oscyloskop metrologia_cw6.pdf

Laboratorium Metrologii

Ćwiczenie nr 6

Oscyloskop.

I. Zagadnienia do przygotowania na kartkówkę:

1. Wyznacz napięcie międzyszczytowe, amplitudę, okres i

częstotliwość sygnału sinusoidalnego zarejestrowanego

oscyloskopem zakładając, Ŝe na osi X pełen okres zajmuje

6 działek a na osi Y sygnał zajmuje 4,5 działki. Podstawa

czasu 2 s/ div, czułość wejściowa kanału pomiarowego

200 mV/div.

2. Wyjaśnij zasadę działania lampy oscyloskopowej. Narysuj

przekrój typowej lampy. Wyjaśnij działanie układów

odchylających.

3. Wyjaśnij pojęcie: podstawa czasu. Opisz do czego słuŜy

ten sygnał. Narysuj typowy przebieg. WskaŜ jednostkę w

jakiej podajemy wartość podstawy czasu.

4. Opisz działanie trzech trybów sprzęŜenia sygnału

wejściowego.

5. Opisz co najmniej cztery moŜliwe sposoby wyzwalania

podstawy czasu. Dla wybranego trybu narysuj moŜliwy

przebieg sygnału wejściowego, impulsów wyzwalania i

podstawy czasu.

6. Jak będzie wyglądać przebieg na ekranie oscyloskopu w

trybie XY jeśli do wejścia X podłączymy sygnał trójkątny

( nie piłokształtny! ) a do wejścia Y przebieg sinusoidalny o

tym samym okresie..

II. Literatura:

1. „Pomiary oscyloskopowe”, Jerzy Rydzewski, WNT 2007

2. http://www.edw.com.pl/, cykl „Oscyloskop

najwaŜniejszy przyrząd pomiarowy w pracowni

elektronika”

3. „Oscyloskop elektroniczny”, Jerzy Rydzewski, WKiŁ

1982

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

1. Wstęp

Oscyloskop jest jednym z podstawowych przyrządów pomiarowych w

laboratorium elektronicznym. Jego głównym zadaniem jest umoŜliwienie obserwacji

sygnałów napięciowych zmiennych w czasie. Oscyloskop pozwala nam na uchwycenie

pewnego okna czasowego i wyświetlenie przebiegu napięcia podczas trwania tego odcinka

czasu. Do podstawowych parametrów oscyloskopów naleŜą:

• pasmo częstotliwości, do których obserwowania oscyloskop jest przeznaczony,

• zakres napięć wejściowych – maksymalne i minimalne napięcie jakie jest moŜli

we do obserwacji danym modelem oscyloskopu,

• zakres podstawy czasu – długość odcinka czasu, jaki moŜemy wyświetlić na ekra

nie oscyloskopu (typowo od milisekund do kilku sekund),

• liczba torów wejściowych – liczba sygnałów, które moŜemy obserwować jedno

cześnie.

Oscyloskop jest bardzo uniwersalnym narzędziem. Pozwala on uchwycić Ŝądany fragment

sygnału zmiennego (np. jeden okres) a następnie dowolnie go powiększać i przesuwać na

ekranie. UmoŜliwia nam to wyznaczenie między innymi takich parametrów sygnału jak:

• kształt sygnału

• napięcie międzyszczytowe U p-p (ang. peak-peak )

• okres Τ i częstotliwość f sygnału,

• czas narastania Τ r i opadania Τ f impulsu prostokątnego,

• przesunięcie fazowe dwóch sygnałów Φ.

NaleŜy podkreślić, Ŝe większość obecnie dostępnych oscyloskopów cyfrowych oferuje

szeroki wachlarz parametrów obliczanych automatycznie dzięki operacjom cyfrowym. Do

parametrów takich moŜemy zaliczyć m.in. wartość średnią i skuteczną napięcia. Istnieją

takŜe modele oscyloskopów potrafiące wykonać szybką transformatę Fouriera FFT na

mierzonym sygnale lub wyznaczyć współczynnik zniekształceń harmonicznych.

Obecnie najczęściej spotykanymi oscyloskopami są oscyloskopy cyfrowe. Prostsze

od strony pojęciowej są jednak oscyloskopy analogowe. Wyrobienie sobie pewnej intuicji i

zrozumienie działania oscyloskopu analogowego pozwala w prosty sposób zrozumieć ideę

działania oscyloskopów cyfrowych – ich bloki funkcjonalne, mimo iŜ bardziej

wyrafinowane technicznie, pełnią tą samą funkcję.

Podstawowym elementem oscyloskopu analogowego jest lampa oscyloskopowa,

której schemat budowy przedstawiono na rys. 1. Jest to rodzaj kineskopu pozwalający

przetworzyć chwilowe napięcie na płytkach odchylania (pionowego i poziomego) na

połoŜenie wiązki elektronowej na powierzchni luminoforu (materiału emitującego

promieniowanie świetlne pod wpływem bombardowania elektronami).

Rys. 1 Schemat budowy lampy oscyloskopowej.

Lampa elektronowa wytwarza strumień elektronów. PodąŜając w kierunku czoła lampy

pokrytego luminoforem elektrony przelatują przez układ płytek odchylania poziomego X

oraz odchylania pionowego Y. Napięcie przyłoŜone do płytek powoduje powstanie

jednorodnego pola elektrycznego, które w konsekwencji odchyla wiązkę elektronów w

danym kierunku (X lub Y). Zakrzywienie toru elektronów zmienia połoŜenie plamki

świetlnej na powierzchni czołowej lampy oscyloskopowej.

Ekran lampy oscyloskopowej moŜemy traktować jak układ współrzędnych, w

których porusza się plamka (rys. 2). NaleŜy podkreślić, iŜ luminofor zastosowany w

lampach oscyloskopowych róŜni się od tego stosowanego w kineskopie telewizora czy

monitora komputerowego, gdyŜ charakteryzuje się pewną bezwładnością. Pobudzony do

świecenia bardzo krótkim impulsem będzie powoli wygasał. Czas, w którym punkt na

luminoforze będzie nadal widoczny pomimo braku pobudzenia nazywamy tzw. czasem

poświaty. Zjawisko to pozwala uzyskać na ekranie oscyloskopu stabilne dla oka ludzkiego

obrazy. Warunkiem jest wystarczająco szybki ruch plamki po powierzchni luminoforu.

Wpływ napięć odchylania na połoŜenie plamki przedstawiają poniŜsze rysunki:

Rys. 2 Ekran lampy oscyloskopowej przy braku sygnału odchylającego (X 1 ,X 2 potencjały

przyłoŜone do płytek odchylania poziomego, Y 1 , Y 2 – potencjały przyłoŜone do płytek odchylania

pionowego) .Wiązka elektronów nie jest odchylana w Ŝadnym kierunku i pada na środek ekranu.

Rys. 3 Ekran lampy oscyloskopowej po przyłoŜeniu do płytek odchylania poziomego (X)

napięcia stałego dodatniego oraz do płytek odchylania pionowego (Y) napięcia stałego ujemnego.

Wiązka została odchylona o trzy kratki (tzw. działki) w prawo oraz od dwie kratki (działki) w dół.

Przyjmijmy teraz, Ŝe do płytek Y 1 ,Y 2 przyłoŜone zostanie napięcie sinusoidalne. Obraz

uzyskiwany na ekranie lampy oscyloskopowej przedstawiony został na rys. 3.

Rys. 3 Ekran lampy oscyloskopowej po przyłoŜeniu napięcia sinusoidalnego do płytek

odchylania pionowego (Y 1 , Y 2) .

Przebieg napięciowy zobrazowany został jako pojedyncza „kreska” na środku

ekranu lampy oscyloskopowej. Wysokość sygnału w osi Y zaleŜy od amplitudy

badanego sygnału oraz od czułości napięciowej kanału, którym dokonujemy pomiaru.

Czułość napięciową wyraŜamy w woltach na działkę (z ang. V/div). KaŜdy z kanałów

oscyloskopu posiada na wejściu układ tłumiący i układ wzmacniający. UŜytkownik

oscyloskopu posiada moŜliwość sterowania tłumieniem i wzmacnianiem, przez co

moŜe widoczną na ekranie kreskę dowolnie rozciągać w pionie lub w poziomie.

NaleŜy zadać sobie jednak pytanie: jak uzyskać pełen obraz sygnału? Jak „rozciągnąć”

przebieg w osi X?. Doprowadźmy do płytek X 1 , X 2 sygnał piłokształtny.

Rys. 4 Sygnał piłokształtny

Wynik takiego eksperymentu przedstawiono na rys. 5.

Rys. 4 Schematyczne przedstawienie przebiegów doprowadzonych do lampy oscyloskopowej i

uzyskany obraz.

Jak widać uzyskano obraz pełnego przebiegu sinusoidalnego. Piłokształtny

przebieg sterujący doprowadzony do płytek X 1, X 2 nosi nazwę podstawy czasu . Układ

wytwarzający napięcie odchylania poziomego (tzw. generator podstawy czasu)

znajduje się wewnątrz kaŜdego oscyloskopu. ). Liniowy narost podstawy czasu, w

trakcie podawania sygnału wejściowego na okładki płytek odchylania pionowego,

powoduje przesuwanie wiązki elektronów z lewej na prawą stronę ekranu. Powtarzając

okresowo piłokształtny przebieg podstawy czasu odświeŜamy obraz. Jeśli okres

sygnału piłokształtnego będzie równy okresowi sygnału wejściowego (w tym

przypadku jest to sygnał sinusoidalny) to na ekranie oscyloskopu ujrzymy jeden pełny

okres mierzonego przebiegu. Gdy zwiększymy częstotliwość sygnału podstawy czasu

dwukrotnie – na ekranie ujrzymy dwa pełne okresy mierzonego przebiegu. Za pomocą

częstotliwości podstawy czasu moŜemy dowolnie regulować długość fragmentu

sygnału wejściowego, który chcemy oglądać.

Jako jednostkę podstawy czasu przyjmujemy czas, który odpowiada przesunięciu

się plamki na ekranie oscyloskopu w kierunku osi X o jedną działkę i wyraŜamy w

sekundach na działkę (z angielskiego s / div ). Sygnał podstawy czasu definiuje się więc

podając informację jaki fragment sygnału wejściowego mieści się w jednej działce na

ekranie.

Powrót plamki do połoŜenia odpowiadającego lewej krawędzi ekranu powinien być

niewidoczny i trwać jak najkrócej, dlatego teŜ sygnał podstawy czasu ma przebieg

piłokształtny – jedno ze zbocz jest niemalŜe pionowe. Zaraz po powrocie plamki do

lewej krawędzi ekranu startuje następny okres sygnału podstawy czasu. Plamka znowu

przesuwa się w stronę lewej krawędzi Przy takim podejściu obraz uzyskiwany na

ekranie moŜe być niestabilny (rys. 6). Jeśli okres sygnału podstawy czasu jest róŜny od

całkowitej wielokrotności sygnału wejściowego kaŜdy początek pojedynczego okresu

podstawy czasu przypadać będzie na inny punkt początkowy przebiegu badanego.

Skutkuje to „płynięciem” obserwowanego sygnału. Mówimy wtedy o braku

synchronizacji podstawy czasu.

Rys. 6 Przebiegi na ekranie oscyloskopu bez synchronizacji podstawy czasu.

Aby wyeliminować tą niedogodność, naleŜy uzaleŜnić przebieg podstawy czasu od

przebiegiem obserwowanego. Synchronizacji tej dokonuje się w układzie wyzwalania

podstawy czasu (tzw. TRIGGER) . Istnieje kilka sposobów wyzwalania podstawy

czasu m.in.:

• wyzwalanie zadanym poziomem napięcia sygnału wejściowego,

• wyzwalanie zboczem (poziom napięcia + kierunek jego zmian)

• wyzwalanie automatyczne (samowyzwalanie – brak synchronizacji)

• wyzwalanie zewnętrzne (dodatkowym sygnałem)

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: