Spis Treści

1. Cel wykonania ćwiczenia……………………………………………………. 2 str.

   1. Przeznaczenie oscyloskopu………………………………………………. 2 str.

   2. Rodzaje oscyloskopów……………………………………………………. 2 str.

   3. Pomiary wielkości elektrycznych…………………………………………. 3 str.

Pomiar okresu, częstotliwości…………………………………………….. 3 str.

Pomiar wartości amplitudy……………………………………………….. 4 str.

Pomiar wartości międzyszczytowej………………………………………. 4 str.

Pomiar wartości skutecznej ………………………………………………. 4 str.

1. Przebieg ćwiczenia…………………………………………………………… 4 str.

   1. Pomiar przebiegu sinusoidalnego o częstotliwości sygnału 50 Hz………. 5 str.

   2. Pomiar przebiegu sinusoidalnego o częstotliwości sygnału 600 Hz……… 6 str.

   3. Pomiar przebiegu sinusoidalnego o częstotliwości sygnału 3 kHz……….. 7 str.

2. Opracowanie wyników pomiarowych………………………………………. 8 str.

3. Wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia……………………………………. 9 str.

4. Literatura…………………………………………………………………… 10 str.

5. Protokół

1. Cel wykonania ćwiczenia.

Celem ćwiczenia „Pomiary parametrów przebiegu sinusoidalnego za pomocą oscyloskopu” było zapoznanie się z budową oscyloskopu elektronicznego oraz nauczenie się korzystania z oscyloskopu jako przyrządu pomiarowego. Dzięki oscyloskopom otrzymane wyniki pomiarów zostają przedstawione na ekranie urządzenia, co umożliwia nam dokładniejszą obserwację badanego zjawiska. Do dyspozycji mieliśmy jeden oscyloskopy oraz generatory funkcji za pomocą, którego generowaliśmy przebiegi sinusoidalne i obserwowaliśmy ich wykresy na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym oscyloskopu. W oparciu o ustawione przez prowadzącego na generatorze funkcji wartości częstotliwości oraz amplitudy należało wyznaczyć podstawowe parametry przebiegów: okres, częstotliwość, amplitudę, napięcie międzyszczytowe oraz wartość skuteczną. Zaobserwowany przebieg sinusoidalny należało dokładnie przerysować i umieścić wraz z obliczeniami w sprawozdaniu z cwiczenia.

1. Przeznaczenie oscyloskopu.

Oscyloskop jest uniwersalnym przyrządem pomiarowym, stosowanym do obserwacji odkształconych przebiegów elektrycznych i pomiaru ich parametrów używanym w pracach badawczych, laboratoryjnych, naprawach, strojeniu i kalibracji wszelkiego rodzaju urządzeń elektronicznych. Oscyloskop jest przyrządem stosowanym najczęściej do obserwacji na ekranie przebiegu napięcia w funkcji czasu. Poza tym stosowany może być do pomiaru napięcia, prądu, czasu, częstotliwości, kąta przesunięcia fazowego, mocy, wyznaczania charakterystyk diod i tranzystorów i badania wielu innych elementów.

1.2 Rodzaje oscyloskopów, podstawowe parametry.

Produkowane dawniej jak i obecnie oscyloskopy można podzielić na grupy:

- oscyloskopy analogowe,

- oscyloskopy z lampą pamiętającą,

- oscyloskopy próbkujące,

- oscyloskopy cyfrowe.

Ponadto oscyloskopy można podzielić pod względem:

- ilości wejść na jedno i wielokanałowe,

- obserwowanego ekranu na lampowe i ciekłokrystaliczne.

Podstawowe parametry oscyloskopu

- częstotliwość pracy

- czułość napięciowa [mV/dz]

- podstawa czasu [s/dz]

Najbardziej charakterystycznym jednak podziałem oscyloskopów jest podział na analogowe i cyfrowe. Podstawową różnicą pomiędzy tymi oscyloskopami jest sposób utrwalania przebiegu wejściowego. W oscyloskopie analogowym obraz jest bezpośrednio prezentowany na ekranie lampy i tym samym może być obserwowany tylko przez czas ekspozycji, natomiast w oscyloskopie cyfrowym próbki przebiegu są zapamię­tywane w pamięci półprzewodnikowej, zatem mogą być przekazane do układu wyświetlania niezależnie od czasu akwizycji sygnału. Oczywiście w podstawowym trybie pracy oscyloskopu cyfrowego (tzw. pracy ciągłej) przebieg jest prezentowany bezpośrednio po zebraniu takiej liczby próbek, żeby zapełnić jeden ekran (dokład­niej chodzi tu o zebranie liczby próbek odpowiadającej rozmiarowi rekordu zobrazowania, zazwyczaj mniejsze­go od rozmiaru całej pamięci). Wzgląd na przyzwyczajenia użytkowników powoduje, że panel czołowy oscylo­skopu cyfrowego często przypomina odpowiedni panel oscyloskopu analogowego. Wiele elementów regulacyj­nych na panelu czołowym spełnia analogiczne funkcję w obu oscyloskopach pomimo, że są realizowane w technice analogowej lub cyfrowej. Stąd, z punktu widzenia użytkownika, obsługa oscyloskopu (rozumiana jako funkcje przycisków i pokręteł na panelu czołowym) jest podobna dla oscyloskopu cyfrowego i analogowe­go. Wrażenie łatwiejszej obsługi oscyloskopu cyfrowego powstaje dzięki zobrazowaniu znaczenia funkcji na ekranie i możliwości automatycznego doboru ustawień oscyloskopu do charakteru przebiegu wejściowego.

3. Pomiary wielkości elektrycznych

Rys. 1 Poglądowy przebieg sinusoidalny

Oznaczenia:

Um - amplituda przebiegu,

Upp - międzyszczytowa wartość napięcia,

T – okres przebiegu

Pomiar okresu, częstotliwości

Pomiar częstotliwości przez pomiar okresu wymaga ustawienia pokrętła płynnej regulacji podstawy czasu w pozycję wybrania takiej pozycji przełącznika skokowej regulacji podstawy czasu, aby na ekranie wystąpiła jak najmniejsza liczba okresów, jednak nie mniejsza niż jeden okres.

Okres badanego przebiegu określa się ze wzoru:

T=Pt*l

gdzie:

T – okres obliczony w oparciu o oscylogram

Pt – wartość współczynnika podstawy czasu w μs, ms lub s.

l – długość okresu w działkach odczytana z oscylogramu

Częstotliwość badanego przebiegu określa się ze wzoru:

$$\mathbf{f =}\frac{\mathbf{1}}{\mathbf{Pt*l}}$$

gdzie:

l – odczytana z ekranu oscyloskopu długość w cm odcinka odpowiadająca okresowi badanego przebiegu.

Pt – wartość współczynnika podstawy czasu w μs, ms lub s.

Za pomocą oscyloskopu można zmierzyć amplitudę U_m lub wartość międzyszczytową U_pp obserwowanego przebiegu. W przypadku pomiaru napięcia sinusoidalnego najdogodniej jest zmierzyć wartość międzyszczytową przebiegu. W tym celu za pomocą pomocniczej skali oscyloskopu określa się w centymetrach (lub w działkach) długość pionowego odcinka l pomiędzy punktami maksymalnego dodatniego i ujemnego odchylenia przebiegu (z ewentualnym uwzględnieniem tłumienia sondy - jeśli w pomiarze była wykorzystywana). Pomiędzy amplitudą U_m, wartością międzyszczytową U_pp oraz wartością skuteczną U_obl występują następujące zależności :

Pomiar wartość amplitudy

Um=Cy * l

gdzie:

Um – amplituda przebiegu obliczona w oparciu o oscylogram

Cy – stała podziałki wejścia Y

l – długość amplitudy w działkach odczytana z oscylogramu

Pomiar wartość międzyszczytowa napięcia

Upp = 2 * Um

gdzie:

Upp – międzyszczytowa wartość napięcia obliczona w oparciu o oscylogram.

Pomiar wartość skuteczna napięcia

$$\mathbf{Uobl =}\frac{\mathbf{\text{Um}}}{\sqrt{\mathbf{2}}}\backslash n$$

Uobl – obliczona wartość napięcia skutecznego

1. Przebieg ćwiczenia

Do wykonania ćwiczenia posłużono się następującymi przyrządami:

Y - oscyloskop pomiarowy: RIGOL typ DS1102D

Generator funkcji: ZAPON typ KZ1405

Vc – miernik uniwersalny cyfrowy:

Pomiary ćwiczenia wykonano według następującego schematu pomiarowego

Rys. 2 ( źródło rysunku dokumentacja ćwiczenia 6c „ Pomiary parametrów przebiegu sinusoidalnego za pomocą oscyloskopu”)

1. Pomiar przebiegu sinusoidalnego o częstotliwości sygnału 50 Hz

Z generatora funkcyjnego na wejście oscyloskopu Y podano sygnał sinusoidalny o częstotliwości 50 Hz i amplitudzie Uv = 4,33 V. Otrzymano następujący wykres przebiegu sinusoidalnego:

Pt=10 ms; Cy=2V	Tobl	fobl	Umobl	Uppol	Uobl
	0,002 s	50 Hz	6 V	12 V	4,24 V

1. Pomiar przebiegu sinusoidalnego o częstotliwości sygnału 600 Hz

Z generatora funkcyjnego na wejście oscyloskopu Y podano sygnał sinusoidalny o częstotliwości 600Hz i amplitudzie Uv = 3,28 V. Otrzymano następujący wykres przebiegu sinusoidalnego:

Pt=500 us; Cy=2V	Tobl	fobl	Umobl	Uppol	Uobl
	0,00165 s	606 Hz	4,8 V	9,6 V	3,39 V

1. Pomiar przebiegu sinusoidalnego o częstotliwości sygnału 3 kHz

Z generatora funkcyjnego na wejście oscyloskopu Y podano sygnał sinusoidalny o częstotliwości 3 kHz i amplitudzie Uv = 2,79 V. Otrzymano następujący wykres przebiegu sinusoidalnego:

Pt=200 us; Cy=2V	Tobl	fobl	Umobl	Uppol	Uobl
	0,00036 s	2777,78 Hz	4 V	8 V	2,83 V

1. Opracowanie wyników pomiarowych

Obliczenia dla pomiaru przebiegu sinusoidalnego f =50 Hz, Pt=10 ms/dz, Cy=2 [V]/dz

Tobl = Pt * l = 0, 001 s * 2 = 0, 02 [s]

$$\text{fobl} = \frac{1}{\text{Tobl}} = \frac{1}{0,02\ \lbrack s\rbrack}\ = 50\ \lbrack Hz\rbrack$$

Umobl = Cy * l = 3 * 2[V]=6 [V]

Uppobl = 2 * Umobl = 2 * 6 [V] = 12 [V]

$$Uobl = \frac{\text{Uobl}}{\sqrt{2}} = \frac{6\ \lbrack V\rbrack}{\sqrt{2}} = 4,24\ \lbrack V\rbrack$$

Obliczenia dla pomiaru przebiegu sinusoidalnego f =600 Hz, Pt=500 us/dz, Cy=2 [V]/dz

Tobl = Pt * l = 0, 0005 s * 3, 3 = 0, 00165 [s]

$$\text{fobl} = \frac{1}{\text{Tobl}} = \frac{1}{0,00165\ \lbrack s\rbrack}\ = 606,1\ \lbrack Hz\rbrack$$

Umobl = Cy * l = 2 * 2, 4 [V]=4, 8 [V]

Uppobl = 2 * Umobl = 2 * 4, 8 [V] = 9, 6 [V]

$$\text{Uobl} = \frac{\text{Uobl}}{\sqrt{2}} = \frac{4,8\ \lbrack V\rbrack}{\sqrt{2}} = 3,39\ \lbrack V\rbrack$$

Obliczenia dla pomiaru przebiegu sinusoidalnego f =3 kHz, Pt=200 us/dz, Cy=2 [V]/dz

Tobl = Pt * l = 0, 0002 s * 1, 8 = 0, 00036 [s]

$$\text{fobl} = \frac{1}{\text{Tobl}} = \frac{1}{0,00036\ \lbrack s\rbrack}\ = 2777,78\ \lbrack Hz\rbrack$$

Umobl = Cy * l = 2 * 2 [V]=4 [V]

Uppobl = 2 * Umobl = 2 * 4 [V] = 8 [V]

$$\text{Uobl} = \frac{\text{Uobl}}{\sqrt{2}} = \frac{4\ \lbrack V\rbrack}{\sqrt{2}} = 2,38\ \lbrack V\rbrack$$

1. Wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia

Oscyloskop jest przyrządem pomiarowym, które umożliwia pomiar wielu wartości elektrycznych.

Źródłami błędów metody pośredniej pomiaru okresu fali tym samym i częstotliwości są:

- błąd odczytu długości odcinka odpowiadającemu okresowi przebiegu Δl/lx

- niedokładność kalibracji generatora podstawy czasu δSx

Niepewność względna wyznaczenia czasu lub częstotliwości wynosi więc:

$$\mathbf{\delta}\mathbf{\text{fx}}\mathbf{=}\mathbf{\delta Sx +}\mathbf{\ }\frac{\mathbf{\text{Δl}}}{\mathbf{l}}$$

Rozbieżności pomiędzy częstotliwościami wyliczonymi, a częstotliwościami wskazanymi przez miernik w generatorze są spowodowane niedokładnością odczytu wskazań oscyloskopu, a także klasą dokładności miernika częstotliwości wbudowanego w generator.

Wykorzystany do ćwiczenia laboratoryjnego oscyloskop RIGOL typ DS1102D charakteryzują następujące parametry:

Pomiar częstotliwości: 100 MHz

Ilość próbek 25GSa/s

Są to dwa najbardziej istotne parametry, które mogły odegrać rolę przy pomiarze częstotliwości w ćwiczeniu laboratoryjnym. Częstotliwość 3kHz zadana podczas 3 pomiaru nie jest jakaś stosunkowo dużą częstotliwością aby oscyloskop tej klasy nie zmierzył jej poprawnie. 25GSa/s jest bardzo dużą ilością sampli w jednostce czasu aby poprawnie zmierzyć badaną częstotliwość. Dlatego rozbieżność wyliczonej częstotliwości od częstotliwości zadanej na generatorze ZAPON typ KZ1405 wynika bezpośrednio z innej wartości częstotliwości wyjściowej na generatorze do częstotliwości ustawionej na nim. Aby potwierdzić słuszność tej teorii należało by na drugi kanał oscyloskopu podać taki sama przebieg z innego generatora wzorcowego i porównać co do wartości otrzymane częstotliwości. Jeśli częstotliwości były by znacznie odbiegające od siebie należało by generator wykorzystany w ćwiczeniu poddać kalibracji częstotliwości.

Podsumowując rozważane wnioski należy spodziewać się że, wraz ze wzrostem częstotliwości na wyjściu generatora będzie rósł błąd częstotliwości wskazanej przez oscyloskop. Błąd ten będzie wynikać bezpośrednio z niedokładności skali podziałki na generatorze. Bądź też błędnego wyskalowania samego generatora.

1. Literatura

Rydzewski Jerzy.: Pomiary oscyloskopowe. WNT, Warszawa 1999

Kamieniecka Andrzej.: Współczesny oscyloskop Budowa i pomiary. BTC, Legionowo 2009

Elektronika Praktyczna 2007 - Pomiary oscyloskopowe

Maciej Krakowski.: Elektrotechnika teoretyczna. WN PWN SA, Warszawa 1995

1. Protokół