Sprawozdanie z ćwiczenia nr 1.

Temat: „Oscyloskop elektroniczny i jego zastosowanie w celu obserwacji kształtu i pomiarów parametrów sygnałów elektrycznych”

Grupa ćwiczeniowa:

1.1. Cel ćwiczenia

Ćwiczenie ma na celu poznanie obsługi oscyloskopu i sposobu wykonywania pomiarów podstawowych parametrów sygnałów elektrycznych. Ćwiczenie przedstawia możliwości zastosowania oscyloskopu do obserwacji charakterystyk parametrów sygnałów elektrycznych.

1.2. Wprowadzenie do tematyki ćwiczenia

1.2.1. Właściwości pomiarowe oscyloskopu

Oscyloskop jest przyrządem pomiarowym służącym do obserwowania, mierzenia i porównywania sygnałów napięciowych oraz sygnałów innych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, które zostały przetworzone na sygnał napięciowy. Pomiary i obserwacja dokonywane są najczęściej w funkcji czasu, co nazywa się pracą X-t oscyloskopu. Istnieje też możliwość pomiaru wielkości nie związanych z czasem, lecz funkcyjnie związanych między sobą, co nazywa się pracą X-Y oscyloskopu. W tym przypadku na ekranie oscyloskopu kreślone są charakterystyki zmiennych niezależnych od czasu, np. charakterystyki prądowo-napięciowe elementów półprzewodnikowych lub charakterystyki magnesowania materiałów magnetycznych.

W stosunku do typowych przyrządów pomiarowych oscyloskop ma dwie ważne zalety - możliwość obserwacji sygnału mierzonego oraz bardzo duża uniwersalność pomiarowa przejawiająca się m.in. dużym zakresem mierzonych wartości napięć o szerokim paśmie częstotliwości. Typowym oscyloskopem można obserwować przebiegi napięć okresowych o częstotliwościach od ok. 20 Hz do kilkudziesięciu megaherców i mierzyć ich wartości od pojedynczych miliwoltów do kilkudziesięciu woltów.

Wadą oscyloskopów jest ich mała dokładność (2…5%). Wynika to z ich dużej niestałości temperaturowej i czasowej oraz z właściwości lampy oscyloskopowej. Znaczne błędy pomiarów wynikają też z niedokładności odczytu parametrów przebiegu obserwowanego na lampie oscyloskopowej. Ponieważ pomiary te polegają na wyznaczeniu długości odcinków wzdłuż osi rzędnych y (przy pomiarze napięcia) oraz wzdłuż osi odciętych x (przy pomiarze czasu), to popełnia się przy tym błędy odczytu - związane z ustaleniem położenia początku i końca mierzonego odcinka. W warunkach wytworzenia na ekranie nieruchomego obrazu o dobrej jasności i ostrości oraz o grubości kreślonej linii nie większej niż 0,5 mm, błąd bezwzględny odczytu będzie wynosił ok. ±1 mm. Pomiar odcinka o długości np. 5 cm, będzie więc obarczony błędem ok. 2%. Uwzględniając błędy odczytów i błąd oscyloskopu uzyskuje się niedokładności pomiarów napięć i przedziałów czasowych (np. okresu przebiegu) o wartościach od kilku do kilkunastu procent i to wówczas, gdy pomiary zostaną starannie wykonane.

1.2.2. Zasada działania oscyloskopu

Obraz na ekranie lampy oscyloskopowej powstaje w wyniku przemieszczania strumienia elektronów przez dwie pary prostopadłych do siebie płytek: odchylania poziomego X i odchylania pionowego Y. Do płytek Y jest podane napięcie proporcjonalne do wartości chwilowej sygnału wejściowego, zaś do płytek X jest przyłożone liniowo narastające napięcie piłokształtne - przesuwające ze stałą prędkością strumień elektronów w kierunku osi X. W wyniku jego oddziaływania na strumień elektronów powstaje obraz przebiegu wartości chwilowych napięcia podanego do pary płytek Y. Źródłem sygnału piłokształtnego jest generator podstawy czasu.

Obserwacje i pomiary oscyloskopem mogą być wykonywane tylko wtedy, gdy obraz przebiegu będzie przez dłuższy czas nieruchomy. Ze względu na istniejące fluktuacje częstotliwości sygnału pomiarowego i sygnału generatora podstawy czasu oraz w warunkach braku między nimi synchronizmu - obraz może się przemieszczać wzdłuż osi czasu z większą lub mniejszą prędkością. Aby temu przeciwdziałać w oscyloskopie istnieją układy synchronizacji sterujące pracą generatora podstawy czasu w ten sposób, aby każdy takt wytworzonego przebiegu piłokształtnego był wyzwalany sygnałem synchronizującym, uzależnionym od przebiegu sygnału pomiarowego.

W praktyce pomiarowej często występuje potrzeba obserwowania dwóch różnych przebiegów i wyznaczania związków zachodzących między nimi, np. stosunku amplitud i przesunięcia fazowego. Do takich pomiarów stosuje się oscyloskopy dwukanałowe, które zawierają dwa tory przetwarzania sygnałów pomiarowych i przełącznik elektroniczny - zwany czoperem, włączający na przemian oba sygnały do płytek odchylania pionowego. Ponieważ przełączanie sygnałów odbywa się odpowiednio szybko to na ekranie nie jest widoczne „migotanie” powstających dwóch przebiegów.

1.2.3. Rodzaje pracy oscyloskopu i elementy nastawne płyty czołowej

Wytworzenie na ekranie prawidłowego obrazu wymaga stosunkowo złożonych czynności manipulacyjnych wieloma przełącznikami i pokrętłami znajdującymi się na płycie czołowej oscyloskopu. Na rys.1.1 przedstawiono uproszczony schemat strukturalny oscyloskopu i wymieniono jego funkcje pomiarowe wybierane elementami nastawnymi.

Zespoły przełączników i pokręteł znajdujących się na płycie czołowej oscyloskopu, ze względu na wykonywane funkcje, można podzielić na:

1. pokrętła ustalające jakość i położenie linii kreślonych na ekranie oscyloskopu,

2. elementy nastawne w torach (kanałach) odchylania pionowego Y, służące do nastawiania rozciągu pionowego,

3. elementy nastawne określające warunki odchylania poziomego X, głównie ustalające warunki pracy generatora podstawy czasu.

Ad. a) Pokrętła ustalające jakość kreślonej linii zwykle znajdują się blisko ekranu i zmieniają jasność linii - INTENSITY oraz ostrość linii FOKUS. Do przemieszczania obrazu w kierunku pionowym i poziomym służą pokrętła POSITION.

Ad. b) W oscyloskopie dwukanałowym, w pobliżu każdego gniazda wejściowego, znajdują się przełączniki spełniające trzy funkcje:

• włączają do oscyloskopu pełny sygnał pomiarowy (pozycja DC),

• włączają do oscyloskopu tylko składową przemienną sygnału pomiarowego (pozycja AC),

• wyłączają sygnał pomiarowy a wejście oscyloskopu zwierają do masy (pozycja jest oznaczona symbolem masy lub GND).

Pozycję zawierającą wejścia do masy stosuje się zwykle po włączeniu oscyloskopu do sieci i wykonywaniu czynności ustalających położenie linii podstawy czasu. Wybór wejścia AC ma najczęściej miejsce w przypadku obserwacji i pomiarów sygnałów przemiennych o dużej składowej stałej. Zastosowanie w tych pomiarach wejścia DC spowoduje „ucieczkę” obrazu poza ekran. Przykładem sygnału pomiarowego o dużej składowej stałej jest napięcie tętnień powstające w zasilaczach sieciowych prądu stałego.

Napięcia podawane do wejść oscyloskopu, w zależności od ich wartości, muszą być odpowiednio wzmocnione lub stłumione, tak aby ich obraz na ekranie był w pełni widoczny. Zmianę wysokości obrazów w obu torach uzyskuje się pokrętłami VOLTS/DIV, ustalającymi w sposób skokowy tzw. współczynnik wzmocnienia - określony w jednostkach mV/dz lub V/dz, gdzie działka odpowiada zwykle jednemu centymetrowi siatki linii na ekranie oscyloskopu. Na wspólnych osiach pokręteł nastawy skokowej znajdują się pokrętła ustalające w sposób ciągły wysokość obrazu przebiegu. Skręcając je maksymalnie w prawo, do położenia CAL, uzyskuje się wyłączenie nastawy ciągłej. Tę pozycję stosuje się zawsze w pomiarach parametrów sygnałów, gdyż tylko wtedy obliczone wyniki są prawidłowe. Natomiast nastawę płynną stosujemy wówczas, gdy potrzebne jest dopasowanie wysokości przebiegu do określonej liczby działek skali ekranu. Ma to miejsce np. w przypadku pomiarów względnego spadku wzmocnienia wzmacniacza przy zmianach częstotliwości napięcia wejściowego, tj. w pomiarach charakterystyki częstotliwościowej.

Rodzaj obserwowanego na ekranie przebiegu ustala przełącznik MODE (lub VERT MODE). Zmiana jego pozycji umożliwia:

• obserwację pojedynczego sygnału z wybranego wejścia (pozycje CH1 i CH2),

• jednoczesną obserwację sygnałów podanych do obu wejść (pozycja DUAL),

• obserwację sumy lub różnicy sygnałów podanych do obu wejść (pozycja ADD).

Jednoczesna obserwacja na ekranie oscyloskopu dwukanałowego dwóch przebiegów jest możliwa przy wyborze pracy dwutorowej. Praca ta jest realizowana na dwa sposoby. Dla sygnałów o niskich częstotliwościach stosuje się metodę kluczowania (przełączania) obu sygnałów pomiarowych z częstotliwością ok. 200kHz. Wtedy, w warunkach obserwacji sygnałów pomiarowych o niskich częstotliwościach, nie większych niż kilka kiloherców, zjawisko nieciągłości linii obu przebiegów staje się niewidoczne. Dla sygnałów o wysokiej częstotliwości stosuje się metodę polegającą na przemiennym włączaniu sygnałów w tor odchylenia pionowego, po każdym pełnym przelocie podstawy czasu przez ekran. Do wyboru rodzaju pracy dwutorowej służy przełącznik z pozycjami CHOP (do obserwacji sygnałów o małej częstotliwości) i ALT (do obserwacji sygnałów o dużej częstotliwości). W niektórych oscyloskopach wybór sposobu pracy dwutorowej odbywa się automatycznie wraz ze zmianą nastawy współczynnika czasu.

Ad. c) Prawidłowy obraz przebiegu sygnału pomiarowego powinien przedstawiać co najmniej jeden okres. Liczba obserwowanych okresów sygnału jest uzależniona od częstotliwości generatora podstawy czasu. Jej regulację przeprowadza się za pomocą dwóch pokręteł z nastawą ciągłą i skokową. Pokrętło nastawy skokowej ustala tzw. współczynnik czasu (TIME/DIV), wyrażony w jednostkach czasu (s, ms, μs) na działkę, gdzie jedna działka odpowiada jednemu centymetrowi siatki linii ekranu. Podobnie jak przy nastawie współczynnika wzmocnienia, jeżeli mają być wykonywane pomiary przedziałów czasu, to należy sprawdzić, czy pokrętło regulacji ciągłej jest wyłączone i znajduje się w pozycji CAL. Pokrętło skokowej nastawy współczynnika czasu ma też pozycję X-Y, w której generator podstawy czasu jest wyłączony a rozciąg poziomy realizowany jest sygnałem pomiarowym włączonym w kanał X oscyloskopu. Jak już wspomniano na wstępie, ten rodzaj pracy oscyloskopu używa się do obserwacji charakterystyk różnych elementów elektrycznych i elektronicznych.

Warunkiem uzyskania na ekranie nieruchomego obrazu jest synchronizacja pracy generatora podstawy czasu z przebiegiem sygnału pomiarowego. W tym celu do generatora jest podawany sygnał synchronizujący, uzyskiwany z układu oscyloskopu bądź z układu wytwarzającego sygnał pomiarowy. Źródła sygnału synchronizującego wybierane są przełącznikiem TRIGGER SOURCE. Do synchronizacji generatora można wybrać:

• sygnał pomiarowy podany do jednego z wejść oscyloskopu (pozycja CH1 lub CH2),

• oba sygnały pomiarowe, stanowiące na przemian sygnał synchronizujący (pozycja VERT),

• sygnał napięcia sieci 230V 50Hz (pozycja LINE), uzyskiwany z zasilacza sieciowego oscyloskopu,

• sygnał ze źródła zewnętrznego, podłączonego do gniazda typu BNC (EXT TRIG IN).

Wybór odpowiedniego sygnału synchronizującego zależy, między innymi, od rodzaju badanych układów, np. w układach pracujących przy częstotliwości napięcia sieci wygodnym sygnałem synchronizującym jest sygnał wewnętrzny, sieciowy.

O stałości obrazu decyduje też nastawa poziomu (wartości) sygnału wyzwalającego generator podstawy czasu - uzyskiwana pokrętłem TRIG LEVEL. Ustala ono moment startu przebiegu podstawy czasu względem poziomu sygnału synchronizującego. Zwykle optymalnym momentem startu generatora jest chwila, w której sygnał pomiarowy, będący zarazem sygnałem synchronizującym, ma największą stromość (np. dla przebiegu sinusoidalnego jest to przejście sygnału przez zero).

Generator podstawy czasu może pracować na dwa sposoby, wybierane przełącznikiem z pozycjami AUTO i NORM. W pierwszym przypadku, w warunkach braku lub zbyt małego poziomu sygnału pomiarowego, generator jest wyzwalany automatycznie, a na ekranie jest widoczna linia podstawy czasu bądź nieustabilizowany obraz przebiegu sygnału pomiarowego. W drugim przypadku, generator pracuje z normalnie wyznaczalną podstawą czasu, co polega na tym, że przy nieobecności lub małym poziomie sygnału pomiarowego, generator nie wytwarza przebiegu piłokształtnego, a plamka jest wygaszana i obraz niewidoczny. Praca normalna jest szczególnie zalecana w obserwacjach przebiegów o niskich częstotliwościach, gdyż wtedy zyskuje się znacznie stabilniejszy obraz przebiegu niż to ma miejsce przy pracy automatycznej.

Program ćwiczenia

1. Obserwacje sygnałów elektrycznych

Do obu wejść oscyloskopu włączamy sygnały napięciowe o różnych kształtach, amplitudach i częstotliwościach uzyskanych z generatora. Regulując elementami nastawnymi płyty czołowej, uzyskaliśmy właściwy obraz badanego sygnału. Podczas regulacji zapoznaliśmy się z funkcjami elementów nastawnych, w tym:

• zasadą uzyskiwania czytelnych obrazów sygnałów (zgodność CH1 i CH2, ustawienie kalibrowania, wybór podstawy czasu)

• wyzwalanie automatyczne i normalne podstawy czasu,

• porównaliśmy wykorzystanie wejść AC i DC do obserwacji sygnałów zmiennych

2. „Peak to peak”

W tej metodzie odczytaliśmy jaki wymiar w działkach ma amplituda oraz okres przebiegu przy danym napięciu i czasie ustalonym na płycie czołowej. Podane napięcie U=2mV / działkę; Czas t = 0,5 ms.

a). amplituda ilość działek na ekranie n = 4.6 dz.

b). okres przebiegu ilość działek n = 4.5 dz.

3. Niekalibrowane ustawienie

Dla niekalibrowanego ustawienia liczymy czas narostu (TR) i czas opadania (TF):

a). TR - ilość działek n = 2.4 dz. ;przy podstawie czasu 0.5μs/dz. Występuje tzw. lupa czasowa więc wynikjeszcze musimy podzielić przez 10

b).TF il. działek n = 2.4 dz przy takiej samej podstawie czasu i występowaniu lupy czasowej.

4. Obserwacja dwukanałowa

Przy parametrach U = 1 mV/dz. Podłączyliśmy dwa sygnały; jednocześnie wybraliśmy opcję „dual”.

Jeden sygnał pochodził z wyzwalacza a drugi z generatora.

5. Obserwacja włączania i wyłączania przekaźnika elektromechanicznego

W tej części ćwiczenia dodatkowo na ekranie oscyloskopu mogliśmy zaobserwować odbicia oraz opóźnienie. Opóźnienie dotyczyło momentu (polecenia) włączenia w stosunku do rzeczywistego czasu włączenia.

6.Część obliczeniowa:

1). Okres i częstotliwość wyznaczono oscyloskopem mierząc długość odcinka odpowiadającego okresowi sygnału. Przy nastawie współczynnika czasu c_t=0,5ms/dz, zmierzona długość wyniosła l_t = 4,5dz. i l_t = 4,6 dz.

Obliczenia:
ms

Hz

Przyjmując: - błąd bezwzględny odczytu długości Δl_t=0,1dz,

- niedokładność odchylenia poziomego δc_t=3%,

to niedokładności względne i bezwzględne pomiaru okresu i częstotliwości wyniosą:

Wyniki pomiarów:

Hz

2). Przy niekalibrowanym ustawieniu:

czas narostu = czas opadania

- błąd względny:

- błąd bezwzględny:

3). Przy włączaniu i wyłączaniu przekaźnika elektromechanicznego:

• sygnał przy włączaniu: t = 10ms/dz.

• 
  sygnał przy wyłączeniu:

błąd względny:

drugi błąd względny:

błąd bezwzględny:

błąd bezwzględny drugi:

Ostatecznie wyniki:

T₁ = (5,2±0,1) ms ;T₂ = (7±1,1) ms

7. Wnioski i uwagi

Dzięki ćwiczeniu mogliśmy się przekonać i wyobrazić sobie jak sygnały elektryczne można przedstawić w postaci graficznej oraz jak obliczyć ich parametry na podstawie policzenia działek i wymnożeniu przez odpowiednie wartości. Metoda ta jak nietrudno się domyślić jest obarczona sporym błędem; w naszym pzypadku wyniósł on maksymalnie ok.5% a minimalnie ok.1,5%. Na błąd procentowy największy wpływ miał odczyt wartości działek. Ekran podzielony był na części o długości 1 cm każda - a oszacowanie jej dziesiętnych części każdej z nich to już kwestia subiektywna i do dyskusji. Bardzo ciekawym zjawiskiem w ostatniej części ćwiczenia był efekt odbicia i opóźnienia przy włączaniu i wyłączaniu przekaźnika elektromechanicznego. Dzięki temu mogliśmy zaobserwować ile mija czasu od zadanego polecenia „włącz” do rzeczywistego włączenia. Są to niewielkie wartości czasu rzędu 5 - 7 ms nie zauważalne dla człowieka podobnie jak i błąd (w końcu operujemy na wartościach z przedrostkami mili- , mikro-) ale warto sobie uzmysłowić, że taki efekt ma miejsce w urządzeniach, maszynach elektrycznych i układach elektronicznych. Mimo, że ćwiczenie nie ma wielu „pozycji pomiarowych” to jego wartość „wizualna” i cel bardziej „poznawczy” niż analizowanie słupków z wynikami ma równie ważne znaczenie praktyczne. Razem z kolegą doszliśmy do wniosku, że wyobrażenie sobie zasady działania oscyloskopu oraz poznanie obsługi bez praktycznego obcowania z „nim” byłoby niezmiernie trudne a wręcz niemożliwe.

Płyty czołowe oscyloskopów mają najczęściej opis w języku angielskim. Powszechnie stosowane symbole i słowa pisane są w tekście drukiem pogrubionym.

1

---