ĆWICZENIE 12.
POMIARY OSCYLOSKOPEM
Kursywą oraz * zaznaczono rozszerzony program ćwiczenia
Pomiary napięcia
Pomiary prÄ…du
Pomiary częstotliwości
Pomiary przesunięcia fazowego
Wizualizacja pętli histerezy materiału magnetycznego
Opracowanie sprawozdania.
Pomiary wartości napięć i prądów za pomocą oscyloskopu analogowego są zawsze obarczone
dużą niepewnością. Jest to, przede wszystkim, związane z trudnością dokładnego odczytu
liczby działek na ekranie, ale również z nieokreślony błędem kalibracji wzmacniaczy. Jednak
oscyloskopy, mimo tego, są często stosowane do szacunkowych pomiarów podczas prac
serwisowych czy naprawczych urządzeń elektrycznych i elektronicznych.
Oscyloskopem można mierzyć zarówno napięcia jak i przemienne, należy tylko się upewnić
czy wzmacniacz jest właściwie przełączony w pozycję DC dla pomiaru napięć stałych.
Napięcia przemienne natomiast można mierzyć zarówno w pozycji DC jak i AC.
y [dz]
x [dz]
x [dz]
Napięcie stałe na ekranie oscyloskopu jest obrazowane jako pozioma linia i aby wyznaczyć
jego wartość trzeba najpierw określić położenie linii dla zerowej wartości napięcia. Można w
tym celu przełączyć wzmacniacz na pozycję GND, lub po prostu odłączyć przewód od
wejścia wzmacniacza. Następnie przełączyć wzmacniacz na pozycję DC, podłączyć napięcie
mierzone i odczytać pozycję y linii w działkach.
Mierząc przemienne napięcie sinusoidalne odczytuje się jego wartość amplitudy, czyli
wartość maksymalną. Nie trzeba w tym przypadku wyznaczać pozycji zerowej linii napięcia
na ekranie, gdyż wystarczy zmierzyć odległość x pomiędzy szczytami, która jest równa
podwójnej amplitudzie. Najłatwiej to wykonać przy wyłączonej podstawie czasu
oscyloskopu, czyli przełączeniu go w tryb pracy Y-X. Na ekranie pojawia się wówczas ślad
napięcia w postaci pojedynczej pionowej linii, której długość, w działkach można łatwo
określić.
Pozostaje jeszcze przeliczenie wartości napięć, wyrażonych w działkach, na jednostki
napięcia (wolty). Trzeba w tym celu odczytać pozycję c gałki regulującej wzmocnienie
wzmacniacza, która opisana jest w woltach na działką [V/div] i pomnożyć przez liczbę
działek określających wartość napięcia.
U [V] = c [V/div] * x [div]
Należy zwrócić uwagę na to, czy wzmacniacz oscyloskopu ma również pokrętło
umożliwiające płynną regulację wzmocnienia. Jeżeli ma, to przed odczytem liczby działek
należy pokrętło to ustawić w pozycji największej czułości oscyloskopu. Pozycja ta zwykle
jest opisana symbolem CAL (od kalibracja) i wartość stałej c jest ważna tylko w tej pozycji.
1. Pomiar wartości szczytowej napięcia
Należy przyłączyć wyjście generatora do wejścia Y oscyloskopu, za pomocą kabla
koncentrycznego. Ekran kabla służy jako przewód masy, pokazany na rysunku 12.1.
Oscyloskop
Y2
Y1
Rys. 12.1
Generator
Ustawić generator na częstotliwość około 1000 Hz i napięcie sinusoidalne. Ustawić
wzmocnienie wzmacniacza i częstotliwość generatora podstawy czasu tak aby na ekranie
pojawiły się nieruchome dwa lub trzy okresy sinusoidy o podwójnej amplitudzie sięgającej
2/3 ekranu.
Odczytać wartość amplitudy x w działkach i nastawę pozycji c regulującej wzmocnienie
oscyloskopu. Zapisać wartości w tabelce i obliczyć amplitudę napięcia U w woltach.
x [dz] c [V/div] U [V]
Bezpośredni pomiar wartości prądu za pomocą oscyloskopu nie jest możliwy. Aby jednak
skorzystać z oscyloskopu do pomiaru prądu trzeba użyć bocznika, którym może być, w
praktyce, dowolny rezystor o dokładnie znanej wartości rezystancji.
Jeżeli z
ródło napięcia zasilające obwód, którego prąd będzie mierzony, jest niesymetryczne
tzn. jeden z jego biegunów jest połączony z masą, wówczas bocznik powinien być tak
umieszczony aby jedna z jego końcówek była przyłączona do tego punktu (masy).
Przy przyłączeniu oscyloskopu tak jak pokazano na rysunku 12.2 (masa wejścia Y do
końcówki bocznika połączonej z masą) na oscyloskopie można odczytać wartość napięcia U,
które jest równe I*R. Dzieląc wartość napięcia, wyrażoną w woltach, przez znaną wartość
rezystancji w omach, uzyskuje się wartość prądu I w amperach.
Autotransformator
Żarówk
i
12V/
25W
U=I*R
I
Transformator
bezpieczeństwa
BOCZNIK
R
Oscyloskop
Rys. 12.2
Y2
Y1
2. Pomiar prÄ…du
Połączyć układ wg rysunku 12.2 wykorzystując transformator bezpieczeństwa jako z
ródło
napięcia przemiennego, dwie żarówki 12 V połączone w szereg jako obciążenie, oraz bocznik
o rezystancji 1 &!. Ustawić wzmocnienie wzmacniacza i częstotliwość generatora podstawy
czasu oscyloskopu, tak aby na ekranie pojawiły się nieruchome dwa lub trzy okresy sinusoidy
o podwójnej amplitudzie sięgającej 2/3 ekranu.
Podobnie jak w p.1 odczytać wartość amplitudy x w działkach i nastawę pozycji c regulującej
wzmocnienie oscyloskopu. Zapisać wartości w tabelce i obliczyć amplitudę napięcia U w
woltach, a następnie podzielić przez wartość rezystancji bocznika i obliczyć amplitudę prądu
I. Wartości i wyniki zapisać w tabelce.
x [dz] c [V/div] U [V] I [A]
* Za pomocą oscyloskopu można dokładnie zmierzyć wartość częstotliwości przebiegów
przemiennych stosując metodę krzywych Lissajeux, ale wymaga to użycia wzorcowego
generatora o przestrajanej częstotliwości.
Jeżeli generator taki nie jest dostępny można, chociaż mało dokładnie, zmierzyć częstotliwość
przebiegu korzystajÄ…c z kalibrowanego generatora podstawy czasu oscyloskopu.
Mierząc np. dystans x pomiędzy szczytami sinusoidy w działkach ( Rys. 12.2) a następnie
mnożąc przez stałą kalibracji generatora podstawy czasu c [s/div] można wyznaczyć wartość
okresu T sinusoidy i następnie obliczyć wartość częstotliwości.
T [s]= x[div]Å" c[s / div]
1
f [Hz]=
T
Wynik takiego pomiaru nie jest dokładny, gdyż
zazwyczaj rzeczywista wartość stałej kalibracji
x [dz]
generatora podstawy czasu c nie jest znana. Generator
bowiem dostrajany jest automatycznie do częstotliwości
przebiegu przez układ synchronizacji, co ma wpływ na
prędkość ruchu plamki świetlnej na ekranie.
Rys. 12.2
3. * Pomiar częstotliwości
Korzystając z układu do pomiaru prądu ( rys.12.2 )wyznaczyć odległość pomiędzy dwoma
sąsiednimi szczytami przebiegu w działkach. Odczytać stałą kalibracji generatora podstawy
czasu c [s/div]. Wstawić wartości do tabelki i obliczyć kolejno okres T i częstotliwość f
przebiegu.
x [dz] c [s/div] T [s] f [Hz]
Przebiegi sinusoidalne o tej samej częstotliwości mogą być przesunięte względem siebie w
czasie. Na przykład prąd w obwodzie zawierającym indukcyjności lub pojemności jest
przesunięty w fazie względem napięcia zasilającego. Ponieważ funkcja sinus, która opisuje
takie przebiegi, jest funkcją kąta więc względne przesunięcie w czasie odpowiada pewnemu
kÄ…towi Õ, który nazywany jest kÄ…tem przesuniÄ™cia fazowego, co pokazano na rysunku 12.3.
Kąt przesunięcia fazowego pomiędzy dwoma przebiegami sinusoidalnymi można zmierzyć za
pomocą oscyloskopu, przełączonemu w tryb pracy X-Y. Układ połączeń obwodu do pomiaru
przesunięcia fazowego pomiędzy prądem i napięciem przedstawia rysunek 12.4.
U , UY
X
Õ
t
Rys. 12.3
T = 2Ä„ = 360o
Na wejście wzmacniacza X podane zostało napięcie U zasilające obwód R-L, a na wejście Y
napięcie na oporniku R, które jest w fazie z prądem I obwodu.
Na ekranie oscyloskopu pojawia się elipsa, pokazana na rysunku 12.5, z wymiarów której
można wyznaczyć kąt przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem U a prądem I.
Elipsę należy wycentrować względem środka ekranu. Najłatwiej wykonać to wyłączając
kolejno napięcia z obu wejść i przesuwając linie, które wówczas się pojawią na środek
ekranu.
Oscyloskop
L
I
U
R
Y X
Rys. 12.4
Y
X
0 a
A
Rys. 12.5
4. Pomiar przesunięcia fazowego
Połączyć układ wg rysunku 12.4. Jako z
ródło napięcia przemiennego zastosować generator
przebiegów sinusoidalnych. Ustalić częstotliwość generatora na ok. 1000 Hz i maksymalną
amplitudę napięcia wyjściowego. Jako rezystor R wykorzystać opornicę dekadową ustawioną
na wartość 1000 &!.
Następnie odczytać w działkach długość odcinków a i A i obliczyć sinus kąta przesunięcia
fazowego ze wzoru:
a
sin Õ =
A
a następnie wartość kąta fazowego z funkcji odwrotnej (arcsinus) w stopniach. Należy
zwrócić uwagę na ustawienie kalkulatora, gdyż wynik funkcji arcsinus może być wyświetlony
w radianach. W takim przypadku należy przeliczyć radiany na stopnie, wiedząc że 2Ą
radianów odpowiada 360o. Wyniki zapisać w tabelce:
a [dz] A [dz]
sinÕ Õ [o ]
Wszystkie materiały ferromagnetyczne poddane działaniu pola magnetycznego o zmiennym
natężeniu H wykazują nieliniową charakterystykę magnesowania. Indukcja B w
ferromagnetyku najpierw rośnie szybko wraz ze wzrostem natężenia pola, potem wolniej, aż
wreszcie nie rośnie wcale, czyli ferromagnetyk się nasyca. Jeżeli z kolei natężenie pola maleje
to indukcja zmniejsza się, ale inaczej niż poprzednio. Skutkuje to tym, że cała charakterystyka
magnesowania ma kształt nieliniowej pętli, zwanej pętlą histerezy, pokazaną na rysunku 12.6.
B [T]
H[A/m]
Rys. 12.6
Powierzchnia wewnątrz pętli obrazuje straty energii w materiale ferromagnetycznym za jeden
cykl przemagnesowania. Wielkość tych strat jest istotna gdyż zależy od nich sprawność
transformatorów energetycznych.
Pętlę histerezy próbki materiału ferromagnetycznego można obserwować na ekranie
oscyloskopu, wykorzystując układ pomiarowy jak na rysunku 12.7.
Oscyloskop
Próbka
ferromagnetyku
U
Układ
Y X
całkujący
Bocznik
I
Rys. 12.7
Próbkę materiału ferromagnetycznego umieszcza się pomiędzy dwoma uzwojeniami
tworzącymi transformator. Prąd płynący ze z
ródła zasilania wytwarza w uzwojeniu
pierwotnym transformatora pole magnetyczne, którego natężenie H jest proporcjonalne do
natężenia prądu. Na boczniku włączonym w obwód tego prądu pojawia się więc napięcie
proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego. Napięcie to podawane jest na wzmacniacz
X oscyloskopu.
Z kolei napięcie U na uzwojeniu wtórnym transformatora jest proporcjonalne do pochodnej
indukcji dB/dt . Aby uzyskać sygnał proporcjonalny do indukcji B należy zatem napięcie to
scałkować. Można w tym celu wykorzystać prosty układ filtru dolnoprzepustowego o
odpowiednio dobranych parametrach. Napięcie wyjściowe filtru podane jest następnie na
wejście wzmacniacza Y oscyloskopu.
Na ekranie pojawi się zatem sygnał proporcjonalny do indukcji B na osi Y i sygnał
proporcjonalny do natężenia pola magnetycznego H na osi X, czyli zostanie wykreślona
krzywa histerezy magnesowania próbki.
5. * Obserwacja charakterystyki w układzie Y  X na przykładzie krzywej histerezy
magnesowania
Połączyć układ wg rysunku 12.7 wykorzystując transformator bezpieczeństwa jako z
ródło
napięcia przemiennego oraz bocznik 1 &! . Jako próbkę materiału ferromagnetycznego
wykorzystać transformator separacyjny a do jego wyjścia ( uzwojenia wtórnego) przyłączyć
układ całkujący.
Przełączyć oscyloskop w tryb pracy X  Y. Dobrać wzmocnienia wzmacniaczy oscyloskopu
tak aby uzyskać czytelny wykres pętli histerezy na ekranie.
Naszkicować uzyskany kształt pętli.
Aparatura:
1. Oscyloskop
2. Generator funkcyjny
3. Autotransformator
4. Transformator bezpieczeństwa
5. Żarówki
6. Bocznik
7. Cewka indukcyjna
8. Opornica dekadowa
9. Transformator
10. Układ całkujący