Cel cwiczenia:
Celem cwiczenia jest nabycie umiejetnosci poslugiwania sie oscyloskopem w celu obserwacji i pomiar�w czestotliwosci i poziom�w napiec ze szczeg�lnym uwzglednieniem r�znych metod pomiarowych. Celem jest takze obycie sie z podstawowymi elementami i ukladami elektronicznymi.
Wstep teoretyczny:
Budowa oscyloskopu elektronicznego.
Oscyloskop elektroniczny jest urzadzeniem umozliwiajacym obserwacje zmian napiecia elektrycznego w funkcji czasu, lub w funkcji zmian innego wejsciowego napiecia elektrycznego. Podstawowym elementem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa. Lampa taka jest zbudowana ze szklanej banki z ekranem, na kt�ry naniesiony jest od wewnatrz luminofor - substancja, kt�ra bombardowana przez elektrony emituje swiatlo widzialne. Elektrony bombardujace ekran emitowane sa przez rozgrzana katode i formowane w waski strumien i przyspieszane przez cylinder Wenhelta i dwie anody. Tak uformowany strumien pada na sam srodek ekranu i powoduje powstanie swiecacego punktu. Przez odpowiednie odchylenie wiazki elektron�w mozemy ten punkt umiescic w dowolnym miejscu na ekranie. Odchylanie takie umozliwiaja dwie pary plytek - r�wnolegle ustawionych - tworzacych kondensator pr�zniowy. Jedna para ustawiona jest poziomo i realizuje odchylanie pionowe, a druga ustawiona jest pionowo i realizuje odchylanie poziome. Poprzez przylozenie odpowiedniego napiecia do plytek mozemy dowolnie odchylac wiazke elektron�w we wszystkich kierunkach na plaszczyznie. Czesc elektroniczna oscyloskopu sklada sie z szeregu wzmacniaczy elektronicznych formujacych napiecie wejsciowe Y podawane nastepnie na plytki odchylania pionowego. Kazdy oscyloskop posiada takze tzw. generator podstawy czasu, kt�ry generuje - wyzwalany zewnetrznie lub wewnetrznie przez sygnal wejsciowy Y - przebieg piloksztaltny. Przebieg taki podawany jest na plytki odchylania poziomego i symuluje uplyw czasu, dzieki czemu mozliwa jest obserwacja przebieg�w szybkozmiennych (przez nakladanie sie kolejnych przebieg�w). Dzieki duzym czestotliwosciom drgan generatora pily, przewyzszajacym bezwladnosc oka ludzkiego, obserwowany przebieg wydaje sie byc wykresem wartosci chwilowych napiecia w funkcji czasu. Mozliwe jest takze podanie na plytki zewnetrznego dowolnego sygnalu, dzieki czemu mozliwe jest por�wnywanie faz i czestotliwosci dw�ch r�znych przebieg�w za pomoca tzw. figur Lissajous. Na ekranie powstaja wtedy figury rozmaitych ksztalt�w, a stosunek liczby przeciec wykresu z osia OY do liczby przeciec z osia OX okresla nam stosunek czestotliwosci
.
Uklad calkujacy.
Jest - obok ukladu r�zniczkujacego najczesciej stosowanych ukladem w elektronice. Realizuje funkcje matematyczna calkowania. Napiecie wyjsciowe takiego ukladu jest po prostu napieciem ladujacego, badz rozladowujacego sie kondensatora. Najkr�cej mozna powiedziec, ze spowalnia szybkie zmiany napiecia, lub inaczej - obcina skladowe harmoniczne przebiegu wejsciowego wyzsze niz pewna czestotliwosc graniczna. Jest to podstawowy uklad filtru dolnoprzepustowego o zboczu 6dB na oktawe.
Uklad r�zniczkujacy.
Realizuje funkcje matematyczna r�zniczkowania. Napiecie wyjsciowe tego ukladu jest proporcjonalne do pradu ladujacego badz rozladowujacego sie kondensatora. Obcina skladowe harmoniczne przebiegu wejsciowego o czestotliwosci nizszej niz tzw. czestotliwosc graniczna ukladu. Jest stosowany jako filtr g�rnoprzepustowy o zboczu 6dB na oktawe.
Oba te uklady cechuja sie pewna wielkoscia zalezna od wartosci zastosowanych element�w. Jest nia tzw. stala czasowa , wyrazona w sekundach i bedaca iloczynem rezystancji i pojemnosci.
Generator funkcji.
Realizuje funkcje zr�dla przebieg�w sinusoidalnych, prostokatnych i tr�jkatnych w szerokim zakresie czestotliwosci i amplitud. Zastosowany w cwiczeniu przyrzad dostarczal ww. przebieg�w w pasmie 20Hz - 20 kHz i zakresie napiecia 0 - 10V.
Przebieg pomiar�w:
Spis i objasnienia rysunk�w i wykres�w:
Obserwacja i pomiar napiecia przemiennego:
a) Przebieg prostokatny
b) Przebieg tr�jkatny
c) Przebieg sinusoidalny
Obserwacja i pomiar napiecia przemiennego na wyjsciu ukladu r�zniczkujacego:
a) Przebieg prostokatny
b) Przebieg tr�jkatny
c) Przebieg sinusoidalny
Obserwacja i pomiar napiecia przemiennego na wyjsciu ukladu prostowania jedno i dwupol�wkowego z ukladem calkujacym:
a) Prostowanie jednopol�wkowe
Zaleznosc napiecia tetnien od wartosci element�w zastosowanych w filtrze.
|
brak obciazenia |
obciazenie R |
obciazenie 4R |
brak kondensatora |
10V |
10V |
10V |
kondensator C |
0V |
10V |
6V |
kondensator 10C |
0V |
5V |
2V |
b) Prostowanie dwupol�wkowe
Zaleznosc napiecia tetnien od wartosci element�w zastosowanych w filtrze.
|
brak obciazenia |
obciazenie R |
obciazenie 4R |
brak kondensatora |
10V |
10V |
10V |
kondensator C |
0V |
8 |
4V |
kondensator 10C |
0V |
3 |
0.8V |
Pomiar czestotliwosci przy pomocy figur Lissajous (dla przebiegu wzorcowego sin 50Hz).
W celu por�wnania czestotliwosci nalezy policzyc ile maksymalnie razy wykres figury Lissajous przecina os OX (nx) i os OY (ny). Przy znanej jednej z czestotliwosci wejsciowych mozna latwo obliczyc druga ze wzor�w:
a) Czestotliwosci jednakowe
b) Stosunek czestotliwosci 2
c) Stosunek czestotliwosci 1.5
Wnioski
Oscyloskop elektroniczny umozliwia pomiar napiec zmiennych w czasie zar�wno pod wzgledem poziom�w tych napiec, jak i zaleznosci u(t).
Uklad r�zniczkujacy powoduje wyciecie z podanego na wejscie przebiegu elektrycznego skladowych o czestotliwosci nizszej niz czestotliwosc graniczna danego ukladu - zalezna od zastosowanych element�w. Uklad r�zniczkujacy wycina takze skladowa stala, tzn. stala wartosc napiecia. Inaczej m�wiac nie przepuszcza pradu stalego.
Jak widac z wykres�w i tabel prostowanie dwupol�wkowe jest bardziej ekonomiczne, niz jednopol�wkowe, z uwagi na znacznie mniejsza wartosc napiecia tetnien przy zastosowaniu tego samego ukladu filtracji. Uklad filtracji to w zasadzie uklad calkujacy napiecie. Prostowanie dwupol�wkowe wymaga jednak zastosowania dwukrotnie wiekszej ilosci element�w prostujacych (np. diod p�lprzewodnikowych). Dla transformatora symetrycznego potrzeba dw�ch diod, a niesymetrycznego - 4 (tzw. mostka Greatz'a). Napiecie tetnien asymptotycznie dazy do zera, przy pojemnosci kondensatora C zdazajacej do nieskonczonosci i obciazeniu zdazajacym do zera (rezystancji do nieskonczonosci).
Pomiar czestotliwosci przy pomocy figur Lissajous to bardzo dokladna metoda, zalezna niestety od wzorca. W tym cwiczeniu wzorcem byl przebieg sinusoidalny pochodzacy z sieci energetycznej 50Hz. Przy por�wnywaniu jednakowych czestotliwosci i r�znych faz mozna wyznaczyc wartosc przesuniecia fazowego z samego ksztaltu elipsy (lub okregu dla f=0). W obecnych czasach pomiar za pomoca figur Lissajous jest wykonywany bardzo rzadko z uwagi na istnienie nowoczesnych metod pomiarowych za pomoca czestosciomierzy i fazomierzy cyfrowych.