Ćw. 4 (AiR): POMIARY OSCYLOSKOPEM
Cel ćwiczenia: poznanie obsługi oscyloskopu i nauczenie wykonywania nim prostych pomiarów.
Oscyloskop jest przyrządem pomiarowym służącym do obserwowania, mierzenia i porównywania sygnałów napięciowych oraz sygnałów innych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, po przetworzeniu ich na sygnał napięciowy. Pomiary i obserwacje dokonywane są najczęściej w funkcji czasu, co nazywa się pracą X-t oscyloskopu. Można też wykonywać pomiary wielkości funkcyjnie związanych między sobą, co nazywa się pracą X-Y oscyloskopu. W tym przypadku na ekranie oscyloskopu kreślone są charakterystyki niezależne od czasu, np. charakterystyki prądowo-napięciowe elementów półprzewodnikowych lub charakterystyki magnesowania materiałów magnetycznych.
W stosunku do typowych przyrządów pomiarowych oscyloskop wyróżniają dwie ważne cechy. Są to: możliwość obserwacji przebiegu czasowego sygnału oraz bardzo duża uniwersalność pomiarowa, przejawiająca się m.in. dużym zakresem pomiarowym i szerokim pasmem częstotliwości. Typowym oscyloskopem można obserwować i mierzyć przebiegi napięć okresowych o częstotliwościach od ok. 20Hz do kilkudziesięciu megaherców i wartościach od pojedynczych miliwoltów do kilkudziesięciu woltów.
Wadą oscyloskopów jest ich mała dokładność (2…5%). Wynika to z dużej niestałości temperaturowej i czasowej, oraz z właściwości lampy oscyloskopowej. Znaczne błędy pomiarów wynikają też z niedokładności odczytów parametrów analizowanego przebiegu. W pomiarach napięć wyznacza się długości odcinków wzdłuż osi y, w pomiarach czasu - wzdłuż osi x. Popełnia się przy tym błąd ustalenia położeń ich początkowych i końcowych punktów. W warunkach nieruchomego obrazu o dobrej jasności i ostrości, oraz grubości kreślonej linii nie większej niż 0,5mm, błąd bezwzględny odczytu wynosi ok. ±1mm. Więc np. pomiar odcinka o długości 5cm będzie obarczony błędem ok. 2%.
Wymienione błędy są przyczyną małych dokładności pomiarów wykonywanych oscyloskopem, gdyż w najkorzystniejszych warunkach wynosić będą kilka procent. Lepsze dokładności pomiarów gwarantują oscyloskopy cyfrowe (ok. 1%).
Obraz na ekranie lampy oscyloskopowej powstaje w wyniku przemieszczania strumienia elektronów przez dwie pary prostopadłych do siebie płytek: odchylania poziomego X i odchylania pionowego Y. Do płytek Y jest podane napięcie proporcjonalne do wartości chwilowej napięcia wejściowego, zaś do płytek X jest przyłożone liniowo narastające napięcie piłokształtne – przesuwające ze stałą prędkością strumień elektronów w kierunku osi X. W wyniku tego, strumień elektronów „kreśli” obraz wartości chwilowych napięcia wejściowego. Źródłem sygnału piłokształtnego jest tzw. generator podstawy czasu.
Obserwacje i pomiary oscyloskopem mogą być wykonane prawidłowo tylko wtedy, gdy obraz przebiegu będzie przez dłuższy czas nieruchomy. Taki stan uzyskuje się dzięki zapewnieniu synchronicznej pracy generatora podstawy czasu, która polega na takim jego sterowaniu, że każdy takt wytworzonego przebiegu piłokształtnego jest uzależniony od przebiegu sygnału pomiarowego.
Często w praktyce pomiarowej występuje też potrzeba obserwowania dwóch różnych przebiegów i ocena zachodzących między nimi związków, np. w pomiarach stosunku amplitud i przesunięcia fazowego. Stąd budowane są najczęściej oscyloskopy dwukanałowe, wyposażone w dwa tory przetwarzania sygnałów pomiarowych i w przełącznik elektroniczny zw. czoperem - włączający na przemian oba sygnały do płytek odchylania pionowego. Przełączanie sygnałów odbywa się na tyle szybko, że na ekranie nie jest widoczne „migotanie” przebiegów.
Utworzenie na ekranie prawidłowego obrazu wymaga wykonania złożonych czynności manipulacyjnych, wykonywanych wieloma przełącznikami i pokrętłami znajdującymi się płycie czołowej oscyloskopu. Na rys.1. przedstawiono uproszczony schemat strukturalny oscyloskopu i wymieniono jego funkcje pomiarowe, ustalane elementami nastawnymi.
Rys. 1. Podstawowe elementy oscyloskopu dwukanałowego i jego rodzaje pracy
Zespoły przełączników i pokręteł, ze względu na wykonywane funkcje nastawne, można podzielić na trzy grupy:
a) pokrętła ustalające jakość i położenie kreślonych linii,
b) elementy nastawne w torach (kanałach) odchylania pionowego Y, służące do nastawiania tzw. rozciągu pionowego,
c) elementy nastawne określające warunki odchylania poziomego X, głównie ustalające warunki pracy generatora podstawy czasu.
Ad. a). Pokrętła ustalające jakość kreślonej linii zwykle znajdują się blisko ekranu i zmieniają jasność linii - INTENSITY[1], oraz ostrość linii - FOKUS. Do przemieszczania obrazu w kierunku pionowym i poziomym służą pokrętła POSITION.
Ad. b). W pobliżu każdego z dwóch gniazd wejściowych znajdują się przełączniki o trzech pozycjach:
– pozycja DC – do oscyloskopu jest włączony pełny sygnał pomiarowy,
– pozycja AC - do oscyloskopu jest włączana tylko składowa przemienna sygnału pomiarowego,
– pozycja GND (lub symbol masy) - sygnał pomiarowy jest wyłączony, a wejście oscyloskopu jest zwarte do masy.
Pozycję zawierającą wejścia do masy (GND) stosuje się zwykle po włączeniu oscyloskopu do sieci i przy ustalaniu położenia linii podstawy czasu.
Wybór wejścia AC ma najczęściej miejsce w przypadku obserwacji i pomiarów sygnałów przemiennych o dużej składowej stałej. W pomiarach tych wybór wejścia DC spowoduje „ucieczkę” obrazu poza ekran. Przykładem sygnału przemiennego o dużej składowej stałej jest napięcie tętnień zasilaczy sieciowych prądu stałego.
W przeprowadzanych nastawach dąży się do uzyskania jak największego obrazu przebiegów. Stąd podawane do wejść oscyloskopu napięcia, zależnie od ich wartości, muszą być odpowiednio wzmacniane lub tłumione. Nastawy wysokości ich obrazów uzyskuje się pokrętłami VOLTS/DIV, ustalającymi skokowo tzw. współczynnik wzmocnienia – podany w mV/dz lub V/dz, gdzie działka odpowiada odległości między liniami siatki ekranu. W osiach tych pokręteł znajdują się też pokrętła do nastawy wysokości obrazu w sposób ciągły. Skręcając je maksymalnie w prawo, do położenia CAL, powoduje się ich wyłączenie. Tak należy zawsze postępować przy wykonywaniu pomiarów, gdyż tylko wtedy uzyskuję się prawidłowe wyniki obliczeń. Natomiast nastawę płynną stosuje się wówczas, gdy żąda się konkretnej wysokości obserwowanego przebiegu. Ma to miejsce np. w przypadku pomiarów spadku wzmocnienia wzmacniaczy, powodowanego zmianami częstotliwości, tj. w pomiarach charakterystyk częstotliwościowych.
Rodzaj obserwowanego przebiegu ustala przełącznik MODE (lub VERT MODE). Zmiana pozycji umożliwia:
– obserwację pojedynczego sygnału z wybranego wejścia (pozycje CH1 i CH2),
– jednoczesną obserwację sygnałów podanych do obu wejść (pozycja DUAL),
– obserwację sumy lub różnicy sygnałów podanych do obu wejść (pozycja ADD).
Ad. c). Prawidłowy obraz przebiegu sygnału pomiarowego powinien przedstawiać co najmniej jeden okres. Liczba obserwowanych okresów sygnału jest uzależniona od nastawionej częstotliwości generatora podstawy czasu. Jej nastawę przeprowadza się za pomocą dwóch pokręteł – nastawy skokowej i ciągłej. Pokrętło nastawy skokowej ustala tzw. współczynnik czasu (TIME/DIV), podany w jednostkach czasu (s, ms, ms) na działkę siatki linii. Podobnie jak przy nastawie współczynnika wzmocnienia, jeżeli mają być wykonywane pomiary przedziałów czasu, to należy sprawdzić, czy pokrętło regulacji ciągłej jest wyłączone i znajduje się w pozycji CAL.
Pokrętło nastawy skokowej ma też pozycję X-Y, w której generator podstawy czasu jest wyłączony, a rozciąg poziomy realizowany jest sygnałem włączonym do wejścia X. Jak wspomniano na wstępie, ten rodzaj pracy oscyloskopu używa się do obserwacji charakterystyk różnych elementów elektrycznych i elektronicznych.
Warunkiem uzyskania nieruchomego obrazu jest zapewnienie synchronicznej pracy generatora podstawy czasu (względem sygnału pomiarowego). W tym celu wykorzystuje się sygnał synchronizujący, uzyskiwany z różnych źródeł. Źródła te wybierane są przełącznikiem TRIGGER SOURCE. Do synchronizacji generatora można wybrać:
– jeden z sygnałów pomiarowych (pozycja CH1 lub CH2),
– oba sygnały pomiarowe, stanowiące na przemian sygnał synchronizujący (pozycja VERT),
– sygnał napięcia sieci (pozycja LINE), uzyskiwany z zasilacza sieciowego oscyloskopu,
– sygnał ze źródła zewnętrznego, podłączonego do gniazda typu BNC (EXT TRIG IN).
Wybór odpowiedniego sygnału synchronizującego zależy m.in. od rodzaju badanych sygnałów i układów, np. do badania układów zasilanych napięciem sieci wygodnym sygnałem synchronizującym jest sygnał wewnętrzny, sieciowy.
Do uzyskania nieruchomego obrazu stosuje się też pokrętło TRIG LEVEL – ustalające tzw. poziom sygnału wyzwalającego generator podstawy czasu. Pokrętło ustala moment startu generatora podstawy czasu względem wartości chwilowej sygnału pomiarowego. Zwykle optymalnym momentem startu generatora jest chwila, w której sygnał pomiarowy ma największą stromość; np. dla przebiegu sinusoidalnego jest to przejście sygnału przez zero.
Generator podstawy czasu może pracować na dwa sposoby, wybierane przełącznikiem z pozycjami AUTO i NORM. W pierwszym przypadku, w warunkach braku lub zbyt małego poziomu sygnału pomiarowego, generator przechodzi na tzw. wyzwalanie automatyczne - w wyniku tego, na ekranie jest widoczna linia podstawy czasu bądź nieustabilizowany obraz przebiegu. W przypadku drugim, generator ma normalnie wyzwalaną podstawą czasu - co znaczy, że przy nieobecności lub małym poziomie sygnału pomiarowego generator jest wyłączany i zanika obraz sygnału. Praca normalna jest szczególnie zalecana w obserwacjach przebiegów o niskich częstotliwościach, gdyż wtedy uzyskuje się znacznie stabilniejszy przebieg, niż to ma miejsce przy pracy automatycznej.
4. Program pomiarów
1. Poznanie zasad prawidłowej obsługi oscyloskopu. W tym celu do gniazda wejściowego oscyloskopu włączyć napięcie wytwarzane przez generator sygnałowy i dokonać takich manipulacji przyciskami i przełącznikami płyty czołowej, aby uzyskać wyraźny i nieruchomy obraz.
2. Poznanie zasad dokonywania pomiarów oscyloskopem. Dla źródeł znajdujących się na stanowisku dokonać pomiarów wytwarzanych przez nie napięć, okresów i częstotliwości.
1. Zmierzono oscyloskopem napięcie międzyszczytowe. Dla nastawy współczynnika wzmocnienia cu=0,5 V/dz, długość odcinka odpowiadającego podwójnej amplitudzie sygnału wynosiła: lu = 2,5dz. Podać wynik pomiaru - Up-p ± DUp-p, jeżeli oscyloskop był dokładności 3%, a błąd odczytu długości Dlu= ±0,1dz.
Obliczenia
- wartość mierzonego napięcia: Up-p= cu lu = 0,5V/dz 2,5dz = 1,25V
- błąd graniczny pomiaru jest sumą błędów oscyloskopu i odczytu
dUp-p = dcu + dlu
Podstawiając wartości: dcu=3%, , uzyskuje się
dUp-p = 3% + 4% = 7%
- błąd pomiaru (bezwzględny)
.
- wynik pomiaru: Up-p = (1,25±0,88)V,
(dopuszczalny może też być zapis: Up-p = (1,2±0,9)V, jednak ma on w sobie dodatkowy błąd 4%, wynikający z uproszczenia wartości mierzonej.
2. Okres i częstotliwość napięcia wyznaczono oscyloskopem mierząc długość odcinka odpowiadającego okresowi sygnału. Dla nastawy współczynnika czasu ct=0,2ms/cm - lt = 7,1 cm. Tor odchylania poziomego oscyloskop miał dokładność dct = 5%, a odczytów dokonano z błędem Dlt = 0,1dz. Podać wyniki pomiarów.
- wartości mierzone:
- błąd graniczny pomiaru okresu jest sumą błędów oscyloskopu i odczytu:
dT = dct + dlt
Podstawiając wartości: dct=5%, , uzyskuje się
dT = 5% + 1,4% = 6,4%
...
Kony777