Pomiary oscyloskopowe

LABORATORIUM

METROLOGII ELEKTRYCZNEJ

dla kierunku studiów Mechatronika

Ćwiczenie 4

Pomiar oscyloskopowe

Opracował: dr inż. Krystian Krawczyk

mgr inż. Bartłomiej Kocjan

Wrocław 2014

Instytut Podstaw Elektrotechniki

i Elektrotechnologii

Zakład Elektrotechnologii

Wydział

Elektryczny

1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem oscyloskopu analogowego oraz

cyfrowego, jak również z pomiarami, które można za ich pomocą wykonać.

2. Aparatura:

 oscyloskop analogowy,

 oscyloskop cyfrowy,

 generator funkcyjny,

 generator arbitralny,

 multimetr,

 komputer PC,

 sonda pomiarowa.

3. Wstęp teoretyczny.

3.1. Informacje ogólne:

Oscyloskop jest bardzo użytecznym przyrządem w pracach badawczych, ponieważ

pozwala na obserwacje kształtu przebiegów, dając jednocześnie informacje o podstawowych

wielkościach tego przebiegu.

Oscyloskopy można podzielić na:



analogowe,



z lampą pamiętającą,



próbkujące,



cyfrowe.

W analogowym oscyloskopie przebieg rysowany jest w czasie rzeczywistym na ekranie

lampy oscyloskopowej. Oscyloskop z lampą pamiętającą różni się tym, że obserwowany

obraz można zapamiętać i przez pewien czas wyświetlać go na ekranie. Oscyloskopy

próbkujące służą do pomiarów bardzo szybkich przebiegów - pozwalają na pomiar nawet do

kilkudziesięciu GHz. Oscyloskop cyfrowy pobiera próbki badanego sygnału (tzn. wartości

chwilowych sygnału), a następnie wartości próbki są zamieniane na słowo cyfrowe i w takiej

formie przechowywane w pamięci. Z tego też powodu oscyloskopy analogowe są

niezastąpione przy obserwacji bardzo szybkich przebiegów.

Przy wyborze oscyloskopu trzeba przede wszystkim zdecydować, do jakich pomiarów ma

być ten oscyloskop stosowany i jakie parametry są dla nas najważniejsze.



Pasmo i czas narastania określa jak wiernie jest odtworzony oglądany przebieg. W

oscyloskopie analogowym czas narastania i pasmo powiązane są wzorem:



gdzie t

- czas narastania [ns], f

- górna częstotliwość przenoszona (-3dB) [MHz]. Gdy

czas narastania badanego sygnału jest co najmniej pięć razy dłuższy od czasu narastania

oscyloskopu, to czas odczytany z ekranu będzie obarczony błędem mniejszym niż 2 %.



Rezystancja wejściowa z reguły wynosi 1MΩ, z równoległą pojemnością od kilku do

kilkudziesięciu pF, lub 50Ω (głównie w oscyloskopach o paśmie ponad 200MHz).



Wejście różnicowe jest potrzebne, gdy żaden z punktów pomiarowych nie jest na

potencjale masy. Pozwala ono na odrzucenie z badanych sygnałów części wspólnej

(będącej np. tętnieniem sieci).



Wejście sumujące pozwala na zmierzenie sumy napięć pomiędzy dwoma punktami, np.

badanie symetrii przebiegów. Gdy są identyczne kształty i amplitudy, a przeciwne fazy to

na ekranie nie będzie obrazu.



Ilość kanałów.

b) Budowa lampy oscyloskopowej i zasada działania:

Główną częścią oscyloskopu jest lampa, która umożliwia obserwację badanych

przebiegów elektrycznych (szybkość obserwowanych przebiegów jest ograniczona

bezwładnością elektronów).

Lampa składa się z:



wyrzutni elektronowej (emituje i skupia elektrony w wiązkę)



systemu odchylającego strumień elektronów



ekranu wysyłającego światło gdy bombardują go elektrony

Całość zamknięta jest w szklanej albo ceramicznej obudowie, pozbawionej powietrza.

Elektrony mogą być odchylane polem magnetycznym (za pomocą cewek) albo elektrycznym

(płytki odchylające). Aby odchylanie za pomocą cewek magnetycznych było odpowiednio

skuteczne potrzeba wytworzyć bardzo silne pole magnetyczne - czyli przez cewki musi

popłynąć dość duży prąd elektryczny (pojawia się problem z indukcyjnością i pojemnością

cewek ograniczając zakres częstotliwości ich stosowania). Dlatego lampy z reguły mają układ

odchylania elektronów bazujący na wykorzystaniu pola elektrycznego.

Strumień elektronów uderza w ekran pokryty luminoforem (substancja przetwarzająca

energię kinetyczną elektronów na energię świetlną). Aby móc oglądać dwa przebiegi

równocześnie pojawiły się dwa rozwiązania: lampy dwustrumieniowe (w jednej bańce są dwa

systemy przyspieszająco-odchylające) lub elektroda rozdzielająca (dzieli strumień elektronów

na dwie wiązki – w pionie są dwa niezależne zestawy płytek odchylających, a w poziomie

zestaw jest wspólny dla obydwu wiązek).

3.2. Sondy pomiarowe:

Od układów pomiarowych wymaga się jak najwierniejszego odtworzenia mierzonego

sygnału. Zmiana parametrów badanego układu powinna być możliwie mała, a transport

sygnału powinien odbywać się bez zmian parametrów sygnału. Najprościej wykonać pomiar

za pomocą 2 przewodów (z których jeden jest połączony z wejściem oscyloskopowym, a

drugi z masą oscyloskopu) połączonych z badanym układem. Jednak ten sposób łączenia

badanego układu można stosować tylko w niewielkim zakresie pomiarów, jest on

ograniczony impedancją źródła, poziomem sygnału, częstotliwością. Chcąc uniknąć wpływu

zakłóceń zewnętrznych należy pomiary przeprowadzać z zastosowaniem przewodu

koncentrycznego, zakończonego odpowiednią sondą pomiarową. Sondy ze względu na

mierzony sygnał mogą dzielić się na napięciowe i prądowe. Większość pomiarów

oscyloskopowych dotyczy sygnałów napięciowych, dlatego wybrane sondy napięciowe

zostaną pokrótce scharakteryzowane.

Rozwiązania sond napięciowych można podzielić na 3 grupy: sondy bierne R, L, C, sondy

czynne (aktywne) oraz sondy demodulacyjne.

3.2.1. Sondy rezystorowe:

Najprostsza sonda rezystorowa 1X składa się z kabla współosiowego i grotu. Jeżeli taką

sondę wyposażymy dodatkowo w rezystor zastępczy 450 Ω to wraz z rezystorem

wejściowym 50 Ω, utworzy on dzielnik napięcia o stopniu podziału 10 (rys. 2) Rezystancja

charakterystyczna Z

zastosowanego kabla powinna być równa rezystancji wejściowej R

oscyloskopu. Wtedy (zgodnie z teorią linii transmisyjnych) na wejściu kabla widziana jest

tylko rezystancja R

Oscyloskop

50 Ω

=50 Ω

450 Ω

1 pF

Rys 2. Sonda rezystorowa 10X.

Zastosowanie kondensatora pozwala skompensować straty występujące w kablu (dla

szerokiego pasma częstotliwościowego). Sonda o podziale napięcia 1:100 ma rezystancję

wejściową 5000 Ω. Rezystorowe sondy bierne charakteryzują się szerokim pasmem

przenoszenia i małą pojemnością wejściową (rzędu 1 pF). Sondy rezystorowe mogą

pracować tylko z oscyloskopami o rezystancji wejściowej 50 Ω. Typowe parametry

rezystorowych sond biernych:



tłumienie: 1:10 (1:100),



rezystancja wejścowa 500 Ω (5 kΩ),



pojemność wejściowa 1 pF (1 pF),



pasmo 0-3500 MHz (0-1400 MHz),



czas narastania 100 ps (250 ps)

3.2.2. Sondy RC

Znacznie większą rezystancję wejściową uzyskuje się w sondach rezystorowych o

niezakończonym rezystancją charakterystyczną kablu. W sondach RC, przewód sondy jest

zakończony impedancją o wiele większą od swojej impedancji Z

. Przewód takiej sondy od

strony wejścia przedstawia dużą pojemność. Duża wartość rezystancji szeregowej sondy,

pojemności kabla i oscyloskopu stanowią dzielnik o bardzo wąskim paśmie pracy. Dla sond

1X, pasmo pracy to pojedyncze MHz. Lepsze parametry pracy uzyskuje się w zondach z

podziałem 10X. dodatkowo poprawę charakterystyki częstotliwościowej można uzyskać

przez dołączenie kondensatora równolegle do rezystora szeregowego (rys. 3).

Oscyloskop

Rys. 3. Sondy typu RC.

Wierne odtworzenie impulsu wymaga spełnienia warunku R

. Na pojemność

zastępczą C

składa się pojemność wejściowa oscyloskopu oraz pojemność kabla. Ponieważ

impedancja zastępcza nie jest ściśle określona, więc należy skompensować dzielnik poprzez

strojenie trymera dołączonego do końca przewodu sondy lub umieszczonego w korpusie

sondy. Sondę stroi się, doprowadzając do jej wejścia sygnał prostokątny z kalibratora

oscyloskopu (lub generatora impulsów). Przykładowe przebiegi sygnałów dla sondy

skompensowanej prawidłowo oraz nieskompensowanej przedstawiono na rys. 4.

Rys. 4. Przebiegi sygnałów testowych [źr. RIGOL].

Kompensację należy przeprowadzać każdorazowo przy podłączeniu sondy do nowego

(innego) kanału pomiarowego. Sondy RC są przeznaczone do pracy z wysokoomowymi

wejściami oscyloskopowymi.

3.2.3. Sondy czynne

Sondy czynne, jak nazwa wskazuje zawierają elementy czynne (np. tranzystory,

tyrystory, układy scalone). Zastosowanie elementów czynnych powoduje konieczność

doprowadzenia do sony napięcia zasilającego. Sondy czynne zasilane są z odrębnego

zasilacza lub z oscyloskopu przez dodatkowe złącze. Zastosowanie elementów czynnych

umożliwia wzmocnienie badanego sygnału. Sondy czynne charakteryzują się małym

tłumieniem badanego sygnału, co czyni je dogodnym narzędziem do pomiarów sygnałów o

małej amplitudzie.

4. Opis wykonania ćwiczenia:

Zapoznanie się z pomiarami oscyloskopowymi:

Podłączyć generator funkcyjny analogowy do multimetru oraz do oscyloskopu

analogowego. W tym celu do gniazda „output” w generatorze podłączyć rozdzielacz i

sygnał doprowadzić jednocześnie do oscyloskopu (kabel BNC) oraz do multimetru

(kabel z przejściówką do podłączenia z multimetrem).

II.

Ustawić częstotliwość 1 kHz oraz wybrać sinusoidalny typ sygnału. Przy pomocy

pokrętła oraz multimetru ustawić wartość napięcia na ok. 1 V (multimetr ma mierzyć

napięcie przemienne). Sprawdzić multimetrem generowaną częstotliwość.

III.

Zapoznać się z panelem oscyloskopu – wybrać takie ustawienia, aby sygnał był dobrze

widoczny

IV.

Sprawdzić na skali oscyloskopu, czy wartość napięcia pokrywa się z wartością podaną

na generatorze

Powtórzyć z wykorzystaniem oscyloskopu cyfrowego

VI.

Powtórzyć z wykorzystaniem generatora cyfrowego

VII.

Wygenerować inny sygnał na generatorze cyfrowym i sprawdzić ponownie na

oscyloskopie parametry podawanego sygnału (np. sygnał trójkątny przy częstotliwości

>100 kHz i amplitudzie kilku woltów lub sygnał prostokątny).

VIII.

Sprawdzić poprawność skompensowania sondy oscyloskopowej.

IX.

Na generatorze cyfrowym ustawić sygnał sinusoidalny o częstotliwości 50 Hz i napięciu

Vpp 5.00 V. Za pomocą oscyloskopu cyfrowego i przewodu oscyloskopowego (sonda

1X), odczytać napięcie Vpp, dla nastaw (5.00, 2.00, 1.00, 0.500) V/Div. Odczytów

dokonywać automatycznie (funkcja measure) oraz za pomocą kursorów. Wyniki

zanotować w tabeli i porównać z wartością zadaną. Powtórzyć dla oscyloskopu

analogowego.

Porównanie dwóch sygnałów: Ustawić na obydwu generatorach taki sam sygnał (sinus,

1 kHz oraz 1 V). Podłączyć obydwa generatory do oscyloskopu cyfrowego (CH1 oraz

CH2). Nałożyć na siebie dwa sygnały i porównać ich amplitudę. Porównać dwa sygnały

prostokątne. Ponieważ w oscyloskopie cyfrowym sygnały zamieniane są na słowo

cyfrowe, można dokonywać na nich pewnych operacji matematycznych. Zobaczyć jak

będzie wyglądał sygnał będący sumą lub różnicą dwóch obserwowanych sygnałów. Do

tego celu służy „math menu” oraz przyciski F1,F2 i F3.

XI.

Dokonać pomiarów częstotliwości wskazanego przez prowadzącego układu.

Obsługa oscyloskopu cyfrowego przy pomocy komputera.

Podłączyć przy pomocy kabla USB oscyloskop cyfrowy do komputera. Ustawić dowolny

sygnał na generatorze cyfrowym (dowolna częstotliwość, amplituda oraz kształt). Uruchomić

program. Skomunikować ze sobą komputer oraz oscyloskop. Następnie zapisać pobrane dane

do pliku. Zapisać kilka różnych przebiegów (np. sinusoidalnego, trójkątnego,

piłokształtnego...).

Figury Lissajous

Gdy do obydwu gniazd oscyloskopu podłączymy sygnał sinusoidalny w zależności od

tego, jakie amplitudy mają poszczególne sygnały oraz jakie częstotliwości, przy przełączeniu

oscyloskopu w tryb XY (czyli wyłączenie domeny czasu na osi poziomej można uzyskać na

ekranie figury, których przykłady zamieszczone są poniżej:

Rysunki pochodzą ze strony: http://cmf.p.lodz.pl/markras/animki/lisaju/lisaju.html

W zależności od tego jak dobierzemy stosunek jednego sygnału do drugiego, można

uzyskać koło (gdy stosunek częstotliwości obydwu sygnałów jest równy 1, a przesunięcie

fazowe wynosi 90º). Krzywe Lissajou pozwalają m.in. na to, aby zbadać (określić amplitudę

czy częstotliwość) nieznanego sygnału, gdy znamy parametry innego sygnału (zazwyczaj

wykorzystując do tego celu generator funkcyjny).

W celu obserwacji figur Lissajou podłączyć do oscyloskopu analogowego dwa

sygnały sinusoidalne o identycznych parametrach. Należy pamiętać, żeby przełączyć

oscyloskop w tryb „dual”. Ponieważ zarówno częstotliwość jak i amplituda będą się różniły,

można spróbować dopasować przebiegi już na oscyloskopie. W tym celu na początku ustawić

taką samą częstotliwość (1 kHz) i na oscyloskopie sprawdzić czy obydwa sygnały się

pokrywają, a następnie delikatnie zmieniając wartość na generatorze cyfrowym postarać się

ustawić identyczną amplitudę. Gdy te sygnały będą wyglądały na identyczne przełączyć

oscyloskop w tryb X-Y (czyli pokrętło regulacji podstawy czasu przesunąć w skrajne lewe

położenie) i zaobserwować powstałe figury (można spróbować zmieniać amplitudę czy

częstotliwość i zobaczyć jak zmienia się otrzymany obraz). Ćwiczenie wykonać również na

oscyloskopie cyfrowym, a otrzymane przebiegi (figury) zapisać przy użyciu programu

komputerowego.

Dla testów można podłączyć do osi Y sygnał innego typu: trójkątny, piłokształtny.

Bardzo ciekawe efekty uzyskuje się z połączenia sygnału sinusoidalnego na osi poziomej i

szumu na osi pionowej.