Numer grupy 12b		Nazwisko i imię Krzysztof Mazgaj
Numer ćwiczenia 3	Temat ćwiczenia: Zastosowanie oscyloskopu katodowego

I.Wstęp teoretyczny

Oscyloskop katodowy jest przyrządem stosowanym powszechnie do obserwacji, rejestracji i analizy kształtu czasowych przebiegów okresowych i nieokresowych napięcia i prądu.

Zasadniczym elementem oscyloskopu jest próżniowa lampa oscyloskopowa, przetwarzająca badane napięcie w liniowe przemieszczenie plamki świetlnej na ekranie lampy.

Lampa oscyloskopowa składa się z działka elektronowego wytwarzającego wiązkę elektronów , z zespołu elektrod sterujących strumieniem (przeważnie są stosowane lampy o elektrostatycznym skupianiu elektronów i elektrostatycznym odchylaniu wiązki w układzie współrzędnych prostokątnych) oraz z ekranu luminescencyjnego - tzw. lampa Brauna.

Działko elektronowe stanowi płaska, bezpośrednio żarzona katoda K. Dostarczenie napięcia do katody powoduje wzrost energii elektronów oraz ostateczne ich wybicie z materii katodowej. Pomiędzy katodą a anodą istnieje duża różnica potencjałów, co powoduje przyśpieszenie elektronów wchodzących w skład wiązki. Pierwszą elektrodą skupiajacą jest tzw. ”cylinder Wehnelta” , spełniający rolę siatki i mający względem katody potencjał ujemny, dzięki czemu odpycha on elektrony w kierunku osi lampy i skupia je w obrębie pierwszej anody. Wiazka przechodząc przez pierwszą anodę ulega rozproszeniu (nie jest ona odbiornikiem posiadajacych dużą energię, rozpędzonych cząstek- przechodzą one przez otwór w anodzie i biegną dalej) , dlatego konieczne jest dalsze jej skupianie. Do tego celu służą kolejne elektrody skupiająco - przyśpieszające. Odpowiednio skupiony strumień elektronów padając na ekran pokryty luminoforem tworzy w jego środku świecącą plamkę. Odchylenie plamki w kierunku pionowym lub poziomym uzyskuje się za pomocą dwóch par płytek umieszczonych prostopadle względem siebie (płytki X i Y) . Odchylenie plamki jest proporcjonalne do wartości napięcia przyłożonego na te płytki.

Poza lampą oscyloskop wyposażony jest w: dwa wzmacniacze do wzmacniania napięcia przykładanego na płytki X i Y, generator podstawy czasu, układ synchronizacji, obwody pomocnicze, umożliwiające regulację jasności i ostrości obrazu, przesuwanie obrazu na ekranie. Oscyloskop przez nas badany posiadał również możliwość współpracy z komputerem.

GENERATOR PODSTAWY CZASU- przestrajany w sposób skokowy i ciągły generator napięcia o przebiegu piłokształtnym (napięcie tego generatora wzrasta liniowo w czasie t1 osiągajac wartośc maksymalna Um, nastepnie raptownie maleje w czasie t2<<t1 ). Dzięki podłączeniu go do płytek odchylania poziomego X uzyskujemy stałą liniową podstawę czasu (nadaje badanemu przebiegowi skalę czasową, badany sygnał doprowadza się do płytekY).

Uzyskanie na ekranie oscyloskopu nieruchomego przebiegu napięcia jest możliwe jeżeli częstotliwości: przebiegu badanego fy i przebiegu piłokształtnego fy spełniają zależność:

fy = n fx ; n- liczba naturalna wyrażająca liczbę okresów badanego napięcia, które pojawią się na ekranie oscyloskopu. Spełnienie tego warunku wymaga stosowania układów synchronizujących częstotliwość fx z częstotliwością fy.

Rys.1 Schemat budowy lampy oscyloskopowej

1 - grzejnik

2 - katoda

3 - siatka sterująca

4 - anoda

5 - elektroda ogniskowa

6 - płytki poziome

7 - płytki pionowe

8 - elektroda przyspieszająca ruch elektronów

9 - dno pokryte luminoforem

10 - bańka szklana

II. Część laboratoryjna

II.1 Pomiar parametrów sygnałów periodycznych

II.1.1 przebieg sinusoidalny - wykres załącznik numer 1

A = 2,4 [V]

τ = 136 [μs]

f = 7,35 [kHz]

II.1.2 przebieg prostokątny - wykres załącznik numer 2

A = 2,72 [V]

τ = 52,4 [μs]

f = 19,08 [kHz

II.1.3 przebieg piłokształtny - wykres załącznik numer 3

A = 3,2[V]

τ = 74,2 [μs]

f = 13,47 [kHz]

II.2 Wyznaczenie przesunięcia fazowego między napięciami

II.2.1Pomiar przeprowadza się wyłączając generator liniowej podstawy czasu od płytek odchylania poziomego X oraz podłączając badane sygnały na obie pary płytek (X i Y). Sygnały mają tą samą częstotliwość- różnią się tylko fazą. Prowadzi to do uzyskania na ekranie obrazu pozwalającego na ustalenie różnicy faz po dokonaniu prostych odczytów(y1 i y2- wg rysunku) i skorzystaniu ze wzoru: (φ-przesuniecie fazowe)

φ= - arc sin ( y1/y2 )

Rys.2. Obraz na ekranie oscyloskopu przy doprowadzeniu do płytek odchylania pionowego i poziomego napięć sinusoidalnie zmiennych o takiej samej częstotliwości.

z rysunku odczytano:

y0 = 1 [V]

ym = 1,2 [V]

oraz po podstawieniu do powyższego wzoru uzyskano wartość:

sin(180^o-φ)=

(180^o-φ) = arcsin( 1/ 1,2 )= arcsin(0,83333)= 56° 44`

-φ=-123^o,56'

φ=123^o,56'

II.2.2Wyznaczanie przesunięcia fazowego dwóch sygnałów sinusoidalnie zmiennych- metoda 2- przy wykorzystaniu dwóch kanałów oscyloskopu - wykres załącznik numer 4

Oscyloskop wielokanałowy pozwala na pomiar różnicy faz dowolnych przebiegów w sposób bezpośredni. W tym przypadku po doprowadzeniu napięć o tej samej częstotliwości do oddzielnych kanałów wyznacza się na ekranie oscyloskopu długość odcinka Lx w działkach odpowiadającego różnicy faz pomiędzy obrazami porównywanych napięć. Korzystając ze wzoru:

φ= 2π(L_x/L)

gdzie L-długość odcinka odpowiadającego okresowi napięcia 2π rad wyznaczona z ekranu oscyloskopu, wyznaczamy szukaną wartość przesunięcia faz.

Wg wykresu - załącznik numer 4

L_x=46 [μs]

L=135 [μs]

φ = 2π[(46)/(135)]

φ = 2*0,3407π = 2,13 [rad] = 122,102^o

II.3 Porównanie częstotliwości przebiegów sinusoidalnie zmiennych na podstawie krzywych Lissajous

Jeśli po odłączeniu generatora liniowej podstawy czasu do płytek X podłączymy napięcie o znanej częstotliwości f_x, a do płytek Y napięcie o częstotliwości f_y tak, że spełniony jest stosunek f_y/f_x = m/n to na ekranie oscyloskopu otrzymuje się tzw. krzywe Lissajous, z których kształtu można wyznaczyć stosunek m/n, a co za tym idzie również badaną częstotliwość f_y. W uzyskanych na ekranie krzywych m i n są punktami styczności obrazu do linii poziomej i pionowej.

m

Rys.3. Krzywe Lissajou

Częstotliwość znana f_x wynosiła f_x = 10000 Hz

Wg załączonego rysunku odwzorowującego uzyskany przez nas obraz:

m = 2

n = 1

f_y/f_x = 2 / 1 = 2

f_y = f_x * 2 = 10000 Hz * 2 = 20000 Hz

II.4 Wnioski

Nowoczesny oscyloskop katodowy, jakiego przykładem jest oscyloskop na którym dokonywano pomiaru, jest uniwersalnym narzędziem pomiarowym. Uniwersalność jego polegać może na wielu możliwościach wzbogacania układu pomiarowego na przykład możliwość podłączenia do komputera poprzez port RS 232C (COM), oraz możliwość połączenia wzajemnego oscyloskopów w układzie równoległym dzięki wmontowanym gniazdkom I/O (wejścia/wyjścia) typu BNC. Połączenia takie jednak prowadzić mogą do pewnych strat związanych z długością łączących przewodów jak i ich opornością właściwą dla danego materiału przewodu. Straty spowodowane połączeniem kablowym oscyloskopów mogą powodować również pewne niedokładności pomiarowe, które nam wyszły przy porównaniu przesunięć fazowych. Podstawową zaletą rejestratora wartości elektrycznych jakim jest oscyloskop jest możliwość bardzo dokładnego pomiaru przy zadanej częstotliwości próbkowania. Oscyloskop pomiarowy cechował się częstotliwością próbkowania 40 Mhz, czyli około milion razy większą niż rejestrator analogowy X-Y.

n

ym

y0

---