Sprawozdanie - Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej
Zakład Metrologii i Badań Jakości
WROCŁAW
Wrocław, dnia
Rok i kierunek studiów
Grupa (dzień tygodnia i godzina rozpoczęcia zajęć)
1.
Imię i nazwisko
Laboratorium Podstaw Metrologii
2.
Imię i nazwisko
Ćwiczenie 4
3.
Imię i nazwisko
Oscyloskopy
Ocena parametrów elektrycznych sygnałów pomiarowych.
1. Wstęp
Oscyloskop jest uniwersalnym przyrządem pomiarowym, stosowanym do obserwacji odkształconych przebiegów elektrycznych
i pomiaru ich parametrów. Odpowiednio dobrany układ pracy oscyloskopu pozwala nie tylko mierzyć parametry przebiegu
odkształconego ale również zdejmować charakterystyki statyczne i dynamiczne przyrządów elektronicznych, mierzyć przesunięcie
fazowe, rezystancję dynamiczną i inne. Schemat blokowy oscyloskopu przedstawiono na rysunku.
Obwody
wejściowe
wejście X,Y
Lampa
oscyloskopowa
Wzmacniacz
X
Układ
synchronizacji
Generator
podstawy czasu
Wzmacniacz
Y
Głównym podzespołem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa. Jest to element, w którym strumień elektronów może odchylać się
w polu magnetycznym lub elektrycznym, z jednej strony znajduje się działo elektronowe, czyli zespół elektrod emitujących elektrony,
z drugiej strony znajduje się ekran pokryty od wewnątrz warstwą substancji fluoryzującej, czyli wysyłającej światło pod wpływem
podającej na nią wiązki elektronów. Elektrony są wysyłane przez podgrzaną katodę w kierunku ekranu, anody przyspieszają ich
ruch.
Strumień wysyłających elektronów można odchylać od osiowego obiegu układem elektrod złożonym z pary płytek odchylania
pionowego Y i poziomego X. Jeżeli do jednej pary płytek przyłożymy stałą różnicę potencjałów to pole elektrostatyczne odchyli
wiązkę elektronów w kierunku elektrody o wyższym potencjale. Jeżeli przyłożymy zmienną w czasie różnicę potencjałów,
to elektrony będą wykonywały drgania pomiędzy tymi elektrodami. Przy dostatecznie dużej częstotliwości zmian napięcia będziemy
obserwować na ekranie oscyloskopu jasną kreskę jako ślad drogi, po której wędruje strumień elektronów. W celu obserwacji
przebiegu napięć do płytek odchylania poziomego należy przyłożyć napięcie o piłokształtnym przebiegu.
Napięcie takie jest generowane przez generator podstawy czasu. Napięcie wzrasta linowo proporcjonalnie do czasu, a plamka
świetlna przesuwa się równomierne od lewej strony ekranu do prawej, po osiągnięciu wartości maksymalnej napięcia bardzo szybko
powraca do swojej wartości początkowej. Jeżeli teraz do płytek odchylania pionowego Y przyłoży się napięcie o nieznanym
przebiegu to zostanie ono odwzorowane na ekranie przez ruchomą wiązkę elektronów.
Zadaniem bloku synchronizacji jest dostrojenie częstotliwości napięcia podstawy do czasu tak, aby była ona równa całkowitej
wielokrotności częstotliwości przebiegu badanego. W przypadku synchronizacji obraz na ekranie lampy jest nieruchomy, generator
podstawy czasu może być wyzwolony przebiegiem badanym lub innym napięciem okresowym doprowadzonym z zewnątrz
2. Poznanie podstawowych własności oscyloskopu.
a) Po włączeniu oscyloskopu (POWER)i ukazaniu się obrazu plamki na ekranie – sprawdzić zakresy regulacji:
ostrości (FOCUS*) i jasności obrazu (INTEN);
możliwości przemieszczania obrazu w pionie (POSITION ) i poziomie (POSITION );
poziomu wzmocnienia kanałów oscyloskopu (VOLTS/DIV).
b) Zaobserwować ruch plamki na ekranie oscyloskopu przy najmniejszych jej prędkościach ruchu. Znając szerokość ekranu (długość
drogi poziomego ruchu plamki na ekranie), przy pomocy stopera wyznaczyć odpowiadające tym prędkościom częstotliwości napięcia
podstawy czasu.
fmin =
[Hz]
c) Zwiększając stopniowo prędkość plamki określić moment uzyskania obrazu linii poziomej, ciągłej. Określić najmniejszą wartość
częstotliwości napięcia podstawy czasu, przy której obraz plamki na ekranie jest widziany jako odcinek linii ciągłej.
fminl =
[Hz]
*) W nawiasach podano oznaczenia odpowiednich przełączników widoczne na przednim panelu oscyloskopu OS5020G
1
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej
Zakład Metrologii i Badań Jakości
WROCŁAW
d) Zmieniając pokrętłem wartość częstotliwości napięcia podstawy czasu (TIME/DIV), ocenić wpływ prędkości narastania napięcia
podstawy czasu na jasność obrazu plamki na ekranie. Zanotować wnioski z obserwacji:
e) Korzystając z kalibratora wbudowanego do oscyloskopu (złącze oznaczone OUTPUT) doprowadzić do wejścia toru Y – kanał 1
(złącze oznaczone CH1.X.) lub kanał 2 (złącze oznaczone CH2.Y.) – kalibrowane napięcie. W polu .VERTICAL. ustawić w
odpowiedniej pozycji przełącznik (MODE) wybierając jako źródło sygnału kanał 1 (CH1) lub kanał 2 (CH2). Dla kilku wybranych
czułości wzmacniacza w torze Y zmierzyć na ekranie wychylenie plamki w pionie. Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli, oznaczając
jako:
S y = K y ⋅ S L – czułość toru Y [mm/V]
gdzie:
Ky – wzmocnienie wzmacniacza,
SL – czułość lampy oscyloskopowej w kierunku pionowym).
y
– wychylenia plamki w pionie [mm],
U y = S y ⋅ y – wyznaczone z pomiaru napięcie w układzie odchylania pionowego [V]
Tab.1 Wyniki pomiarów wychylenia plamki
Czułość Sy wzmacniacza
[V/dz]
Napięcie kalibracji
[V]
Wzmacniacz toru Y
y [dz]
Uy [V]
2. Pomiar sygnałów periodycznych.
a) Ciąg impulsów o przebiegu prostokątnym (rys.)
τi
okres
amplituda
Um
czas narastania
frontu przedniego
t fk
t fp
czas opadania
frontu tylniego
ti
czas trwania impulsu
b) Ustawić na generatorze sygnał sinusoidalny zmiennego napięcia (pole -FUNCTION-, przycisk
)
c) Doprowadzić sygnał do wejścia oscyloskopu tak dobierając czułość wzmacniacza (VOLTS/DIV) aby amplituda sygnału mieściła
się w całości na ekranie, a podstawę czasu (TIME/DIV) tak, aby na ekranie były dwa okresy przebiegu sinusoidy. Podczas
obserwacji skorzystać z różnych możliwości wyzwalania przebiegu (pole -TRIGGEER-, przełącznik MODE): automatycznie,
zboczem narastającym i opóźniającym badanego przebiegu
d) Wyznaczyć amplitudy Um i okresy τ sinusoidalnie zmiennych sygnałów napięciowych o różnych częstotliwościach. Dla ciągu
impulsów o przebiegu prostokątnym wyznaczyć: czas trwania impulsu ti, okres przebiegu ciągu impulsów τ i, czas narastania frontu
przedniego τ fp, i opadania frontu tylnego τ fk. Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli.
Tab. 2 Wyniki pomiarów
Ciąg impulsów prostokątnych
Napięcie sinusoidalne
f [Hz]
Um.[V]
δU [%]
τ [s]
δτ [%]
ti [s]
δti [%]
2
τi [s]
δτ [%]
tfp [s]
δtfp [%]
tfk [s]
δtfk [%]
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej
Zakład Metrologii i Badań Jakości
WROCŁAW
e) Wyznaczyć błąd pomiaru δ z zależności:
∆Ymax
δ =
Yz
gdzie:
∆Ymax – graniczny błąd pomiaru równy działce elementarnej ekranu oscyloskopu [mm],
Yz
– wartość zmierzona na ekranie oscyloskopu [mm]
δ=
=
f) Określić zmianę parametrów sygnału sinusoidalnego po przejściu przez przetwornik inercyjny. Schemat przetwornika
przedstawiono na rysunku.
R
C
Uo
R
C
C
Um1
Um2
Na wejście przetwornika podać napięcie sinusoidalnie zmienne Uo z generatora (OUTPUT) – sygnał ten podać również na jedno z
wejść oscyloskopu: kanał 1 (złącze oznaczone CH1.X.) lub kanał 2 (złącze oznaczone CH2.Y.). Na drugie wejście oscyloskopu
doprowadzić sygnał wyjściowy z przetwornika – w polu .VERTICAL. ustawić przełącznik (MODE) w pozycji DUAL. Zmieniając
częstotliwość sygnału generatora w zakresie od 20 Hz do 200 kHz wyznaczyć z ekranu wartości amplitud i przesunięć sygnału
wyjściowego. Należy zwrócić uwagę aby sygnał wejściowy miał w każdym przypadku taką samą amplitudę. Pomiary napięć wykonać
dla dwóch układów filtra (pojedynczego – Um1 i podwójnego – Um2). Wyniki zamieścić w tabeli
Tab. 3 Wyniki pomiarów z wykorzystaniem przetwornika inercyjnego
f [Hz]
log f
2Um1
2Um2
g(ω) = 2Um/2Uo
φ
G(ω) = 20 log g(ω)
g) Na podstawie pomiaru sygnału na ekranie oscyloskopu wyznaczyć wartości przesunięcia fazowego φ [rad] napięcia sygnału
wyjściowego względem sygnału wejściowego. Wartość tę dla kolejnych częstotliwości wyznaczać z zależności:
ϕ=
lp
l
⋅ 2Π
τ=l
okres
Uo
Um
lp
3
przesunięcie
fazowe
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej
Zakład Metrologii i Badań Jakości
WROCŁAW
3 Wyznaczanie charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej
a) Do wejścia oscyloskopu doprowadzić z generatora napięcie sinusoidalne o regulowanej częstotliwości f z przedziału od 20Hz do
maksymalnej częstotliwości. Na ekranie dokonać pomiaru amplitudy sygnału początkowego Umo, a następnie wartości amplitudy
sygnału dla kolejnych częstotliwości Um. Wyniki zamieścić w tabeli.
Tabela 4
f
Um. [V]
50Hz
f
5kHz
Um
f
800kHz
Um
100Hz
250Hz
500Hz
750Hz
1kHz
20kHz
50kHz
100kHz
250kHz
500kHz
1MHz
2MHz
5MHz
7,5MHz
1MHz
na podstawie uzyskanych wyników sporządzić charakterystykę amplitudowo-częstotliwościową
g (f ) =
Um
U mo
Uwaga! - oś odciętych (oś częstotliwości f) wykonać w skali logarytmicznej
4. Pomiar częstotliwościomierzem cyfrowym.
a) Połączyć przewodem koncentrycznym wyjście generatora sygnałów z wejściem oscyloskopu i częstotliwościomierza.
Ustawić dowolną częstotliwość generatora dla wybranego kształtu przebiegu sygnału a następnie wybrać odpowiednie jego napięcie
(np. przebieg sinusoidalny, 6 kHz, 5V). Uruchomić przyrządy. Dobrać odpowiednie położenie przełączników (poziomu sygnału,
czasu zliczania, zakresu pomiarowego) częstotliwościomierza umożliwiające zliczanie impulsów. Wykonać pomiary częstotliwości na
różnych odcinkach czasu zliczania, dla kilku różnych częstotliwości generatora. Wyniki zamieścić w tabeli.
Tabela 5.
f generatora [Hz]
f1 [Hz] – 0,1s
f2 [Hz] – 1s
4
f3 [Hz] –10s
błąd δmax