POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT FIZYKI
Paweł Proń	Sprawozdanie z ćwiczenia nr 51 Temat: Pomiary oscyloskopowe
Wydział Elektroniki Rok I	Data: 07.04.1998	Ocena:

I. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie, zasadą działania oraz zastosowaniami pomiarowymi oscyloskopu elektronicznego.

II. Wstęp teoretyczny.

Oscyloskop elektroniczny jest uniwersalnym przyrządem służącym do rejestracji i wizualizacji napięć elektrycznych szybko zmieniających się w czasie. Przedmiotem obserwacji i pomiaru mogą też być inne wielkości fizyczne zmienne w czasie, jeżeli zostaną przetworzone na odpowiednie sygnały napięciowe. Do najbardziej podstawowych zastosowań pomiarowych oscyloskopu elektronowego należą: pomiar napięć, pomiar czasu i częstotliwości, różnicy faz dwu przebiegów, badanie charakterystyk prądowo- napięciowych elementów elektronicznych, oraz badanie układów przekształcających przebiegi (np. układów różniczkujących i całkujących).

• W skład oscyloskopu wchodzą:

- lampa oscyloskopowa

- wzmacniacze odchylania pionowego (Y) i poziomego (X)

- generator podstawy czasu (G)

- urządzenie zasilające (Z).

( Schemat blokowy oscyloskopu elektronowego)

Podstawową częścią składową oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa , na ekranie której powstaje świetlny obraz badanych wielkości fizycznych .Wzmacniacze Y oraz X służą do wzmacniania amplitudy badanych sygnałów w celu umożliwienia obserwacji i pomiarów nawet bardzo słabych sygnałów (o amplitudzie kilku mV). Napięcia wyjściowe, uzyskiwane z obu wzmacniaczy, są przyłożone do odpowiednich par płytek odchylających lampy oscyloskopowej. Napięcia te musz --> [Author:KR。Μz] ą być wystarczająco duże, aby wywołać wyra*ne przesunięcie plamki świetlnej na ekranie. Generator podstawy czasu G służy do wytwarzania napięcia okresowo zmiennego o przebiegu piłokształtnym. Napięcie to podczas jednego okresu wzrasta proporcjonalnie do czasu, a następnie możliwie szybko opada. Częstotliwość drgań generatora podstawy czasu można regulować w szerokim zakresie. Jeżeli napięcie z generatora podstawy czasu doprowadzimy do płytek odchylania poziomego (w lampie oscyloskopowej), to plamka świetlna będzie poruszać się okresowo ruchem jednostajnym, tworząc na ekranie poziomą oś czasową. Urządzenia zasilające oscyloskopu przetwarzają napięcie sieci na napięcie stałe, potrzebne do zasilania wzmacniaczy, generatora podstawy czasu i lampy oscyloskopowej.

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. Jednostajny ruch plamki w kierunku poziomym jest konieczny do uzyskania liniowej skali czasu.

• 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:

a) działa elektronowego, które emituje i skupia elektrony w cienką wiązkę;

b) systemu odchylającego strumień elektronów ;

c) ekranu, wysyłającego światło pod wpływem bombardowania elektronami;

W tylnej, zwężonej części 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.

Elektrony emitowane z katody (elementu działa elektronowego) przyspieszane są w polu elektrycznym między katodą i anodą, i wylatują przez otwór w anodzie z prędkością v. Elektron rozpędzony do prędkości v, wchodzi następnie do obszaru pola elektrycznego poprzecznego. Pole to, wytworzone jest między dwiema płytkami odchylającymi. Po wyjściu z obszaru pola poprzecznego, elektron porusza się dalej z nabytą prędkością, aż do chwili uderzenia w ekran luminescencyjny.

Zadaniem działa elektronowego jest wytworzenie strumienia elektronów, który skupia się na powierzchni ekranu w postaci małego punktu .Ekran pokryty jest substancją zwaną luminoforem. Luminofor pod wpływem bombardowania elektronami wysyła wiązkę światła. Jaskrawość 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 odpowiedniej elektrodzie (lub elektrodach) działa, zyskuje 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 płaszczyźnie 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 płaszczyźnie pionowej. Napięcie (wytwarzane przez generator podstawy czasu) doprowadzone do tych płytek , spowoduje odchylenie strumienia elektronów, a zatem i plamki świetlnej na ekranie w kierunku poziomym. Płytki te zwane są płytkami odchylania poziomego lub płytkami X. Tak więc położenie plamki świetlnej na ekranie w każdym momencie zależy od chwilowej wartości napięć doprowadzonych do obu par płytek.

III. Przyrządy użyte w ćwiczeniu.

• generator G - 432

• oscyloskop elektroniczny

IV. Wyniki pomiarów.

1. Pomiar napięcia i częstotliwości.

a) napięcie o przebiegu prostokątnym

- odczytujemy wartość h (amplituda napięcia) z obrazu oscyloskopu i obliczamy wartość napięcia ze

wzoru:

U_max =
= 3,95 [V]

gdzie:

k_u - współczynnik odchylania

- oraz wartość l, obliczając częstotliwość z zależności:

1250 [Hz]

gdzie:

k_t - współczynnik skali czasu

• obraz oscyloskopu

b) napięcie o przebiegu trójkątnym

- obliczamy wartość napięcia ze wzoru po uprzednim odczytaniu wartości h z oscylogramu:

U_max =
= 3,95 [V]

- i wartość częstotliwości po uprzednim odczytaniu wartości l :

1370 [Hz]

• obraz oscyloskopu

2. Obserwacja napięcia na wyjściu układu różniczkującego.

• schemat badanego układu

• obraz oscyloskopu

• gdzie: U_we - napięcie o przebiegu prostokątnym doprowadzone na wejście układu różniczkującego

U_wy - napięcie na wyjściu układu różniczkującego

V. Wnioski.

Na dokładność pomiaru napięcia z oscyloskopu mają wpływ: dokładność odczytu wartości h (amplitudy), dokładność ta ma charakter subiektywny i w naszym ćwiczeniu oceniam ją na
1mm, wówczas napięcie mierzymy z niepewnością
0,5 V (~163%), przy współczynniku odchylania k_u = 5 V/cm, oraz błąd paralaksy wynikający z oddalenia skali od luminoforu.

Dokładność pomiaru częstotliwości zależy również od dokładności odczytu obrazu tzn. wartości l z ekranu oscyloskopu, dokładność ta w obu przypadkach zależy od rozmiarów i ostrości plamki na ekranie, w tym przypadku również oceniam ja na
1mm, co daje nam niepewność pomiaru częstotliwości
3 Hz (0,2%).

Za pomocą oscyloskopu możemy również obserwować dwa przebiegi jednocześnie np. przebieg doprowadzony na wejście układu różniczkującego i jego kształt po przejściu przez ten układ. Po doprowadzeniu na wejście napięcia o przebiegu prostokątnym U_we, na wyjściu otrzymaliśmy napięcie U_wy równe pochodnej U_we według zależności:

Jeżeli wartości R i C są dostatecznie małe to U_wy jest proporcjonalne do pochodnej
napięcia wejściowego.

Podsumowując: pomiary przeprowadzone przy pomocy oscyloskopu, nie charakteryzują się dużą dokładnością i można powiedzieć, że nie jest to typowy przyrząd pomiarowy. Jego zastosowanie do pomiarów może służyć raczej do ustalenia rzędu badanej wielkości. Natomiast bardzo właściwym wykorzystaniem oscyloskopu jest wizualizacja kształtu przebiegu napięcia lub dwóch przebiegów napięć szybko zmieniających się w czasie, tak jak to miało miejsce w tym przypadku-przy badaniu układu różniczkującego.

Politechnika Wrocławska - Instytut Fizyki © 1998

- 6 -

l

h

l

h

U_wy

U_we

---