Ćwiczenie nr 4

1
Ćwiczenie
Badanie oscyloskopu
Podstawy teoretyczne
Budowa oscyloskopu
Oscyloskop elektroniczny jest przyrządem służącym do obserwacji sygnałów elektrycznych i
pomiaru ich parametrów. Na rys.1 pokazano schemat blokowy oscyloskopu.
Przełącznik
AC/DC
100 nF
AC
C
V/div
Tłumik
Rwe=1M
5 mV/div
DC
Przesuw Y
10 mV/div
GND
20 mV/div
10 V/div
Wzmacniacz Y
Układ
wyzwalania
Wzmacniacz X
Wewn
Generator
podstawy
czasu
Zewn
Zbocze
Auto
Norm
Poziom
Xzewn
Przesuw X
s/div
Rys. 1. Schemat blokowy oscyloskopu
W schemacie blokowym wyodrębnić można cztery bloki funkcjonalne:
- lampę oscyloskopową
- blok odchylania pionowego
- blok odchylania poziomego
- blok wyzwalania i synchronizacji
Podstawowym podzespołem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa, wewnątrz której znajduje się
układ elektrod z żarzoną katodą, emitujący i skupiający elektrony w wiązkę. Elektrony, uderzając w
ekran lampy pokryty materiałem luminescencyjnym, powoduje powstanie punktu świetlnego. Między
zespołem elektrod i ekranem lampy znajdują się dwie pary wzajemnie prostopadłych płytek
odchylających X, Y, które uczestniczą w powstaniu obrazu przebiegu badanego sygnału. Na rysunku 2
pokazano uproszczoną konstrukcję lampy oscyloskopowej.
Anoda
przyśpieszająca
Siatka
Katoda
Jaskrawość
Uy
Ux
1500 V
Rys.2 Budowa lampy oscyloskopowej
2
Badany sygnał u (t) wprowadza się na płytki odchylania pionowego Y lampy oscyloskopowej
poprzez przełącznik wyboru rodzaju wejścia stało- lub zmiennoprądowego, tłumik, czyli nastawny
dzielnik napięcia oraz szerokopasmowy wzmacniacz Y. Załączenie przełącznika w pozycję AC
wprowadza sprzężenie poprzez kondensator, co sprawia, ze z sygnału wejściowego u (t)
wyeliminowana zostaje składowa stała. Nastawny dzielnik napięcia umoż1iwia zmianę
współczynnika odchylania w szerokich granicach od mV/div (mV/działkę) do kilku V/div
(V/działkę), przy czym zwykle współczynniki przyjmują wartości z szeregu liczbowego 1 – 2 – 5 –
np. 0.1 V/div, 0,2 V/div, 0,5 V/div, 1 V/div, 0,2 V/div, 5 V/div. W wielu wykonaniach oscyloskopów
1 działka odpowiada odcinkowi 1 cm i dlatego często w języku potocznym stosuje się jednostkę V/cm.
Współczynnik odchylania wyrażony w V/div określa wartość napięcia stałego lub chwilowego,
jakie należy doprowadzić do wejścia oscyloskopu, aby spowodować odchylenie plamki o odcinek
równy 1div. Rezystancja wejściowa oscyloskopu ma zwykle wartość 1 M i nie zależy od nastawy
współczynnika odchylania..
Do płytek odchylania poziomego X doprowadza się poprzez wzmacniacz X. napięcie o dowolnym
przebiegu z wejścia We X lub z generatora podstawy czasu, który sterowany jest sygnałem
wyjściowym z układu synchronizującego. Synchronizacja może być wewnętrzna (za pomocą
badanego sygnału) lub zewnętrzna ( za pomocą sygnału doprowadzonego z zewnątrz do
odpowiedniego gniazda oscyloskopu).
Na rys. 2a. pokazano widok płyty czołowej oscyloskopu
Rys. 2a widok płyty czołowej oscyloskopu
Powstawanie obrazu
Pod wpływem napięcia stałego doprowadzonego tylko do płytek odchylania Y lub X plamka
świetlna przemieści się w kierunku Y lub X, przy czym odległość pomiędzy nowym położeniem i
położeniem poprzednim plamki jest proporcjonalna do wartości napięcia odpowiednio na płytkach Y
lub X (rys. 3.a,b). Doprowadzenie napięcia stałego do obu par płytek spowoduje, że plamka
przemieści się w położenie będące wynikiem sumy dwóch wymuszeń w kierunku X i Y (rys. 3c.). W
przypadku sterowania jednej pary elektrod napięciem przemiennym o dostatecznie szybkich zmianach
na ekranie widoczny jest odcinek o długości proporcjonalnej do wartości podwójnej amplitudy
napięcia (rys. 3.d).
3
Rys. 3. Powstawanie obrazu na ekranie oscyloskopu
W wyniku doprowadzenia do płytek odchylania X Y napięć sinusoidalnie zmiennych o
identycznej częstotliwości i amplitudzie otrzymuje się na ekranie charakterystyczne obrazy,
zwane figurami Lissajous, pozwalające na wyznaczenie kąta przesunięcia fazowego między
przebiegami napięciowymi (rys. 4).
Rys. 4. Krzywe Lissajous
Wartość przesunięcia fazowego φ oblicza się z zależności:
  arcsin
a
b
(1)
W większości zastosowań oscyloskop służy do obserwacji kształtu przebiegu badanego napięcia
doprowadzonego do płytek odchylania pionowego Y. Obraz tego przebiegu uzyskuje się przez
doprowadzenie do płytek odchylania poziomego X napięcia piłokształtnego z generatora podstawy
czasu (rys. 5). Napięcie to narasta proporcjonalnie do czasu roboczego tr dzięki czemu plamka
Rys. 5. Napięcie piłokształtne generatora podstawy czasu
przesuwa się ruchem jednostajnym od lewej do prawej strony ekranu. Prędkość ruchu plamki zależy
od prędkości narastania napięcia liniowego. W czasie powrotu tr plamka zostaje wygaszona i po lewej
stronie ekranu oczekuje przez czas to (czas oczekiwania) na następny cykl pracy. Zasadę powstawania
obrazu przebiegu badanego napięcia przedstawia rysunek 6, na którym do płytek Y doprowadzono
badane napięcie, a do płytek X napięcie piłokształtne.
4
Rys. 6. Powstawanie obrazu przebiegu u (t) na ekranie oscyloskopu przy sterowaniu płytek X
sygnałem piłokształtnym
Stabilizacja obrazu
Nieruchomy obraz przebiegu na ekranie uzyskamy tylko wtedy, gdy badany przebieg jest
powtarzalny. Aby kolejne obrazy nakładały się na siebie, generator podstawy czasu powinien
pracować synchronicznie z badanym przebiegiem, czyli jego momenty startu winny przypadać
każdorazowo w identycznym punkcie badanego przebiegu. Doprowadzenie do zgodności w czasie
mierzonego przebiegu i piłokształtnego napięcia podstawy czasu nazywa się synchronizacją.
Stabilizację obrazu uzyskuje się za pomocą układu synchronizacji, sterującego generatorem
podstawy czasu. Stosowane są dwa sposoby stabilizacji obrazu: wyzwalanie automatyczne i
wyzwalanie normalne.
 Stosowanie stabilizacji w trybie auto zaleca się zwłaszcza dla niedoświadczonego
użytkownika oscyloskopu Stabilizacja AUTO daje dobre rezultaty pod warunkiem, że
częstotliwość sygnału wejściowego ma wartość większą od kilkunastu Hz. Zastosowanie
pracy auto ułatwia wprawdzie uzyskanie stabilizacji obrazu, ale w żadnym wypadku nie
należy interpretować, że właściwości tego trybu stabilizacji obrazu całkowicie zwalniają
operatora z czynności obsługowych – wręcz przeciwnie, wykonanie takich czynności
zwykle jest konieczne. W celu uzyskania stabilizacji należy ustawić przełącznik źródła
wyzwalania SOURCE w pozycję na ten kanał, do którego doprowadzony jest sygnał
mierzony. Następnie należy pokrętło „POZIOM WYZWALANIA” (LEVEL) ustawić w
takim położeniu, dla którego jest stabilny obraz (w wielu przypadkach wystarczy ustawić
pokrętło LEVEL w środkowym położeniu). Niedoświadczeni użytkownicy oscyloskopu w
celu uzyskania stabilnego (nieruchomego) obrazu zwykle podejmują próby zmiany
nastawy pokrętła współczynnika czasu (s/div), pomijając zupełnie pokrętło LEVEL.
Z reguły są to zabiegi nie przynoszą oczekiwanego rezultatu, a jedynym efektem jest
zmiana ilości okresów przebiegu u(t) rysowanych na ekranie oscyloskopu.
 Stosowanie trybu wyzwalanie normalne „NORM” poleca się bardziej doświadczonym
użytkownikom. Głównym mankamentem tego trybu stabilizacji obrazu jest to, że przy
braku sygnału wejściowego u(t) brak jest na ekranie linii zwanej linią podstawy czasu i w
efekcie użytkownik widzi ciemny ekran. Identyczny efekt ciemnego ekranu oscyloskopu
uzyskuje się dla pracy NORM, gdy sygnał jest wprawdzie doprowadzony, ale poziom
wyzwalania (LEVEL) jest niewłaściwy (np. pokrętło skręcone w jedną ze skrajnych
pozycji). Istotną zaletą pracy norm jest bardzo dobra stabilizacja dla sygnałów o
częstotliwościach z całego pasma przenoszenia oscyloskopu (w tym również dla bardzo
niskich wartości częstotliwości) oraz sygnałów o złożonych kształtach.
5

Pomiary napięcia i czasu za pomocą oscyloskopu
Przykład wyznaczania wartości międzyszczytowej napięcia sygnału sinusoidalnego i okresu sygnału
sinusoidalnego
a) Pomiar napięcia:
Pożądane (ale nie we wszystkich przypadkach jest to konieczne) jest wyznaczyć najpierw wartość
międzyszczytową napięcia, a następnie na podstawie ogólnie znanych elementarnych zależności obliczyć
amplitudę i wartość skuteczną
U pp  K y  Ypp
U pp  2V / div  5,5div  11V
gdzie:
KY - współczynnik odchylania w kierunku Y
Amplituda napięcia :
Um 
U pp
Wartość skuteczna:
2
U sk 
U pp
2 2
b) Błąd pomiaru napięcia:
U pp   Ky  Y
gdzie:
δKY - błąd względny współczynnika odchylania w kierunku Y – z instrukcji oscyloskopu (zwykle 3%)
δY - błąd względny odczytu odcinka Y (szacuje operator)
 odczytu
0,1div
100  1,818%
Y
5,5div
Upp  3%  1,818%  5%
Y 
100 
c) Pomiar okresu
T  KC  X
KC  współczynnik czasu [s/cm].
T  2ms / div  5,7div  11,4ms
d) Błąd pomiaru okresu:
T   Kc   X
X 
odczytu
X
 100 
0,1div
 100  1,754%
5,7div
T  3%  1,754%  5%
6
I Badanie właściwości oscyloskopu
1. Obiekt badania i zakres ćwiczenia
Obiektem badań jest analogowy oscyloskop dwukanałowy. Zakres ćwiczenia obejmuje:
 Badanie właściwości przełącznika AC-DC
 Sprawdzenie wartości współczynnika odchylania toru Y
 Badanie układu stabilizacji
2. Zadania pomiarowe i technika pomiarów
2.1. Badanie przełącznika wyboru rodzaju wejścia AC-DC
2.1.1. Testowanie przełącznika AC-DC
Doprowadzić sygnał do wejścia oscyloskopu zgodnie z punktami. zamieszczonymi w tabeli 1.
Zastosować pracę AUTO. Narysować (fotografia) zaobserwowane obrazy w tabeli .1 dla przełącznika
ustawionego w pozycji DC i następnie AC
Tab.1
Obraz na ekranie dla we AC
Sposób badania
Obraz na ekranie dla we DC
a) Brak sygnału wejściowego –ustawić
linię podstawy czasu na środku ekranu.
W dalszych badaniach (punkty b, c, d, )
pozostawić środkowe położenie linii
odniesienia podstawy czasu. Położenie
linii odniesienia można łatwo sprawdzić
ustawiając odpowiedni przełącznik w
położenie GND
b) Sygnał wejściowy: napięcie stałe np.
:U = 5V .
 Czy rysowane obrazy sygnału u(t) są
identyczne dla we DC i AC
Jeżeli obrazy nie są identyczne należy w
sprawozdaniu uwzględnić komentarz z
wyjaśnieniami
c)
Sygnał
wejściowy:
napięcie
sinusoidalne
u (t) = Um sin  t . Amplituda Um: kilka
V, częstotliwość dowolna z zakresu 50
Hz do kilkaset kHz
 Czy rysowany przebieg ma kształt
sinusoidalny dla we DC i AC
 Czy amplitudy obydwu przebiegów
są identyczne
d) sygnał sinusoidalny ze składową stałą
U0: u (t) = Uo + Um sin  t,
częstotliwość dowolna z zakresu 50 Hz
do kilkaset kHz
(ustawienie składowej stałej U0 za
pomocą pokrętła DC offset generatora)
 Czy rysowane obrazy sygnału u(t) są
identyczne dla we DC i AC
Jeżeli obrazy nie są identyczne należy w
sprawozdaniu uwzględnić komentarz z
wyjaśnieniami
7
Schemat układu pokazano na rys. 7.
Przełącznik
AC/DC
Uwe(t)
Tłumik
V/div
C
U
Rwe=1M
Wzmacniacz Y
Rys.7. Schemat układu do testowania przełacznika AC-DC
Podać wnioski dotyczące wyników testowania.
- Czy działanie przełącznika AC-DC jest prawidłowe (uszkodzony, czy sprawny)
- Wyjaśnić w oparciu o schemat elektryczny i wiadomości z podstaw elektrotechniki przyczyny dla
których występują (lub nie występują) różnice w rysowanych obrazach dla we DC i AC
2.1.2. Badanie charakterystyki częstotliwościowej toru Y.
Jest to zależność Y= f (f) wartości amplitudy (lub wartości międzyszczytowej Ypp) sygnału
sinusoidalnego odczytanej na ekranie w funkcji częstotliwości f tego sygnału, przy zastosowaniu stałej
wartości amplitudy napięcia sinusoidalnego na wejściu oscyloskopu.
Technika pomiarów:
 Do wejścia Y oscyloskopu doprowadzić z generatora sygnał sinusoidalny o częstotliwości
około 1 kHz i amplitudzie o takiej wartości, aby napięcie międzyszczytowe (peak-peak)
wyrażone w działkach miało wartość Ypp1kHz = 6,0 div (ustawić precyzyjnie na wartość
6,0 div) . Napięcie to traktować należy jest jako sygnał odniesienia i w dalszej części
badania nie wolno dokonywać zmian jego wartości
 Badanie należy przeprowadzić dla obu wejść  AC oraz DC  zmieniając częstotliwość w
zakresie od 1 Hz do 1 MHz (szczególnie starannie dokonać pomiarów dla częstotliwości z
zakresu 1Hz- 20 Hz) należy zmierzyć wartości międzyszczytowe Ypp napięcia na ekranie.
Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli 2 i wykonać wykres charakterystyki amplitudowej
wyrażonej w jednostkach względnych zgodnie z zależnością:
Y pp div
(2)
G
 f(f)
Ypp1KHz div
gdzie:
Ypp – wartość międzyszczytowa rysowanego obrazu w div dla nastawionej częstotliwości f
Tab.2a Wyniki pomiarów dla we DC
f
(nastawa generatora)
Hz
Ypp1KHz
Ypp
G
div
div
-
Ypp1KHz
Ypp
G
div
div
-
Tab. 2b Wyniki pomiarów dla we AC
f
(nastawa generatora)
Hz
8
Zadania:
-
wykonać wykresy charakterystyk amplitudowych wyrażonej w jednostkach względnych
G
-
-
Y pp div
Ypp1KHz div
określić pasmo przenoszenia toru Y  jako kryterium szerokości pasma przenoszenia przyjąć
zmianę wysokości rysowanego obrazu o około 5% w stosunku do wartości uzyskanej dla
częstotliwości 1 kHz,
Wyjaśnić przyczynę różnic pomiędzy dolnymi granicami pasma przenoszenia dla wejść AC i
DC.
obliczyć wartość pojemności sprzęgającej C przełącznika AC-DC. Do obliczeń wykorzystać
informację, że Rwe oscyloskopu (rezystancja wejściowa tłumika) ma wartość Rwe = 1 MΩ oraz
dane z tabeli 2 (dla częstotliwości np. 5 Hz
2.1.3 Badanie zniekształceń kształtu sygnału
Do wejścia oscyloskopu należy doprowadzić sygnały wejściowe o kształtach sinusoidy, prostokąta,
trójkąta o parametrach podanych w tabeli 3. Narysować (Ew. fotografia) uzyskane obrazy dla wejść
DC i AC.
Tab.3
Sposób badania
DC
AC
a) Sygnał sinusoidalny, amplituda 2-3 V. w
okienkach narysować (fotografia) kształt dla
częstotl. f = 20Hz
Zadania:
 Czy rysowany przebieg ma kształt
sinusoidy
 Czy wzrost częstotliwości sygnału
powoduje zmianę kształtu sygnału
(pogorszenie, ew. polepszenie)
b) Sygnał prostokątny, amplituda 2-3 V. w
okienkach narysować (fotografia) kształt dla
częstotl. f = 20Hz
Zadania:
 Czy rysowany przebieg ma kształt
prostokątny
 Czy wzrost częstotliwości sygnału
powoduje zmianę kształtu sygnału
(pogorszenie, ew. polepszenia)
 Od jakiej wartości częstotliwości można
uznać, że kształt rysowanego przebiegu
odpowiada prostokątnemu
b) Sygnał trójkątny, amplituda 2-3 V. w
okienkach narysować (fotografia) kształt dla
częstotl. f = 20Hz
Zadania:
 Czy rysowany przebieg ma kształt
trójkątny
 Czy wzrost częstotliwości powoduje
zmianę kształtu sygnału (pogorszenie, ew.
polepszenia)
 Od jakiej wartości częstotliwości można
uznać, że kształt rysowanego przebiegu
odpowiada trójkątnemu
9
2.2. Przenikanie zakłóceń do obwodu pomiarowego
Przenikanie zakłóceń do obwodu pomiarowego. Po odłączeniu kabla pomiarowego od źródła
sygnału należy sprawdzić doświadczalnie, jakie efekty na ekranie uzyskuje się przez dotknięcie ręką
metalowej tylko końcówki przewodu "gorącego" i następnie przez dotknięcie tylko końcówki
przewodu "masy" (końcówkę gorącą należy wtedy puścić) kabla pomiarowego oscyloskopu. Uzyskać
obraz przebiegu zakłócającego i wyznaczyć wartość częstotliwości i amplitudy tego przebiegu.
Sprawdzić doświadczalnie efekt przenikania zakłóceń spowodowany zbliżeniem (zetknięciem)
przewodu gorącego do izolowanego kabla sieciowego podłączonego do sieci 230 V. Wynik badań
zilustrować na rys. 8 (fotografia lub szkic ).
Obraz sygnału zakłóceń
Rys.8 Obraz zakłóceń zarejestrowanych (fotografia) na ekranie oscyloskopu
Zadanie:
 wyjaśnić zaobserwowane zjawiska z wykorzystaniem schematu elektrycznego przedstawiającego
obwód prądu zakłócającego,
 narysować obraz (fotografia) uzyskanego przebiegu i określić: okres rysowanego przebiegu T,
częstotliwość f i amplitudę Um odpowiednio z zależności (3) (4) i (5)
:
T = KC  X
f 
1
T
U m  KY 
Ypp
(3)
(4)
(5)
2
gdzie
- KC  współczynnik czasu [ms/div] (zalecane jest ustawienie przełącznika współczynnika czasu na
wartość 10 ms/div lub 5ms/div).
- Ky – nastawa współczynnika odchylania [V/div] – należy dobrać wartość współczynnika odchylania
tak, aby uzyskać odpowiednio duże wymiary obrazu przebiegu napięciowego
- Ypp odległość odpowiadająca wartości napięcia międzyszczytowego Upp


10
II Pomiary napięć i czasu za pomocą oscyloskopu
1. Pomiary napięcia i czasu oscyloskopem
Obiekty badań i zakres ćwiczenia
Wielkością mierzoną jest napięcie stałe U0 na wyjściu zasilacza stabilizowanego (kilka V) i
parametry sygnału sinusoidalnego wytwarzanego za pomocą generatora funkcyjnego - wartość
skuteczna Usk i częstotliwość f . Sposób pomiaru: patrz podstawy teoretyczne str 5 instrukcji.
a) Pomiar napięcia stałego U0 zasilacza stabilizowanego
Schemat układu pokazano na rys. 9
Ch1
Ch2
U
Rys. 9 Pomiar napięcia zasilacza
Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 1
Tab.1 Pomiar parametrów sygnału stałoprądowego
Y
KY
Uwagi
div
V/div
Wartość zmierzona
multimetrem:
U = …….
U0
Uo
V
%
b) Pomiar parametrów sygnału sinusoidalnego
należy zastosować sygnał sinusoidalny o częstotliwości (kilkaset Hz) z generatora.
Schemat układu pokazano na rys. 10
Ch1
Ch2
Rys. 10 Pomiar parametrów napięcia sinusoidalnego
Na podstawie obrazu przebiegu wyznaczamy wartość napięcia międzyszczytowego Upp i następnie
obliczamy wartość skuteczną Usk. Uzyskany wynik pomiaru wartości skutecznej należy porównać ze
wskazaniem multimetru.
Tab.2 Pomiar parametrów sygnału sinusoidalnego
Ypp
KY
Upp
Upp
Uwagi
div
V/div
V
%
Wartość
zmierzona
multimetrem:
Usk = …….
Usk
X
KC
T
f
T
V
div
ms/div
ms
Hz
%
11
2. Zastosowanie oscyloskopu do pomiaru parametrów napięcia w stanie jałowym i napięcia
tętnień prostego zasilacza
Cel: Badanie ma na celu zaprezentować konieczność zastosowania odpowiedniej pozycji przełącznika
AC-DC w przypadkach, gdy dokonywany jest pomiar zarówno składowej stałej sygnału, jak i pomiar
składowej zmiennej o niewielkiej wartości w porównaniu do wartości składowej stałej.
Schemat układu pokazano na rys. 1
D
Oscyloskop
Uwe
Uwy
Transformator
Rys.1.
Należy zmierzyć wybrane parametry napięcia wyjściowego zasilacza : napięcie U0 w stanie
jałowym, napięcie międzyszczytowe tętnień UY oraz okres T napięcia tętnień.
Uwaga: tętnienia na wyjściu zasilacza ujawniają się po obciążeniu jego wyjścia.
Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 3 i tabeli 4.
Tab.3 Pomiar parametrów składowej sygnału stałoprądowego
Y
KY
U0
.Uwagi
div
V/div
V
Tab.4 Pomiar parametrów sygnału tętnień
Ypp
KY
Upp
Upp
.Uwagi
div
V/div
V
%
…….
X
div
KC
T
ms/div ms
U0
%
f
Hz
T
%