Laboratorium fizyki

Pomiary oscyloskopowe.

Patryk Wojciechowski, Wydział Elektroniki, Data: 5 Maj 1998

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było wykonanie pomiarów wielkości elektrycznych charakteryzujących przebiegi przemienne.

Wstęp teoretyczny:

Oscyloskop jest uniwersalnym przyrządem pomiarowym. Służy do obserwacji przebiegów i pomiaru napięć przebiegów zmiennych w czasie. Obserwować można też inne wielkości fizyczne jeżeli zostaną one wcześniej przetworzone na wielkości elektryczne.

We Y We X

Rysunek 1: Schemat blokowy oscyloskopu analogowego.

Oscyloskop składa się z lampy oscyloskopowej , wzmacniaczy odchylania X poziomego i Y pionowego , synchronizowanego generatora podstawy czasu i zasilacza. Wzmacniacze X i Y służą do wzmocnienia amplitudy badanego sygnału , napięcia wejściowe sterują płytkami odchylania w lampie oscyloskopowej. Na wejściach są zastosowane dzielniki napięcia pozwalające na obserwację zarówno małych jak i dużych wartości sygnałów . Generator podstawy czasu służy do wytwarzania napięcia okresowo zmiennego o przebiegu piłokształtnym . Napięcie to jest proporcjonalne do czasu , a następnie możliwie szybko opada. Napięcie z generatora podstawy czasu przyłożone do płytki odchylania poziomego powoduje ,że plamka świetlna będzie się poruszać tworząc na ekranie poziomą oś czasową. Z jednoczesnym doprowadzeniem do wzmacniacza Y napięcia zmiennego na ekranie pojawia się obraz badanego przebiegu. W celu otrzymania stabilnego obrazu konieczna jest synchronizacja, czyli dostosowanie częstotliwości podstawy czasu do częstotliwości badanego przebiegu(regulator poziomu wyzwalania).

Układy pomiarowe:

1. Przy włączonej podstawie czasu , mierzone napięcie doprowadziliśmy do wejścia Y oscyloskopu ,tak regulując generator podstawy czasu, współczynnik wzmocnienia wejścia Y oraz poziom wyzwalania ,aby na ekranie uzyskać nieruchomy obraz. Następnie zmierzyliśmy wartość `h' oraz `l', które są potrzebne do wyznaczenia amplitudy, okresu i częstotliwości przebiegu.

1. pomiar napięcia sinusoidalnie zmiennego (oscylogram 1):

l=4,7dz h=2,4dz f_podst.czasu=20μs/dz w_y=1V/dz f_wzorc.=10000[Hz]

A=h*w_y=2,4*1=2,4[V] A - Amplituda sygnału badanego

T=l*f_podst.czasu=4,7*20=94[μs] T - Okres sygnału badanego

F_x=1/T=10638 [Hz] F_x - Częstotliwość sygnału badanego

b) pomiar napięcia trójkątnego (oscylogram 2):

l=4,6dz h=3,1dz f_podst.cz.=0,2ms/dz w_y=0,2V/dz f_wzorc.=1[kHz]

A=h*w_y=3,1*0,2=0,62[V]

T=l*f_podst.czasu=4,6*0,2=0,92[ms]

F_x=1/T=1086 [Hz]

3. pomiar napięcia prostokątnego (oscylogram 3):

l=4,7dz h=2,4dz f_podst.cz.=20μs/dz w_y=1V/dz f_wzorc.=10000[Hz]

A=h*w_y=2,4*1=2,4[V]

T=l*f_podst.czasu=4,7*20=94[μs]

F_x=1/T=10638 [Hz]

2. Pomiar częstotliwości za pomocą figur Lissajous:

-znana częstotliwość;

m.-liczba przecięć figury z osią pionową;

n-liczba przecięć figury z osią poziomą.

a)
=5,6[kHz]; m.=2; n=2; (oscylogram 4):

b)
=5,4[kHz]; m.=2; n=4; (oscylogram 5):

c)
=210[Hz]; m.=4; n=2; (oscylogram 6):

3.Pomiar amplitudy, częstotliwości i okresu przebiegów na wyjściu układów różniczkującego i całkującego.

a) układ różniczkujący.

Dla przebiegu prostokątnego - oscylogramy 7,8,9.

Zwiększanie pojemności spowodowało zwiększenie się czasu potrzebnego na rozładowanie kondensatora przy tej samej wartości oporu. Natomiast zmniejszanie rezystancji przy tej samej pojemności spowodowało skrócenie czasu potrzebnego na rozładowanie kondensatora.

Dla przebiegu trójkątnego - oscylogramy 10,11,12.

W przypadku zmniejszenia rezystancji zaobserwowaliśmy zmniejszenie się amplitudy sygnału wyjściowego. Natomiast wzrost pojemności spowodował znaczne jej zwiększenie.

b) układ całkujący.

Dla przebiegu prostokątnego - oscylogramy 13,14,15.

W przypadku zmniejszenia pojemności zauważyliśmy wzrost amplitudy sygnału wyjściowego co wystąpiło również w momencie zmniejszenia rezystancji.

Dla przebiegu trójkątnego - oscylogramy 16,17,18.

W tym przypadku zmniejszenie rezystancji lub wzrost pojemności powodował wzrost amplitudy sygnału wyjściowego.

4.Pomiar różnicy faz dwóch przebiegów sinusoidalnych. Przesunięcie fazowe obliczamy za wzoru:

gdzie, `A' i `B' oznaczają wartości policzone tak jak pokazano na niżej zamieszczonym rysunku.

a) A=3,8dz B=6,6dz

b) A=0,35dz B=2,5dz

Wnioski:

Pomiary oscyloskopowe są bardzo przydatne przy pomiarach w których potrzebny jest graficzny obraz badanego przebiegu. Można przy ich pomocy określić częstotliwość badanego przebiegu znając współczynnik skali czasu i odległość pomiędzy początkiem a końcem okresu badanego przebiegu ( odczytywana z podziałki na lampie oscyloskopowej ) . Można też określić amplitudę sygnału , kąt przesunięcia fazowego przebiegu . Są to oczywiście wartości przybliżone gdyż nie da się ich odczytać bardzo dokładnie. Składa się na to wiele przyczyn np. takich jak ; niedoskonałość oka obserwatora , niedokładność skali , przetwarzanie sygnału przez oscyloskop oraz rozmiar plamki świetlnej.

1

3

Generator podstawy czasu

Lampa oscyloskopowa

Zasilacz wysokiego napięcia

Wzmacniacz X

Wzmacniacz Y

---