15 pomiar czestotliwości oscyloskopem

ZESPÓŁ SZKÓŁ ZAWODOWYCH NR 1 W DZIAŁDOWIE
PRACOWNIA ELEKTRYCZNA
ĆWICZENIE 15
POMIAR CZĘSTOTLIWOŚCI OSCYLOSKOPEM.
I. Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z budową, obsługą, zasadą działania oscyloskopu oraz jego zastosowaniem i
sposobem wykonywania pomiarów.
Informacje ogólne:
Oscyloskop jest przyrządem przeznaczonym do obserwacji na ekranie lampy oscyloskopowej lub
ekranie ciekłokrystalicznym, przebiegów napięć zmiennych w czasie. Znajduje on także
zastosowanie do obserwacji i pomiarów wartości prądów, napięć, częstotliwości, kąta fazowego
i wielu innych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych, które można przetworzyć na napięcie
(np. pomiar prądu odbywa się przez pomiar spadku napięcia na rezystorze o znanej rezystancji).
Oscyloskop wykorzystuje się również do obserwacji charakterystyk prądowo-napięciowych
elementów liniowych i nieliniowych.
Oscyloskop cyfrowy - Szybki postęp technologiczny w dziedzinie wytwarzania układów
cyfrowych o dużym stopniu integracji, a zwłaszcza przetworników analogowo-cyfrowych
i mikroprocesorów, otworzył drogę do produkcji oscyloskopów cyfrowych. Działanie oscyloskopu
cyfrowego polega na pobieraniu próbek badanego sygnału równych jego wartości chwilowej
w momencie próbkowania, oraz po zamianie wartości próbki na słowo cyfrowe zapamiętanie go
w pamięci cyfrowej. Dla przebiegów okresowych próbkowanie odbywa się metodami identycznymi
jak w przypadku oscyloskopu próbkującego, dla przebiegów pojedynczych nieodzowne jest
próbkowanie w czasie rzeczywistym co znacznie ogranicza pasmo oscyloskopu. Sygnał
odczytywany z pamięci jest wyświetlany w sposób stabilny na ekranie. Istotnymi zaletami
powodującymi ekspansję obszaru zastosowań oscyloskopów cyfrowych są: możliwość
matematycznej obróbki zapamiętanych sygnałów i automatyzacji pomiaru różnych cech sygnału
(analizatory przebiegów), możliwość zapamiętywania i przesyłania sygnałów na duże odległości,
możliwość sprzęgania oscyloskopu z systemami pomiarowymi, możliwość barwnej prezentacji
wielu przebiegów na monitorze i inne. W oscyloskopach cyfrowych doprowadzony sygnał
przekształcany jest przez układ elektroniczny.
Oscyloskop analogowy jest przyrządem przeznaczonym do obserwacji na ekranie lampy
oscyloskopowej. Główna część oscyloskopu jest zamknięta. Jest to lampa oscyloskopowa
(próżniowa bańka szklana – rys. 1) w której strumień elektronów można odchylać w polu
elektrycznym (lub magnetycznym) przez układ płytek – elektrod odchylania pionowego Y
i odchylania poziomego X. Z jednej strony lampy znajduje się działo elektronowe, czyli zespół
elektrod emitujących elektrony, a z drugiej strony znajduje się ekran E pokryty od wewnątrz
luminoforem, czyli substancją fluoryzującą – wysyłającą światło pod wpływem padającej na nią
wiązki elektronów. Elektrony są wysyłane przez katodę K ogrzewaną grzejnikiem G, w kierunku
ekranu. Na swojej drodze elektrony przechodzą przez mały otwór w siatce W tzw. cylinder
Wehnelta osłaniający katodę, który umożliwia zmianę natężenia wiązki elektronów, a przez to
i jasność plamki na ekranie. Anody A1 A2 A3 przyspieszają ruch elektronów. Elektroda A4 służy do
wyeliminowania zniekształceń obrazu. Powłoka P połączona jest elektrycznie z anodami, wyłapuje
ona elektrony wtórne wybite z luminoforu. Całość zamknięta jest w próżniowej szklanej bańce O.
Rys. 1
Budowa lampy oscyloskopowej: K – katoda, G – grzejnik katody, W – siatka Wehnelta,
A1 A2 A3 – anody, A4 – elektroda ekranująca, Y – płytki odchylania pionowego,
X – płytki odchylania poziomego, O – bańka szklana, P – powłoka grafitowa, E - ekran.
Strumień emitowanych elektronów można odchylać od osi układem elektrod złożonym z płytek
odchylania poziomego i pionowego, gdy do jednej pary płytek przyłożymy stałą różnicę
potencjałów, to pole elektrostatyczne odchyli wiązkę elektronów w kierunku elektrody o wyższym
potencjale. Jeśli przyłożymy zmienną w czasie różnicę potencjałów, to elektrony będą wykonywały
drgania między tymi elektrodami. Przy dostatecznie dużej częstotliwości zmian napięcia będziemy
obserwowali na ekranie oscyloskopu jasną kreskę jako ślad drogi, po której wędruje strumień
elektronów. Ze względu na bardzo małą masę elektronów nie obserwujemy opóźnienia względem
przyłożonych napięć.
W celu obserwacji przebiegu napięć, do płytek X należy przyłożyć napięcie piłokształtne,
generowane przez generator podstawy czasu. Gdy teraz do płytek Y przyłożymy napięcie
o nieznanym przebiegu, to zostanie ono odwzorowane na ekranie przez ruchomą wiązkę
elektronów.
II. Treść ćwiczenia
1. UWAGA ! Przed rozpoczęciem ćwiczenia zapoznać się uważnie z instrukcją obsługi
oscyloskopu i generatora.
2. Zidentyfikować pokrętła i przyciski na płycie czołowej oscyloskopu.
3. Dokonać pomiaru napięcia: zmiennego zasilacza miernikiem uniwersalnym, a następnie
oscyloskopem – układ połączyć zgodnie z instrukcjami prowadzącego zajęcia.
Zaobserwować przebieg napięcia sinusoidalnie zmiennego. Wykonać zdjęcie przebiegu,
odczytać wartość napięcia z oscyloskopu.
4. Połączyć generator funkcyjny z oscyloskopem zgodnie z instrukcjami prowadzącego zajęcia.
a) wygenerować i zaobserwować różne figury Lissajous w oparciu o przedstawioną tabelę 1 wykonać zdjęcia wygenerowanych przebiegów;
b) dokonać pomiaru częstotliwości metodą porównawczą– zgodnie z poniższą instrukcją.
5. Dokonać zapisu odczytanych, zmierzonych i obliczonych wielkości w tabeli, dołączyć opisaną
dokumentacje fotograficzną obserwowanych przebiegów.
Bezpośredni pomiar częstotliwości:
W celu bezpośredniego pomiaru częstotliwości, napięcie Ux o mierzonej częstotliwości fx
doprowadzić do wyjścia Y , a układ odchylenia poziomego X zasila się z zewnętrznego generatora
podstawy czasu. Tak nastawia się częstotliwość generatora podstawy czasu oscyloskopu i pokrętła
synchronizacji, aby na ekranie otrzymać pełny i nieruchomy obraz przebiegu.
Mierząc długość odcinka lx odpowiadającego jednemu okresowi obserwowanego przebiegu,
otrzymuje się:
przy czym
jest prędkością plamki w linii poziomej. Odczytuje się ją z położenia przełączników
podstawy czasu w mm/s. Częstotliwość fx badanego przebiegu jest odwrotnością okresu.
Metoda porównawcza pomiaru częstotliwości:
W metodzie tej częstotliwość fx jest porównywana z częstotliwością wzorcową fw. Napięcie
Ux o częstotliwości mierzonej fx doprowadza się do wejścia X oscyloskopu, a napięcie Uw
o częstotliwości wzorcowej fw (otrzymane z generatora wzorcowego) doprowadza się do wejścia Y.
Przy określonym stosunku częstotliwości fx i fw na ekranie obserwuje się stabilne figury Lissajous.
Pomiar polega na takim dostrojeniu generatora, aby obserwowane figury były nieruchome
i stosunkowo nieskomplikowane, jak w tabeli 1.
Tabela 1 Figury Lissajous obserwowane, gdy napięcie o częstotliwości fw wyprzedza w fazie
napięcie o częstotliwości fx.
W celu określenia stosunku częstotliwości fx i fw należy przez figurę przeprowadzić dwie
proste prostopadłe – pionową i poziomą nie przechodzące przez węzły figury. Można do tego celu
wykorzystać linie podziałki ekranu oscyloskopu. Stosunek liczby px przecięć prostej pionowej
z figurą do liczby pw przecięć prostej poziomej z figurą jest równy stosunkowi częstotliwości napięć
doprowadzonych do wejść X i Y:
stąd
.
III. Układ pomiarowy – połączyć zgodnie ze wskazówkami prowadzącego zajęcia.
IV. Wykaz przyrządów i elementów obwodu:
Oscyloskop, generator funkcyjny, zasilacz, woltomierz.
V. Wyniki pomiarów
POMIAR NAPIĘCIA OSCYLOSKOPEM
Napięcie zasilacza
Umiernika
V
zmierzone woltomierzem
Napięcie zasilacza
zmierzone oscyloskopem
Częstotliwość
wzorcowa
Liczba przecięć
prostej w pionie
Liczba przecięć
prostej w poziomie
Częstotliwość
mierzona
fw
Uoscyloskopu
V
POMIAR CZĘSTOTLIWOŚCI SYGNAŁU
Hz
px
-
pw
-
fx
Hz
VI. Pytania kontrolne
1. Opisz wykonanie innego pomiaru z wykorzystaniem oscyloskopu?
2. Narysuj przebieg napięcia sinusoidalny, piłokształtny, prostokątny.
3. Opisz budowę oscyloskopu cyfrowego w oparciu o schemat blokowy?
VII. Opracowanie i wnioski