Zespół Szkół Elektrycznych nr 1 w Poznaniu			Pracownia Elektryczna i Elektroniczna
Imię i Nazwisko: Jacek Bura			Temat: Badanie podstawowych parametrów oscyloskopu i jego skalowanie.				Nr ćwiczenia 5
Rok szkolny	Klasa	Grupa	Data wykonania ćwiczenia	Data oddania sprawozdania	Ocena	Podpis	Nr w dzienniku
2002/2003	III5	1	29.10.2002	05.11.2002			4

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie ogólne budowy i działania oscyloskopu oraz zaznajomienie się z niektórymi metodami pomiaru różnych parametrów elektrycznych przy pomocy oscyloskopu.

2. Wiadomości teoretyczne

Oscyloskop to urządzenie elektroniczne przeznaczone do obserwacji napięcia stałego i przemiennego, znajduje również zastosowanie przy pomiarze wartości prądu, częstotliwości, kąta fazowego i innych wielkości elektrycznych oraz nieelektrycznych dających się przetworzyć na napięcie. Głównym podzespołem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa.

1. grzejnik

2. katoda

3. cylinder Wehnelta

4. anoda pierwsza

5. anoda druga

6. płytki odchylania pionowego

7. płytki odchylania poziomego

8. ekran

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. Elektrony wyrzucone z katody przechodzą przez mały otwór w walcu metalowym zwanym cylindrem Wehelta, osłaniającym katodę. Przez zmianę ujemnego napięcia potencjometrem R1 można zmieniać natężenie wiązki elektronów, a przez to jasność wiązki na ekranie. Zadaniem pierwszej anody jest skupienie wiązki elektronów, zmiana dodatniego potencjału tej anody nastawiana potencjometrem R2 powoduje zmianę wartości plamki świetlnej. 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 różnice 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. W czasie t₁ d t₂ 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, w czasie od t₂ do t₃, jeżeli teraz do płytek odchylania pionowego Y przyłoży się napięcie o nieznanym przebiegu to zostanie ono odwzorowane na ekranie przez ruchomą wiązkę elektronów.

Uproszczony schemat blokowy oscyloskopu.

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 (synchronizacja wewnętrzna pozycja 1 przełącznika P2) lub inny napięciem okresowym doprowadzonym z zewnątrz (synchronizacja zewnętrzna pozycja 2 przełącznika P2) generator podstawy czasu normalnej pracy oscyloskopu zasila płytki odchylania poziomego X (pozycja 2 przełącznika P1). Może on być jednak odłączony (pozycja 1 przełącznika P1) i do płytek można doprowadzić napięcie z generatora zewnętrznego

Diody stabilizacyjne (Zenera) są to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczania napięć. Istnieją diody stabilizujące prąd i są nazywane polowymi ogranicznikami prądu (działają na innej zasadzie). Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzując się niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem dużych zmian prądu. Wykorzystują one zjawisko Zenera bądź lawinowe. Diody te zbudowane są z krzemu.

Typowy obszar pracy tych diod znajduje się na odcinku charakterystyki prądowo-napięciowej, odpowiadającym gwałtownemu wzrostowi prądu wstecznego wskutek zjawiska przebicia Zenera lub (i) przebicia lawinowego. Oba wymienione mechanizmy przebicia charakteryzują się następującymi właściwościami:

• przebicie Zenera występuje w złączach silnie domieszkowanych przy napięciach do 5V;

• przebicie lawinowe występuje w złączach słabo domieszkowanych przy napięciach ponad 7V;

• przebicie Zenera i lawinowe występują w złączach o średniej koncentracji domieszek przy napięciach 5...7V;

• temperaturowy współczynnik napięcia przy przebiciu Zenera ma znak ujemny;

• temperaturowy współczynnik napięcia przy przebiciu lawinowym ma znak dodatni.

3. Przebieg ćwiczenia

A: wyznaczanie czułości oscyloskopu przy napięciu stałym

1. schemat połączeń

2. przebieg ćwiczenia

W czasie wykonywania pomiarów pokrętło skokowej zmiany wzmocnienia tory Y powinno być w ściśle określonej pozycji.

Przełącznik wejścia w pozycji „DC”

Generator podstawy czasu może być odłączony. Przy kilku różnych wartościach napięcia należy zmierzyć podziałką milimetrową odchylenie plamki l_Y [mm]. Czułość napięciową toru Y oblicza się ze wzoru

3. tabela pomiarów

Lp.	zakres	U	lY	SUY	C	S	Sśr	C
				V	mm
1		30	1,6	0,5	0,31	3,20	0,27	0,58	1,74
2			4	1	0,25	4,00
3			8	2	0,25	4,00
4			12	3	0,25	4,00
5			16	4	0,25	4,00
6			18	5	0,28	3,60
7			24	6,5	0,27	3,69
8			28	7	0,25	4,00
9			29,2	8	0,27	3,65
10		20	1,6	1	0,63	1,60				0,47
11			8	3,5	0,44	2,29
12			16	7	0,44	2,29
13			24	10	0,42	2,40
14			20	8,5	0,43	2,35
15		10	1,6	2	1,25	0,80				0,99
16			8	7,5	0,94	1,07
17			16	14,5	0,91	1,10
18			20	17,5	0,88	1,14

Jako wynik pomiaru należy przyjąć wartość średnią S i obliczyć stałą oscyloskopu dla tej średniej

S₃₀ = 0,27

S₂₀ = 0,47

S₁₀ = 0,99

S_śr = 0,58

C = 1,74

B: Wyznaczanie czułości oscyloskopu przy napięciu przemiennym

1. schemat połączeń

2. przebieg ćwiczenia

Przełącznik wejścia w pozycji „AC”.

Pokrętło wzmocnienia bez zmian.

Dla kilku pomiarów odczytać wartość skuteczną U [V] napięcia.

l_Y [mm]

l_Y = 2V_max

S_UY - czułość

3. tabela pomiarów

Lp.	zakres	lY	U	Umax	SUY	C	S	Sśr	C
				mm	V	V
1		5	7	2,5	3,54	0,99	1,01	0,94	0,53	1,87
2			13	5	7,07	0,92	1,09
3			26	10	14,14	0,92	1,09
4		10	3	2,5	3,54	0,42	2,36				0,44
5			6	5	7,07	0,42	2,36
6			13	10	14,14	0,46	2,18
7		20	3	5	7,07	0,21	4,71				0,23
8			6,5	10	14,14	0,23	4,35
9			10	15	21,21	0,24	4,24

Jako wynik pomiaru przyjąć wartość średnią, obliczyć stałą C tylko dla średniej, sprawdzić czy czułość oscyloskopu dla prądu stałego i przemiennego jest równa.

S₅ = 0,94

S₁₀ = 0,44

S₂₀ = 0,23

S_śr = 0,53

C = 1,84

C: Obserwacja charakterystyki prądowo-napięciowej dla diody Zenera.

1. schemat połączeń

2. Woltomierz i amperomierz służy do pomiarów wartości skutecznych prądów i napięć. Wartość prądu nie może przekroczyć prądu znamionowego elementu badanego. Przy różnych wartościach napięcia, nastawionych za pomocą autotransformatora i opornika R1 należy odczytać wskazania amperomierza i zanotować w tabelce. Zaobserwować na ekranie oscyloskopu charakterystykę napięciowo-prądową.

3. tabela pomiarów

Lp.	U	I
		V	A
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

4. Wykreślić charakterystykę diody i porównać z charakterystyką przerysowaną z oscyloskopu.

4. Przykłady obliczeń

5. Spis przyrządów

1. Woltomierz magnetoelektryczny kl. 0,5 zakres 30-60 ZSE-I-109/25/602

2. Woltomierz elektromagnetyczny kl. 0,5 zakres 30-60 ZSE-I-109/12/316

3. 2 x dekada

4. Dioda Zenera

5. Oscyloskop

6. Wnioski

Pierwszą czynnością, jaką musieliśmy zrobić, to było zaznajomienie się z oscyloskopem, z którym ja i moja grupa nie miała najmniejszego problemu.

Następnie przeszliśmy do łączenia pierwszego układu. Wykonywanie pomiarów dokonaliśmy w trzech zakresach; 10, 20, 30 V/cm.

W kolejnym obwodzie badaliśmy oscyloskop w obwodzie prądu przemiennego. Napięcie na woltomierzu wskazywało nam wartość skuteczną, a na oscyloskopie pokazywała nam się wartość maksymalna (amplituda). Dlatego potrzebne nam było stosowanie wzoru
.

Czułość oscyloskopu dla prądu przemiennego i stałego powinna być równa.

Można powiedzieć, że tak było w przypadku naszych pomiarów, bo 1,87≈1,74.

Dla trzeciego układu zdążyliśmy tylko zaobserwować charakterystykę diody Zenera. Wyglądała ona następująco:

Z wykonanych pomiarów można wywnioskować, że oscyloskop jest bardzo użytecznym narzędziem pomiarowym. Umożliwia ona wykonanie pomiarów wielu różnych wielkości. Badanie sygnałów stałych oscyloskopem nie jest zbyt precyzyjne, ponieważ na błąd wpływa grubość linii, dlatego do dokładnego pomiaru napięć stałych lepiej zastosować dodatkowy woltomierz.

Badanie podstawowych parametrów oscyloskopu i jego skalowanie. 8

regulowany

---