tego celu służy  math menu oraz przyciski F1,F2 i F3.
XI. Dokonać pomiarów częstotliwości wskazanego przez prowadzącego układu.
b) Obsługa oscyloskopu cyfrowego przy pomocy komputera.
Podłączyć przy pomocy kabla USB oscyloskop cyfrowy do komputera. Ustawić dowolny
sygnał na generatorze cyfrowym (dowolna częstotliwość, amplituda oraz kształt). Uruchomić
program. Skomunikować ze sobą komputer oraz oscyloskop. Następnie zapisać pobrane dane
do pliku. Zapisać kilka różnych przebiegów (np. sinusoidalnego, trójkątnego,
piłokształtnego...).
c) Figury Lissajous
Gdy do obydwu gniazd oscyloskopu podłączymy sygnał sinusoidalny w zależności od
tego, jakie amplitudy mają poszczególne sygnały oraz jakie częstotliwości, przy przełączeniu
oscyloskopu w tryb XY (czyli wyłączenie domeny czasu na osi poziomej można uzyskać na
ekranie figury, których przykłady zamieszczone są poniżej:
9
Rysunki pochodzÄ… ze strony: http://cmf.p.lodz.pl/markras/animki/lisaju/lisaju.html
W zależności od tego jak dobierzemy stosunek jednego sygnału do drugiego, można
uzyskać koło (gdy stosunek częstotliwości obydwu sygnałów jest równy 1, a przesunięcie
fazowe wynosi 90º). Krzywe Lissajou pozwalajÄ… m.in. na to, aby zbadać (okreÅ›lić amplitudÄ™
czy częstotliwość) nieznanego sygnału, gdy znamy parametry innego sygnału (zazwyczaj
wykorzystujÄ…c do tego celu generator funkcyjny).
10
W celu obserwacji figur Lissajou podłączyć do oscyloskopu analogowego dwa
sygnały sinusoidalne o identycznych parametrach. Należy pamiętać, żeby przełączyć
oscyloskop w tryb  dual . Ponieważ zarówno częstotliwość jak i amplituda będą się różniły,
można spróbować dopasować przebiegi już na oscyloskopie. W tym celu na początku ustawić
taką samą częstotliwość (1 kHz) i na oscyloskopie sprawdzić czy obydwa sygnały się
pokrywają, a następnie delikatnie zmieniając wartość na generatorze cyfrowym postarać się
ustawić identyczną amplitudę. Gdy te sygnały będą wyglądały na identyczne przełączyć
oscyloskop w tryb X-Y (czyli pokrętło regulacji podstawy czasu przesunąć w skrajne lewe
położenie) i zaobserwować powstałe figury (można spróbować zmieniać amplitudę czy
częstotliwość i zobaczyć jak zmienia się otrzymany obraz). Ćwiczenie wykonać również na
oscyloskopie cyfrowym, a otrzymane przebiegi (figury) zapisać przy użyciu programu
komputerowego.
Dla testów można podłączyć do osi Y sygnał innego typu: trójkątny, piłokształtny.
Bardzo ciekawe efekty uzyskuje się z połączenia sygnału sinusoidalnego na osi poziomej i
szumu na osi pionowej.
11