OSCYLOSKOPOWE POMIARY NAPIĘĆ

CEL ĆWICZENIA

Poznanie obsługi i zasad wykorzystania oscyloskopu do obserwacji i pomiarów amplitudy napięcia przebiegów elektrycznych.

WPROWADZENIE

Oscyloskop zapewnia m.in. możliwość obserwacji sygnałów elektrycznych; może służyć także do pomiarów parametrów sygnałów np. mierząc amplitudę napięcia stałego lub zmiennego itp.. Typowym oscyloskopem można dokonywać pomiarów napięć okresowych o częstotliwościach do kilkudziesięciu MHz ( gdy np. częstotliwość badanego sygnału wykracza poza pasmo przenoszenia posiadanego woltomierza ) i amplitudach do kilkuset woltów. W celu uzyskania maksymalnej dokładności pomiarowej, należy przestrzegać określonych zasad pomiarów :

• obraz mierzonego przebiegu powinien zająć maksymalna wysokość lub szerokość ekranu;

• obraz na ekranie należy dobrze zogniskować;

• z pomiaru należy wyeliminować grubość linii, odczytując wartość odchylania w kierunku pionowym przy tej samej krawędzi linii obrazu (zawsze górnej lub zawsze dolnej);

• pamiętać o wpływie nierównomierności charakterystyki częstotliwościowej wzmacniaczy kanału odchylania pionowego na dokładność pomiaru przebiegów o różnych częstotliwościach i czasie trwania;

• sondę pomiarową (jeżeli jest używana) należy łączyć jak najkrócej do obu punktów, między którymi mierzymy napięcie.

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_y pomiędzy punktami maksymalnego dodatniego i ujemnego odchylenia przebiegu i mnoży przez współczynnik czułości S_y kanału odchylania pionowego (z ewentualnym uwzględnie-niem tłumienia sondy - jeśli w pomiarze była wykorzystywana). Pomiędzy amplitudą U_m, wartością międzyszczytową U_pp oraz wartością skuteczną U występują następujące zależ-ności :

;
( 1 )

gdzie : l_y - odległość pionowa pomiędzy maksymalnymi wychyleniami ( dodatnim

i ujemnym ) obserwowanego przebiegu ;

S_y - czułość kanału odchylania pionowego ( np. w V/cm ).

Dla uzyskania kalibrowanych wartości napięć należy postępować zgodnie z następującą procedurą :

1. Ustawić potencjometr płynnej regulacji czułości kanału pionowego w zależności od wyko-rzystywanego wejścia, ( kanału A lub B), w pozycję CAL (w prawo do zaskoku), a następnie przełącznikiem skokowej regulacji czułości wybrać wygodną dla obserwacji na ekranie wysokość obrazu. Przy pomiarze sygnałów zmiennych potencjometrem położenia POSITION przesunąć przebieg w pionie do wybranej poziomej linii odniesienia. Wartość mierzonego napięcia określić można mnożąc wielkość odchylenia przebiegu w pionie l_y w cm ( lub działkach ) i wartość nastawionej czułości S_y kanału odchylania pionowego.

2. W celu pomiaru wartości napięcia stałego lub składowej stałej w przebiegu złożonym, należy w pierwszej kolejności przełączyć przełącznik rodzaju sprzężenia w pozycję GND, wcisnąć przycisk (AUTO) i dokładnie ustawić linię podstawy czasu na wybranej linii odniesienia, a następnie przełączyć sprzężenie na pozycję DC - podstawa czasu ulegnie przesunięciu w pionie o odcinek l_y (w górę dla polaryzacji dodatniej lub w dół dla polaryzacji ujemnej).Wielkość przesunięcia określa wartość składowej stałej przebiegu wg następującej zależności :

U = l_y· S_y ( 2 )

UWAGA :Jeżeli pomiar dokonywany jest za pomocą sondy np. 10 : 1, to przebieg na ekranie

jest dziesięciokrotnie mniejszy od rzeczywistego, zatem zmierzona wartość musi

być dziesięciokrotnie zwiększona.

Na dokładność pomiaru napięcia metoda oscyloskopową mają wpływ :

• nieliniowość odchylania w torze pionowym. W oscyloskopach wysokiej klasy jest ona zwykle do pominięcia;

• dokładność odczytu wysokości obrazu - zazwyczaj nie lepsza niż ± 0,5 mm;

• nierównomierność charakterystyki częstotliwościowej kanału odchylania pionowego;

• dokładność podziału tłumika wejściowego;

• dryft przy pomiarach składowej stałej.

Całkowity uchyb pomiaru napięcia składa się z sumy poszczególnych uchybów i może mieć wartość kilkuprocentową. Dokładniejsze pomiary napięcia uzyskuje się w oscyloskopach cyfrowych wyposażonych w kursory z cyfrowym odczytem wartości mierzonej. Pomiar sprowadza się wówczas do ustawienia kursorów w określonych punktach przebiegu i odczytu wyświetlonego wyniku pomiaru z ekranu.

Podczas pomiaru amplitudy sygnału o częstotliwościach kilku herców lub mniejszych należy maksymalnie spowolnić lub wyłączyć podstawę czasu. Wówczas oscyloskop, w którym nie działa odchylanie poziome, będzie rysował pionową linię. Jej długość jest miarą wartości międzyszczytowej mierzonego sygnału.

PROGRAM ĆWICZENIA

1. Pomiar napięć zmienych

• Podłączyć z zewnętrznego generatora do gniazda wejściowego np. kanału A oscyloskopu sygnał sinusoidalny o częstotliwości np. 1 kHz i dla kilku położeń regulatora amplitudy generatora pomierzyć wartości międzyszczytowe U_pp obserwowanego sygnału, a następnie obliczyć amplitudę U_m (inaczej wartość szczytową) i wartość skuteczną U.

Wartość skuteczną porównać wskazaniami miernika cyfrowego.

W trakcie pomiaru pokrętło płynnej regulacji czułości wykorzystywanego kanału powinno

znajdować się w pozycji CAL, a przełącznik rodzaju sprzężenia kanału ustawiony w

pozycji AC ( tylko składowe zmienne ).

- przykładowa tabela pomiarowa :

Tabela 1.

Pomiary		Obliczenia					Wynik końcowy	Pomiar woltomierzem
ly	Sy	Upp	Um	U	δU	ΔU	U ± ΔU	Ucyfr.
cm	V/cm	V			%	V	V	V

gdzie : l_y - międzyszczytowa wysokość obserwowanego przebiegu ;

S_y - wartość czułości wykorzystywanego kanału ;

U_pp - miedzyszczytowa wartość mierzonego napięcia;

U_pp = l_y · S_y

U_m - amplituda ( wartość szczytowa, maksymalna ) napięcia;

U_m = l_y · S_y / 2

U - wartość skuteczna mierzonego napięcia obliczona wg wzoru ( 1 );

δU - niedokładność względna pomiaru wynikająca z błędu odczytu długości

odcinka l_y :

δ
( 3 )

Δl_y - niedokładność bezwzględna odczytu długości odcinka l_y, przyjąć

± 0,5 mm;

ΔU - niedokładność bezwzględna pomiaru :

( 4 )

U_cyfr - wartość skuteczna badanego napięcia zmierzona woltomierzem

cyfrowym.

2. Pomiar napięć stałych

• dla dokładnego pomiaru napięcia stałego należy w pierwszej kolejności przełączyć sprzężenie wykorzystywanego kanału w pozycję GND (oznacza to, że wejście wzmacniacza odchylania pionowego znajduje się na potencjale zerowym) i ustawić linię podstawy czasu na wybranej linii odniesienia skali pomocniczej oscyloskopu. Następnie podłączyć do wejścia jednego z kanałów źródło napięcia stałego i ustawić przełącznik sprzężenia w pozycję DC (wszystkie składowe) - podstawa czasu ulegnie przesunięciu w pionie (w górę dla polaryzacji dodatniej sygnału lub w dół dla polaryzacji ujemnej). Iloczyn wielkości przesunięcia i wartości czułości kanału odchylania pionowego ( przy skręconym w prawo do oporu pokrętle płynnej regulacji czułości ) określa wartość napięcia stałego - wzór (2).

Rezultaty pomiarów oscyloskopowych porównać z wskazaniami woltomierza cyfrowego. Tabelę pomiarową przygotować samodzielnie.

3. Pomiar sygnału złożonego

• po podaniu z generatora do wejścia oscyloskopu sygnału złożonego i korzystając z pozycji DC (wszystkie składowe) przełącznika rodzaju sprzężenia sygnału wejściowego, ustawić obserwowany przebieg w pionie na wybranej linii odniesienia skali pomocniczej oscylos-kopu. Następnie dokonać przełączenia przełącznika rodzaju sprzężenia w pozycję AC . Obraz ulegnie przesunięciu w pionie. Wartość składowej stałej w przebiegu złożonym określona jest wielkość przesunięcia l_Y przebiegu na ekranie lampy wg zależności 2.

- tabelę pomiarową przygotować samodzielnie.

OPRACOWANIE WYNIKÓW OBSERWACJI I POMIARÓW

W sprawozdaniu należy m.in. przedstawić :

1. Wyniki pomiarów i obliczeń wartości sygnałów zmiennych i stałych oraz obliczeń niedokładności. Niedokładności pomiarów określić wg zależności (3) i (4).

2. Wnioski określające z jaką dokładnością oscyloskop pozwala mierzyć napięcia.

PRZYKŁADOWE ZAGADNIENIA DO TEORETYCZNEGO PRZYGOTOWANIA

1. Oscyloskopowe metody pomiaru napięć.

2. Definicje amplitudy, wartości międzyszczytowej i skutecznej napięcia

3. Zasady pomiaru w/w. wartości napięcia zmiennego.

4. Pomiary napięć stałych i składowej stałej w sygnałach złożonych.

5. Błędy pomiaru napięcia oscyloskopem

6. Reguły postępowania w celu prawidłowego pomiaru napięć oscyloskopem.

Kolegium Karkonoskie Laboratorium miernictwa

3

Oscyloskop str.

---