Laboratorium fizyki

Pomiary oscyloskopowe

Maciej Woźnica, Wydział Elektroniki, Data:8 maja 1998

Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z zasadami pomiarów oscyloskopowych oraz wykonanie pomiarów wielkości elektrycznych charakteryzujących przebiegi zmienne.

Wstęp teoretyczny:

Oscyloskop jest przyrządem pomiarowym służącym do wizualizacji przebiegów zmiennych w czasie oraz do pomiarów amplitudy oraz okresu napięć (i innych wielkości zmienionych na napięcie) periodycznych.

We Y We X

Rysunek 1: Schemat blokowy oscyloskopu analogowego.

Oscyloskop składa się z lampy oscyloskopowej , wzmacniaczy odchylania poziomego `X' i pionowego `Y', synchronizowanego generatora podstawy czasu i zasilacza wysokiego napięcia. Wzmacniacze mają za zadanie dostosować amplitudę badanego sygnału by mogło ono sterować płytkami odchylania w lampie oscyloskopowej. Na wejściach umieszczono dzielniki napięciowe pozwalające na obserwację przebiegów zarówno o małych jak i dużych amplitudach. Generator podstawy ma za zadanie wytworzenie napięcia okresowo zmiennego o kształcie piłokształtnym, które jest przyłożone do płytek odchylania poziomego co powoduje, że strumień elektronów będzie się poruszać tworząc na ekranie poziomą linię. Jednoczesne doprowadzenie na lampę sygnałów z generatora podstawy czasu jak i sygnału badanego na ekranie otrzymamy kształt sygnału badanego w funkcji czasu. 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 badanego sygnału

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

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

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. Badanie 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 przydatne są w momencie gdy przydatna jest wizualizacja badanego przebiegu. Możemy wtedy określić z pewnym przybliżeniem wartości amplitudy czy okresu obserwowanego przebiegu. Nie są one określane z taką dokładnością jak przy pomocy innych przyrządów pomiarowych bowiem na błąd pomiaru składa się wiele czynników jak: błąd przetwarzania sygnału przez oscyloskop, błąd odchylania, błąd odczytu wartości przez obserwatora czy też błąd jaki wprowadza znaczna szerokość plamki świetlnej. Nie zmniejsza to jednak wartości oscyloskopu, który służy przede wszystkim jako narzędzie pomiarowe, którego celem jest uwidacznianie kształtów przebiegów i ich zmian w czasie.

4

Lampa oscyloskopowa

Zasilacz wysokiego napięcia

Wzmacniacz Y

Generator podstawy czasu

Wzmacniacz X

---