CZĘŚĆ TEORETYCZNA

1. Lampa oscyloskopowa.

Głównym elementem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa. Na jej ekranie powstaje obraz świetlny obserwowanych sygnałów lub wielkości. Obraz świetlny widoczny na ekranie oscyloskopu jest wynikiem bombardowania ruchomą wiązką elektronów warstwy luminoforu pokrywającego wewnętrzną powierzchnię ekranu. Źródłem wiązki jest działo elektronowe. Katoda emituje elektrony, które następnie przyspieszane są w polu elektrycznym kolejnych anod działa elektronowego. Parametry wiązki takie jak prędkość elektronów w strumieniu i średnica strumienia decydującego o jakości obserwowanego obrazu można regulować pokrętłami panelu czołowego opisanymi jako JASNOŚĆ (INTENSITY) i OSTROŚĆ (FOCUS).
Wyemitowana przez działo elektronowe wiązka jest następnie odchylana zmiennym polem elektrycznym w dwóch układach odchylania: pionowego-Y (VERTICAL) i poziomego-X (HORIZONTAL). Zmiany pola elektrycznego w układach odchylania, wymuszone zmianami napięcia przyłożonego do płytek odchylających, powodują, że wiązka elektronów uderza, w co raz to inne punkty ekranu powodując ruch plamki świetlnej obserwowany jako obraz oscyloskopowy.

Zaletą lamp oscylokopowych jest prosta konstrukcja urządzenia - nie wymagająca skomplikowanych układów dodatkowych, jak w przypadku lamp kineskopowych, oraz bardzo szybka praca - płytki odchylające mają niewielką pojemność i nie wymagają dużych energii nawet przy częstotliwościach rzędu setek MHz.

Wadą lamp oscyloskopowych jest niewielki kąt odchylania strumienia - wynosi on raptem kilka - kilkanaście stopni, co powoduje, że lampy są albo długie, albo mają niewielki ekran. Największe osiągalne w praktyce przekątne ekranu to kilkanaście centymetrów.

2. Termoemisja.

Elektrony związane są z atomem, zawsze krążą dookoła dodatnio naładowanego jądra. Mają więc przeciwny ujemny ładunek. Niektóre elektrony na orbicie zewnętrznej mogą opuścić atom i stać się tzw. elektronami swobodnymi, mają one chaotyczny nieuporządkowany ruch. Ale im wyższa jest temperatura atomów tym ruch elektronów jest coraz szybszy. W pewnych wysokich temperaturach ruchy elektronów będą tak szybkie że niektóre z nich przezwyciężą siły przyciągania atomów i wylecą poza przestrzeń przewodnika w otaczającą ich próżnię. Zjawisko to nazywamy termoemisją. Materiały przewodzące prąd zawsze charekteryzują się dużą ilością elektronów swobodnych. Zjawisko wylatywania elektronów pod wpływem temperatury znalazło zastosowanie w lampach elektronowych, oprócz zwykłych lamp elektronowych z gorącymi katodami mamy również lampy:

- w których elekrony wyciągane są pod wpływem silnego pola elektrycznego
- emisja wtórna, elektrony wylatują pod wpływem bombardowania przez inne elektrony
- fotoemisja, elektrony emitowane są pod wpływem padającego światła.

3. Ruch elektronu w polu elektrostatycznym i magnetycznym.

Na elektron poruszający się w polu elektrostatycznym lub magnetycznym działa siła, zwana siłą Lorenza. Kierunek siły wyznacza się z reguły lewej dłoni: gdy palce lewej dłoni będą wyznaczać kierunek wektora prędkości elektronu, linie sił pola wpadałyby prostopadle do wnętrza dłoni, to kciuk wyznaczy kierunek siły Lorenza. Właściwa siła działająca na elektron w polu magnetycznym jest zwrócona przeciwnie do kciuka, ponieważ ma on ładunek ujemny.

4. Generator podstawy czasu. Pomiary oscyloskopowe.

Nadaje on sygnał, przesuwający plamkę w osi poziomej po luminoforze. Podstawą czasu jest czas trwania jednej działki, którą ustawia się na przyrządzie. Mierzy się ją w jednostce czasu.

Oscyloskopem mierzymy zmiany napięcia w funkcji czasu. Na wejście badanego urządzenia podajemy sygnał z generatora (oczywiście przez kabel koncentryczny) na wyjście podłączamy obciążenie (rezystor) - w przypadku wzmacniacza mocy - natomiast preamp czy bufor nie obciążamy. Częstotliwość sygnału ustawiamy na 1 kHz, która jest ogólnie przyjętą częstotliwością pomiarową. Każdy wzmacniacz ma ograniczone możliwości wzmocnienia sygnału. Przy zbyt wysokiej wartości sygnału wejściowego, wzmacniacz zaczyna "obcinać" wierzchołki sygnału, przez co zniekształcenia nieliniowe drastycznie rosną. Badanie mocy znamionowej jak i współczynnika wzmocnienia badamy przy takiej wartości sygnału wejściowego, by obcinanie sygnału nie było nadmiernie duże. Zniekształcenia nieliniowe wtedy są na poziomie 2-5%, co jest jeszcze akceptowalne słuchowo. 
Praktycznie odbywa się to w ten sposób, że po podłączeniu generatora do wejścia wzmacniacza, potencjometrem głośności ustalamy taki poziom, by na ekranie oscyloskopu dało się zauważyć niewielkie zniekształcenie sygnału. Do takich obserwacji lepszy jest sygnał trójkątny niż sinusoidalny. Do badania mocy znamionowej wzmacniacza używa się sygnału sinusoidalnego, więc będziemy musieli obserwacje przeprowadzić na takim sygnale.

5. Pomiar okresu i częstotliwości.

ANEKS:

BUDOWA LAMPY OSCYLOSKOPOWEJ

Budowa lampy oscyloskopowej: K - katoda, G - grzejnik katody, W - siatka,

- anody, X - płytki odchylania poziomego, Y - płytki odchylania pionowego

ekranująca, E- ekran, P - powłoka grafitowa, O - osłona szklana

Pomiary oscyloskopowe:

Na elektron w polu elektrostatycznym działa siła, wyznaczana ze wzoru:

E - natężenie pola, e - ładunek elektronu(e=1,6*10^-19C)

Lampy oscyloskopowe stanowią główną część oscylografów, elektrokardiografów, urządzeń radarowych i telewizyjnych lamp kineskopowych. Jeśli chcemy badać jakiś krótkotrwały proces przy pomocy oscyloskopu, musimy przetworzyć zachodzące zmiany (np. drgania mechaniczne) na drgania napięcia. Drgania „obrazujące” przebieg badanego zjawiska przykładamy zwykle do płytek odchylania pionowego (płytek poziomych). Do drugiej pary płytek włączamy napięcie powodujące przesuwanie plamki wzdłuż odcinka poziomego od jednego do drugiego końca ekranu. Takie napięcie otrzymuje się w generatorze podstawy czasu. Przykładając jednocześnie do płytek X drgania relaksacyjne i do płytek Y zmiany napięcia odpowiadające badanemu przebiegowi możemy zobaczyć na ekranie wykres tych zmian w funkcji czasu.

CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

1. Wyniki pomiarów.

Wartości ustawione na generatorze PO23 (wzorcowe)		Pomiary przy użyciu oscyloskopu
częstotliwość fgen[kHz]	okres Tgen[ms]	amplituda przebiegu Aosc			podstawa czasu na oscylosk. [ms/działkę]	okres Tosc		częstot-liwość fosc [kHz]	błąd względny δ
				wzmocnienie [mV/dz]		liczba działek	amplituda [mV]			działki	[ms]		δT[%]	δf[%]
0,1	10	1	5	5000	2	4,8	9,6	0,1042	4,00	0,42
1	1	1	5	5000	0,2	5,1	1,02	0,9804	2,00	1,96
10	0,1	0,5	5	2500	0,02	4,9	0,098	10,2041	2,00	2,04
100	0,01	0,5	2	1000	0,002	5,2	0,0104	96,1538	4,00	3,84

2. Obliczenia.

okres i częstotliwość na oscyloskopie obliczamy ze wzorów:

,

błędy względne dla okresu i częstotliwości obliczamy z następujących wzorów (przyjmujemy, że nastawione w generatorze częstotliwości są idealne - wzorcowe):

3. Wnioski.

Użycie nawet bardzo precyzyjnego urządzenia pomiarowego jakim jest oscyloskop nie pozwala ustrzec się przed błędami pomiarowymi. Błędy te są mierzone w bardzo małych jednostkach. Są spowodowane zarówno przez niedokładność urządzenia, którym dokonujemy pomiaru, jak też w głównej mierze - przez ograniczone możliwości badaczy. Człowiek nie jest w stanie idealnie przesunąć wykresu tak, aby pokrył się on z działkami idealnie. Ponadto dochodzi do tego problem bezbłędnego odczytania. Wzrok ludzki jest zbyt niedoskonały, aby odczytać bezbłędnie.

---