Sprawozdanie z laboratorium
Metrologii i Technik Pomiarowych
„Zastosowanie oscyloskopu katodowego”
WIMIR, AiR, rok II, gr.13, 2009/2010
Nieduziak Miłosz, Niedzień Dawid, Nytko Krystian,
Olchawski Tomasz, Olsza Szymon
Część teoretyczna
Schemat lampy oscyloskopowej
Opis działania
Grzejnik 1 podgrzewa katodę 2, która emituje elektrony, które następnie są skupianie
wstępnie przez siatkę 3. Anoda 4 przyspiesza ruch elektronów, które są w następnie
formowane w wiązkę przez elektrodę ogniskową 5. Następnie poprzez dwie pary
elektrod 6 i 7 wiązka jest odchylana w pionie i w poziomie. Elektroda 8 przyspiesza
ruch elektronów, które następnie padają na pokryte luminoforem 9 dno bańki szklanej
10.
Ruch punktu po ekranie
Do płytek 6 podłączone jest badane napięcie. Do płytek 7 podłączony jest generator
podstawy czasu. Poniżej wykres piłokształtnego napięcia generowanego przez
podstawę czasu:
Odcinek t
r
narastania napięcia powoduje przesuwanie się punktu ze skrajnego
lewego do skrajnego prawego położenia na ekranie. Odcinek t
p
powoduje powrót
punktu z powrotem do lewego skrajnego położenia, przy czym t
r
>> t
p
.
Aby uzyskany obraz był nieruchomy częstotliwość podstawy czasu f
pc
i częstotliwość
badanego przebiegu f
b
muszą spełniać zależność:
pc
b
nf
f =
Część doświadczalna
Doświadczenia przeprowadzono przy pomocy następujących przyrządów:
• oscyloskopu analogowo-cyfrowego OS-3040
• uniwersalnego zestawu pomiarowego METEX MS-1960
• filtra dolnoprzepustowego RC
Doświadczenie 1.
Dla nastaw sygnałów sinusoidalnych wykonanych przez osobę prowadzącą zajęcia
należało określić amplitudę i okres tych sygnałów przy pomocy oscyloskopu.
Fot. 1. Sygnał nr 1
Fot. 2 Sygnał nr 2
Odczytane wartości zostały zebrane w tabeli:
Oś napięcia
Oś czasu
Nr
sygnału
Stała
podziałki
[V/dz]
Liczba
działek
Amplituda
[V]
Stała
podziałki
[ms/dz]
Liczba
działek
Okres [ms]
1
0,2
3 ± 0,1
0,6 ± 0,02
0,2
4,2 ± 0,1 0,84 ± 0,02
2
2
2,2 ± 0,1
4,4 ± 0,2
0,02
4 ± 0,1 0,08 ± 0,002
Na podstawie pomiarów oscyloskopem obliczono częstotliwość i porównano ją z
częstotliwością oczytaną z generatora sygnału:
Nr
sygnału
Częstotliwość
obliczona [Hz]
Częstotliwość
odczytana z generatora
1
1162 ÷1220
1165
2
12195 ÷12820
12941
Doświadczenie 2.
Należało wyznaczyć amplitudę i stałą składową dla zadanego sygnału.
Fot. 3 Sygnał ze składową stałą
Wynik pomiarów przedstawia tabela:
Amplituda
Stała składowa
Stała podziałki
[V/dz]
Liczba działek
Wartość [V]
Liczba działek
Wartość [V]
2
1,5 ± 0,1
3 ± 0,2
2,8 ± 0,1
5,6 ± 0,2
Doświadczenie 3.
Wykorzystując filtr dolnoprzepustowy RC o stałej czasowej T = 0,63 s należało
wyznaczyć jego wzmocnienie K oraz różnicę faz między sygnałem podanym
bezpośrednio z generatora do oscyloskopu, a sygnałem zmodyfikowanym przez filtr.
Fot. 4 Sygnały z wejścia i wyjścia filtra
W doświadczeniu wykorzystano oba kanały oscyloskopu, do jednego podając sygnał
wejściowy, a do drugiego wyjściowy. Dzięki temu można je było zobaczyć
jednocześnie.
Wzmocnienie K wyznaczono dzieląc amplitudę sygnału wyjściowego przez amplitudę
sygnału wejściowego.
Różnicę faz wyznaczono natomiast ze wzoru:
2
x
x
l
l
ϕ
π
=
gdzie:
l – długość odcinka odpowiadającego okresowi napięcia
l
x
– długość odcinka odpowiadającego różnicy faz
Amplituda
wejścia [V]
Amplituda
wyjścia [V]
Liczba działek
na okres
Liczba działek
różnicy faz
Wzmocnienie
Przesunięcie
fazowe [rad]
3 ± 0,1
1,6 ± 0,1
5,5 ± 0,1
0,8 ± 0,1
0,48 ÷ 0,59
0,79 ÷ 1,05
Znając wzmocnienie i stałą czasową można zapisać transmitancję przetwornika RC:
0, 53
( )
1
0, 63 1
K
G s
Ts
=
≈
+
+
Doświadczenie 4.
Przy pomocy tego samego przetwornika RC należało wyznaczyć przesunięcie
fazowe i wzmocnienie wykorzystując tryb X-Y oscyloskopu.
Fot. 5 Efekt doprowadzenia do płytek odchylania poziomego i pionowego napięcia o
tej samej częstotliwości
Wykorzystano wzór pozwalający obliczyć przesunięcie fazowe:
arcsin
y
x
ϕ
= −
Z kolei wzmocnienie określa iloraz amplitud widocznych na rysunku jako x i a.
x [dz]
y [dz]
a [dz]
Wzmocnienie Przesunięcie fazowe [rad]
1,8 ± 0,1 1,4 ± 0,1
3 ± 0,1
0,54 ÷ 0,66
-0,75 ÷ -1,08
Wnioski
Przeprowadzone doświadczenia ukazały wielość zastosowań oscyloskopu.
Odczytywanie wartości z jego ekranu jest czynnością prostą, ale wynik zawsze
obarczony jest błędem, co zauważono już podczas pierwszego doświadczenia.
Rozsądnym rozwiązaniem było takie modyfikowanie obrazu na oscyloskopie, by
zajmował możliwie największą część ekranu – wówczas dokładność pomiaru była
największa. Wydaje się, że na błąd pomiaru nałożyły się dwa czynniki: ograniczona
dokładność odczytu wartości napięcia przez osobę dokonującą pomiaru oraz
dodatkowo dokładność wykonania oscyloskopu, która według danych technicznych
wynosiła 3%. W przeciwnym razie, gdyby winna była tylko osoba dokonująca
odczytu, zakresy wartości częstotliwości obliczone w pierwszym ćwiczeniu dla
drugiego sygnału powinny obejmować wartości odczytane z generatora.
Doświadczenie trzecie i czwarte pokazało, jak wykorzystać oscyloskop do badania
obiektu inercyjnego I-rzędu i uwidoczniło sens istnienia drugiego kanału w
oscyloskopie. Dzięki takiemu kanałowi można wygodnie porównywać przebiegi
napięć, mając również możliwość w każdej chwili wyłączenia któregoś z nich bez
konieczności wypinania przewodów. Wyniki pomiarów w trybie dwukanałowym
okazały się inne, niż w trybie X-Y. Różnice w otrzymanych wartościach wzmocnienia
okazały się większe niż różnice wartości przesunięcia fazowego. Znak minus w
przypadku przesunięcia fazowego uzyskanego w doświadczeniu nr 4 określa
dodatkowo, że napięcie wejściowe wyprzedza na wykresie napięcie wyjściowe.
Trudno powiedzieć, który sposób pomiaru był dokładniejszy – tryb X-Y czy też
dwukanałowy, ponieważ pomiary w obu tych trybach opierały się na przeliczeniu
ilości działek na oscyloskopie. Warto natomiast zauważyć, że nawet dysponując
wyłącznie oscyloskopem jednokanałowym można było wykonać wszystkie
doświadczenia opisane w tym sprawozdaniu.