A) W pierwszych latach rozwoju nauki o elektrycznosci do badania zjawisk i praw rządzących prądem stałym i sinusoidalnym prądem zmiennym wystarczały proste przyrządy pomiarowe ,jak woltomierz ,amperomierz i galwanometr.Rozwój techniki ,badania stanów nieustalonych ,a następnie powstanie techniki impulsowej sprawiły,że konieczne się stało badanie kształtu przebiegów elektrycznych i przedstawiania ich zmienności w funkcji czasu
Obserwacje i pomiary sygnałów niesinusoidalnych umożliwia lampa oscyloskopowa wynaleziona w 1897r. przez Ferdynanda Brauna.W lampie tej strumień elektronów był emitowany przez zimną katodę w wyniku bombardowania jej przez jony dodatnie . Po przyspieszeniu przez anodę i po przejściu przez przesłonę o małym otworze ,strumień ten w postaci wąskiej wiązki bombardował pokryty luminoforem ekran.Strumień odchylany był przez pole magnetyczne wytwarzane przez zewnętrzne cewki.
W 1904r.Wehnelt wprowadził do konstrukcji lampy oscyloskopowej znaczne ulepszenia w postaci gorącej katody ,płytek odchylających i elektrody modulującej jaskrawość.
Oscyloskop elektroniczny można uważać za jeden z ważniejszych i najbardziej uniwersalnych przyżądów pomiarowych i kontrolnych.Za pomocą nowoczesnego oscyloskopu można przeprowadzić najróżnorodniejsze pomiary ,jak m.in. napięcia ,prądu ,częstotliwości ,fazy ,wzajemnego, położenia w czasie kilku sygnałów itp.
Olbrzymi zakres czasu trwania zjawisk, od sekund do pikosekund, szeroki zakres napięć, od mikrowoltów do tysięcy woltów, i duże widmo częstotliwości, przekraczające kilka tysięcy Mhz, jakie mogą być zmierzone za pomocą oscyloskopu, uczyniły zeń podstawowy przyrząd badawczy i pomiarowy we wszystkich działach elektroniki, a w innych dziedzinach, jak elektrotechnika, fizyka, chemia oscyloskop odgrywa coraz ważniejszą rolę.Wiele dziedzin techniki impulsowej, jak telewizja, radiolokacja, maszyny cyfrowe itp. byłoby niemożliwe do opanowania bez oscyloskopu.
B)Budowa oscyloskopu.
Oscyloskop elektroniczny jest przyrządem służącym do wizualnej obserwacji odwzorowań przedstawiających zależności funkcyjne między dwoma lub kilku zmiennymi wielkościami fizycznymi.Podstawową częścią składową oscyloskopu jest lampa oscylockopowa, na której ekranie powstaje świetlny obraz badanych wielkości fizycznych.W tylnej, zwężonej częsci balonu znajduje się zespół elektrod zwany działem elektronowym lub wyrzutnią elektronową.Następnie znajdują się dwie pary płytek odchylających.Całość umieszczona jest w balonie szklanym, w którym utrzymana jest wysoka próżnia.Na przedniej, rozszerzonej części balonu znajduje się ekran luminescencyjny.Zadaniem działa elektronowego jest wytworzenie strumienia elektronow, który skupia się na powierzchni ekranu w postaci małego punktu.Ekran pokryty jest substancją zwaną luminoforem.Luminofor pod wpływem bombardowania elektronami wysyła wiązkę światła.askrawość punktu świetlnego zależy od szybkości elektronów i natężenia prądu w wiązce, które może być regulowane przez zmianę ujemnego napięcia na siatce sterującej lampy oscyloskopowej.
Przez zmianę napięcia na odpowiednij elektrodzie (lub elektrodach) działa uzyskuje się regulację ostrości plamki świetlnej. Pokrętła regulacji jaskrawości i ostrości znajdują się na płycie czołowej oscyloskopu.
Po opuszczeniu działa strumień elektronów przechodzi pomiędzy pierwszą parą płytek odchylających, które umieszczone są w płaszczyznie poziomej.Doprowadzone do płytek napięcie powoduje odchylenie strumienia elektronów w stronę płytki bardziej dodatniej, w wyniku czego plamka świetlna przesunie się na ekranie w kierunku pionowym. Płytki te nazywane są płytkami odchylania pionowego lub płytkami Y. Następnie strumień elektronów przechodzi pomiędzy parą płytek umieszczonych w płaszczuznie pionowej. Napięcie (wytwarzane przez generator podstawy czsu) doprowadzone do tych płytek spowoduje odchylenie strumienia elektronów, a zatem i plamki świetlnej na ekranie w kierunku poziomym.Płytki tw zwane są płytkami odchylania poziomego lyb płytkami X. Tak więc położenie plamki świetlnej na ekranie w każdym momencie zależy od chwilowej wartości napięć doprowadzonych do obu par płytek.
W większości zastosowań oscyloskopu napięcie zmienne doprowadzone do płytek odchylania poziomego powoduje ruch plamki w kierunku osi X , z jednostajną szybkością. Powstaje w ten sposób na ekranie pozioma linia zwana liniową podstawą czasu. Jadnostajny ruch plamki w kierunku poziomym jest konieczny do uzyskania liniowej skali czasu. Odchylanie plamki ruchem jednostajnym uzyskuje się przez sterowanie płytek X napięciem piłokształtnym, wytworzonym w układzie podstawy czasu.
Przez doprowadzenie badanego napięcia zmiennego do płytek Y uzyskuje się na ekranie obraz przebiegu w funkcji czasu, we współrzędnych prostokątnych.
Wartość napięcia badanego przebiegu nie zawsze jest na tyle duża by uzyskać odpowiednio wysoki obraz na ekranie. Z tego powodu stosuje się wzmacniacz, który zwiększa odpowiednio wartość międzycząsteczkową badanego sygnału.
Położenie obrazu na ekranie reguluje się przez zmianę składowej stałej napięć sterujących płytki X i Y.Nieruchomy obraz przebiegu uzyskamy na ekranie tylko wyedy, gdy badany przebieg zmienny jast powtarzalny. Aby za każdym ruchem plamki kolejne obrazy nakładały się na siebie, generator podsyawy czasu powinien pracować synchronicznie z badanym sygnałem. Oznacza to,że częstotliwość podstawy czasu muci być równa częstotliwości sygnału lub jej podwielokrotności.
C)Działanie i budowa lampy oscyloskopowej.
Główną częścią oscyloskopu elektronicznego jest lampa oscyloskopowa, umożliwiająca wzrokową obserwację zmiennych przebiegów elektrycznych.
Lampa oscyloskopowa składa się z trzech podstawowych części:1)działa elektronowego, które emituje i skupia elektrony w cienką wiązkę, 2)systemu odchylającego strumień elektronów, 3)ekranu wysyłającego światło pod wpływem bombardowania elektronami.
Elektrony emitowane z katody(elementu działa elektronowego) są przyspieszane w polu elektrycznym między katodą i anodą i wylatują przez otwór w anodzie z prędkością v. Rozpędzony do prędkości v elektron wchodzi następnie do obszaru pola elektrycznego poprzacznego. Pole to jest wytworzone między dwiema płytkami odchylającymi.Po wyjściu z obszaru pola poprzecznego elektron porusza się dalej z nabytą prędkością, aż do chwili uderzenia w ekran.
D)Obserwacje przebiegów elektrycznych.Pomiary napięcia i czasu.
a)Fala o przebiegu sinusoidalnym.
Uzyskane wyniki: Umax=5,2 V - amplituda fali sinusoidalnej.
T=14,2 milisek/cm - okres fali.
b)Fala o przebiegu prostokątnym.
Uzyskane wyniki: Umax=2,2 V.
T=16 milisek/cm
c)Fala o przebiegu piły.
Uzyskane wyniki: Umax=4,8 V.
T=5,6 milisek/cm
Wykresy przedstawiające wcześniej wymienione rezultaty zawarte są na osobnych kartkach milimetrowych.
Współczynnik odchylania oscyloskopu jest zwykle cechowany w jednostkach napięcia na jeden centymetr (tu:także) .Pomiaru dokonujemy przez odczytanie na skali odległości między punktami interesującymi nas, a następnie wartość tą mnożymy przez współczynnik odchylania oscyloskopu.
Na dokładność pomiaru amplitudy tą metodą mają wpływ:
-dokładność odczytu wysokości obrazu(*5mm)
-błąd paralaksy(wynikający z oddalenia skali od luminoforu)
Współczynnik częstotliwości cechowany jest w jednostkach czasu na centymetr.Pomiaru dokonujemy przez odczyt długości obrazu w cm i pomnożeniu przez współczynnik czasu.
Na dokładność pomiaru częstotliwości mają wpływ:
-odczyt obrazu, na który składa się m.in. grubość lini obrazu na ekranie , tzw. kąt pomiędzy obrazem a linią skali (kąt pomiędzy zboczem a linią poziomą).Gdy w/w kąt rośnie to niedokładność odczytu maleje.
E)Badanie układów przekształcających przebiegi fal (różniczkujący i całkowy).
a)Układ różniczkujący.
CH1 oznacza kanał przez który przechodzi napięcie wejściowe
Dla obwodu RC ,U na CH1 wynosiło 5 V.Okres T=5,4 cm/2milisek.
U na CH2 wynosiło 2,5 cm/50miliV.
CH2 oznacz kanał przez który przechodzi napięcie wyjściowe(po przejściu przez układ rózniczkujący).
Wykresy przedstawiające funkcje powstałe w wyniku przejścia prądu przez układ różniczkujący znajdują się na osobnej kartce milimetrowej.Są to wykresy dla fali sinusoidalnej.
Dla obwodu 0,5R-C wyniki były następujące:
U i T dla CH1 pozostały niezmienione.
Dla CH2 U= 3,2 cm/10miliV.
T=5,4 cm/2milisek.
Dla obwodu R-0,5C wyniki były następujące:
U i T dla CH1 pozostały bez zmian.
Dla CH2 U=2,6 cm/10 miliV.
T=5,2cm/2milisek.
Układ przedstawiony na wcześniejszym schemacie należy do najprostszych układów różniczkujących których zadaniem jest przekształcanie przebiegów elektrycznych.Dla dostatecznie małych wrtości R i C napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do pochodnej dU/dT napięcia wejściowego.
b)Układ całkujący.
{wszelkie wykresy zawarte są na osobnej kartce milimetrowej}
W tym przypadku dla dostatecznie dużych wartości R i C napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do całki z napięcia wejściowego.
UZYSKANE WYNIKI DLA W/W UKLADU.
-Obwód R;C :
dla CH1: Uwejściowe=5 cm/2wolty.
T=5,4 cm/2milisek.
dla CH2: Uwyjściowe=2.5 cm/10miliwoltów.
T=5.4 cm/2milisek.
-Obwód 0,05R;C
dla CH1=const.
dla CH2:Uwyjściowe=5,2 cm/1wolt
T=5,4 cm/10miliwoltów.
-Obwód R;0,01C:
dla CH1=const.
dla CH2: Uwyjściowe=3,6 cm/1wolt
T=5,4 cm/2milisek.
E) Wnioski.
Do najbardziej podstawowych zastostosowań pomiarowych oscyoskopu elektronowego należą:
a)obserwacja przebiegów napięciowych o różnym kształcie i pomiar napięć
oróżnym kształcie i pomiar napięć.
b)pomiar częstotliwości
c)pomiary żródeł światła
d)pomiary aparatów fotograficznych
e)pomiary kąta fazowego i częstotliwości
f)pomiary urządzeń telewizyjnych
Podczas wykonywania doświadczenia można było zaobserwować bardzo wiele ciekawych efektów wizualnych o których nie było wcześniej mowy.W wyniku nałożenia się dwóch fal (np:sinusoidalnych) o różnych częstotliwościach powstaje krzywa zwana figurą Lissaujous.Pozwala ona na obliczenie nieznanej częstotliwości fali fy , gdy znana jest częstotliwość fx oraz liczby Nx i Ny będących liczbą punktów przecinających osie X iY przez w/w figurę.
**************** fy/fx=Ny/Nx **************
Bardzo ważnym warunkiem otrzymanej krzywej zamkniętej jest to , by stosunek częstotliwości obu fal były równe stosunkowi dwu liczb całkowitych.
Błąd związany z ostrością i wielkością plamki świetlnej , która tworzy obraz jest trudny do obliczenia .Ale możemy być pewne , że nie jest on większy od 1,7%
(przyjmujemy taki błąd ponieważ na ekranie oscyloskopu podziałka ma 60 jednostek, wynik możemy odczytać z dokładnością do 1 jednostki co daje nam błąd 1,7%).
Podsumowując pomiary przeprowadzone przy pomocy oscyloskopu można powiedzieć , że nie jest to typowy przyrząd pomiarowy. Jego zastosowanie do pomiarów może służyć do ustalenia rzędu badanej wielkości. Natomiast bardzo właściwym wykorzystaniem oscyloskopu są obserwacje kształtu przebiegu napięcia w czasie tak jak to miało miejsce w tym przypadku prz badaniu układów całkujących i różniczkujących.
* * * * * * * * * * * * * *
* JAROSLAW MYSLIWIEC *
* PPT/FIZ/II ROK *
* NR 76260 *
* *
* * * * * * * * * * * * * *
SPRAWOZDANIE Z
cw.nr 51
POMIARY OSCYLOSKOPOWE