POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT FIZYKI	SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA NR 51 Temat : Pomiary oscyloskopowe.
Morajko Oleg WYDZ. : IZ ROK : II	DATA : OCENA :

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z :

• budową,

• zasadą działania,

• zastosowaniami pomiarowymi oscyloskopu elektronicznego;

• metodami pomiaru różnicy faz, pomiaru częstotliwości przy pomocy oscyloskopu,

• zapoznanie z podstawowymi układami elektronicznymi takimi jak prostownik jedno- i dwupołówkowy,

• układ całkujący oraz różniczkujący.

Wstęp teoretyczny - zjawisko fizyczne

Oscyloskop elektroniczny jest uniwersalnym przyrządem laboratoryjnym służącym do obserwacji, rejestracji i pomiarów napięć elektrycznych zmieniających się w czasie. Podstawowym elementem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa. Ponadto w skład budowy oscyloskopu wchodzą : wzmacniacz odchylenia poziomego X i pionowego Y, generator podstawy czasu i urządzenie zasilające (Rys.1).

W_Y

Y Z ~220V

S

W_X O

O - lampa oscyloskopowa

Y - wzmacniacz odchylenia pionowego

X - wzmacniacz odchylenia poziomego

W_X ,W_Y - gniazdka wejściowe wzmacniaczy

G - generator podstawy czasu

Z - zasilacz (przewody zasilania oznaczono

linią przerywaną)

S - obwód synchronizacji

X G

Wzmacniacze X oraz Y służą do wzmacniania amplitudy badanych sygnałów w celu umożliwienia obserwacji i pomiarów nawet bardzo słabych sygnałów. Napięcia wyjściowe są przyłożone do odpowiednich par płytek odchylających lampy oscyloskopowej.

Generator podstawy czasu G służy do wytwarzania napięcia okresowo zmiennego o przebiegu piłokształtnym. Napięcie to podczas jednego okresu wzrasta proporcjonalnie do czasu, a następnie możliwie szybko opada.

Urządzenia zasilające oscyloskopu przetwarzają napięcie sieci na napięcie stałe, potrzebne do zasilania wzmacniaczy, generatora podstawy czasu i lampy oscyloskopowej.

Podstawowe zastosowania pomiarowe oscyloskopu elektronowego :

• obserwacja przebiegów napięciowych o różnym kształcie i pomiar napięć,

• pomiar czasu i częstotliwości,

• pomiar różnicy faz dwu przebiegów,

• badanie układów przekształcających przebiegi ( np. układów różniczkujących i całkujących ),

• badanie charakterystyk prądowo - napięciowych elementów elektronicznych ( diod, tranzystorów).

Przyrządy pomiarowe

W ćwiczeniu wykorzystano następujące przyrządy pomiarowe :

• oscyloskop dwukanałowy OS 9020G

• generator funkcyjny G 432

• przesuwnik fazowy RPF 02

• prostownik jedno- i dwupołówkowy

• układ różniczkujący

• układ całkujący

Przebieg ćwiczenia

Obserwacja i pomiar napięcia przemiennego.

W tym celu dołączyliśmy generator funkcyjny, który wytwarza odpowiednio napięcia sinusoidalne, prostokątne i piłokształtne ( trójkątne ).

• sinusoidalny

wartość amplitudy A = 1dz = 1 cm

- zakres generatora podstawy czasu

T_odczyt = t₂ - t₁ = 1.6 [cm] - odczytany z wykresu okres przebiegu

stąd T = T_odczyt * T_x = 1.6 * 2 = 3.2 [ms]

• prostokątny

wartość amplitudy A = 1dz = 1 cm

częstotliwość przebiegu : T = 3.2 [ms] oraz f = 312.5 [Hz]

• piłokształtny

wartość amplitudy A= 0.2 [cm]

częstotliwość przebiegu T = 1.2 cm * 2 [ms/cm] = 2.4 [ms] skąd f = 416.7 [Hz ]

Podstawą działania wielu układów elektronicznych są procesy ładowania i rozładowania kondensatora przez rezystancję. Obserwację takich procesów na ekranie oscyloskopu można przeprowadzić korzystając z układu jak na poniższym rysunku .

Schemat układu różniczkującego, złożony z kondensatora C i rezystora R :

A I A'

C

U R U₁

B B'

Do zacisków AA^' doprowadza się impulsy sinusoidalne o amplitudzie U₀ , a zaciski BB^' łączy się z wejściem wzmacniacza Y. W wyniku powstają impulsy zdeformowane, w których część narastająca odpowiada procesowi ładowania, a część opadająca - procesowi rozładowania kondensatora C przez rezystor R. Szybkość narastania lub opadania napięcia na kondensatorze zależy od wartości iloczynu RC, tzw. stałej czasowej obwodu τ. Dla dostatecznie małych wartości R i C napięcie wyjściowe U₁(t) jest proporcjonalne do pochodnej dU/dt napięcia wejściowego :

gdzie Q - ładunek zgromadzony na kondensatorze C,

U_c - napięcie między okładkami kondensatora.

Dla małych wartości R i C, U₁<< U, U_c ≅ U :

W ćwiczeniu na wejście układu podano napięcia sinusoidalne, prostokątne i piłokształtne. Otrzymane przebiegi przedstawiono na wykresach

Obserwacja i pomiar napięcia przemiennego na wyjściu układu prostowania jedno- i dwupołówkowego.

Schemat układu prostowniczego z filtrem RC wygładzającym tętnienia przedstawia poniższy rysunek :

D₁

| | WY

~220 C₁ C₂ R₁ R₂

| |

D₂

gdzie :

D₁, D₂ - diody krzemowe,

C₁, C₂ - kondensatory filtrujące,

R₁, R₂ - rezystory obciążenia

Wpływ elementów R i C na wartość napięcia tętnień oraz odpowiednie wykresy podano w

Pomiar częstotliwości napięcia przemiennego przy pomocy figur Lissajous

Pomiar częstotliwości polega na podaniu na płytki X sygnału z generatora o znanej częstotliwości, a na płytki Y sygnału o czestotliwosci szukanej. Częstotliwość na kalibrowanym generatorze ustawiamy tak, aby uzyskać stałą figurę na ekranie. Częstotliwość wyznaczamy ze wzoru:

gdzie :

m­_y -liczba przecięć wykresu z osią Y,

m_x - liczba przecięć wykresu z osią X,

f _v - znana częstotliwość,

f_x - szukana częstotliwość.

Odczyty z przyrządów pomiarowych :

f_v = 100 Hz * 2.7 = 270 Hz - częstotliwość generatora funkcji G 432

f_x = 0.9 * 100 Hz = 90 Hz - częstotliwość generatora podstawy czasu

Z wykresu

m_y = 1, n_x = 3

Dla drugiego wykresu

f_v = 200 Hz

m = 2; n = 4

stąd : f_x = 100 Hz

Pomiar przesunięcia fazowego

Aby zmierzyć różnice faz dwu przebiegów sinusoidalnych należy podać dwa przebiegi o jednakowych amplitudach i częstotliwościach. Na ekranie otrzymujemy prosta elipsę albo koło. Przesunięcie fazowe obliczamy ze wzoru:

, a- amplituda na osi Y, b - maksymalna amplituda wartości funkcji

ϕ - różnica faz

W wyniku złożenia przebiegów sinusoidalnych o jednakowej częstotliwości na ekranie pojawia się obraz :

• elipsy - dla przebiegów różniących się w fazie (wykres )

a = 1.6 * 2 = 3.2 cm

b = 2 * 2 = 4 cm

sinϕ = 0.8

• koła - różnica faz ϕ = π/2 (wykres)

Wnioski

Oscyloskop służy do obserwacji przebiegów napięć w zależności od czasu U(t). Nie należy go jednak stosować do dokładnego pomiaru napięć, a jedynie do orientacyjnego. Układy wejściowe, a zwłaszcza wzmacniacze X i Y oraz generator podstawy czasu są elementami odbiegającymi od idealnie liniowych, co wprowadza dość znaczne błędy pomiarowe.

Oscyloskop jest urządzeniem bardzo przydatnym w pracowni zajmującej się elektroniką analogową, ponieważ umożliwia obserwację okresowych sygnałów pojawiających się w obwodach analogowych. Przy pomiarze zwykłym oscyloskopem błąd przekracza kilka procent, nie ma sensu zaś rozpatrywanie wielkości plamki.

1

---