PM_3_T.pdf
(
361 KB
)
Pobierz
A. Według przeznaczenia
- uniwersalne,
- specjalne,
- próbkujące,
- pamiętające,
- szybkie.
B. Według sposobu przetwarzania sygnału
- analogowe,
- analogowo-cyfrowe,
- cyfrowe.
C. Według częstotliwości
- m.cz. (B < 10 MHz),
- w.cz. (B < 500 MHz),
- b.w.cz. (B < 30 GHz).
D. Według ilości kanałów
- jednokanałowe,
- dwukanałowe,
- wielokanałowe.
Do podstawowych parametrów użytkowych
oscyloskopów należą szerokość pasma przenoszenia B i
czas narastania odpowiedzi impulsowej t
N
w kanale Y,
nierównomierność charakterystyki przenoszenia, zakres
zmian współczynnika odchylania kanału Y, zakres zmian
współczynnika czasu (podstawy czasu), impedancja
wejściowa kanału X (Y, Z, wyzwalania zewnętrznego),
liczba kanałów i sposób uzyskiwania zwielokrotnienia
kanałów, wielkość pola odczytowego, rodzaj wskaźnika,
dokładność skalowania dzielników wejściowych,
dopuszczalne sposoby synchronizacji i wyzwalania
generatora podstawy czasu.
Aby użytkownik mógł w sposób właściwy ocenić
przydatność danego oscyloskopu do wykonania
konkretnego zadania pomiarowego musi zdawać sobie
sprawę ze sposobu definiowania wyżej wymienionych
parametrów.
PODSTAWY METROLOGII
ĆWICZENIE NR 3
Pomiary oscyloskopowe
Wstęp teoretyczny
SPIS TREŚCI
1. Budowa, zasada działania i właściwości
eksploatacyjne oscyloskopów..............................1
1.1. Przeznaczenie i właściwości
oscyloskopów ...............................................
1.2. Budowa i zasada działania oscyloskopu
1
jednokanałowego ..........................................
1.3. Budowa i zasada działania oscyloskopu
2
dwukanałowego ............................................
2. Pomiary wybranych parametrów.........................6
2.1. Pomiary parametrów napięciowych..............6
2.2. Pomiary parametrów czasowych ..................7
3. Zasady eksploatacji oscyloskopów......................7
4. Literatura..............................................................8
5. Przykładowe pytania kontrolne ...........................8
6
Cel:
Nauczyć posługiwania się oscyloskopem do obserwacji
sygnałów i pomiarów wybranych parametrów oraz
szacowania dokładności pomiaru. Zapoznać z rolą
poszczególnych elementów regulacyjnych oscyloskopu,
jego przygotowaniem do pracy, stabilizowaniem
oscylogramu, a także możliwością zastosowania trybu
X/Y.
Szerokość pasma przenoszenia B.
Parametr ten związany jest z charakterystyką
amplitudowo-częstotliwościową toru Y oscyloskopu.
Kształt tej charakterystyki pokazano na rys. 1.
1. Budowa, zasada działania i właściwości
eksploatacyjne oscyloskopów
1.1. Przeznaczenie i właściwości oscyloskopów
S
Y
0dB
Oscyloskop jest przyrządem pomiarowym służącym
do wizualnej obserwacji zależności funkcjonalnej między
dwiema wielkościami wejściowymi – najczęściej jedną z
nich jest czas.
Dzięki swoim właściwościom oscyloskop jest
jednym z najbardziej uniwersalnych i rozpowszechnionych
przyrządów pomiarowych - pozwala na pomiar prawie
wszystkich parametrów sygnałów. Wejścia oscyloskopu są
najczęściej sterowane napięciowo.
Istnieje jednak szeroka gama różnych przetworników
pomiarowych, które są w stanie przetwarzać niemal każdą
wielkość fizyczną w napięcie. Dzięki temu oscyloskop
można przystosować do obserwacji zmian w zasadzie
dowolnej wielkości fizycznej.
Zasady działania różnych oscyloskopów są bardzo
podobne, ale mogą się one między sobą różnić ze względu
na przeznaczenie, sposób przetwarzania sygnału, ilość
kanałów wejściowych czy pasmo częstotliwości. Poniżej
przedstawione zostały różne klasyfikacje oscyloskopów.
-3dB
B
-3DB
f
f
d
f
g
Rys. 1. Charakterystyka przenoszenia toru Y oscyloskopu.
Charakterystyka ta pokazuje jak zmienia się
czułość odchylania kanału Y w funkcji częstotliwości
mierzonego sygnału. Przebieg charakterystyki jest
uwarunkowany istnieniem w torze Y różnego typu
pasożytniczych elementów L i C.
Szerokość pasma przenoszenia określa się jako
różnicę między częstotliwością graniczną górną
f
g
i dolną
f
d
charakterystyki przenoszenia. Częstotliwości graniczne
charakterystyki przenoszenia są to częstotliwości, przy
których czułość odchylania toru Y spada o 3dB w
1
stosunku do czułości dla środka pasma (lub maleje
2
razy).
Rodzaj wskaźnika.
Obecnie rolę wskaźnika pełnią w
oscyloskopach lampy elektronopromieniowe z
pojemnościowym odchylaniem strumienia elektronów,
monitory telewizyjne i komputerowe oraz wyświetlacze
ciekłokrystaliczne zarówno monochromnatyczne jak i
kolorowe.
B
-3dB
= f
g
- f
d
(
1)
Typowo zamiast parametru B podaje się częstotliwość
górną graniczną charakterystyki przenoszenia, ponieważ
zwykle częstotliwość graniczna dolna jest bliska lub równa
zero. Oczywiście im pasmo przenoszenia jest większe tym
oscyloskop jest lepszy.
Dokładność skalowania dzielników wejściowych
wyrażana jest jako procent długości odpowiedniego
wymiaru pola odczytowego (typowo δ
%
D
Y
, δ
%
D
T
~ 5%).
Czas narastania odpowiedzi t
N
w kanale Y
jest ściśle
powiązany z szerokością pasma przenoszenia B co
przedstawia zależność (2).
Dopuszczalne sposoby synchronizacji i wyzwalania
gen.p.cz.
- automatyczne, normalne, jednokrotne;
- wewnętrzne, zewnętrzne, od sieci zasilającej;
- m.cz., w.cz., ramka TV;
- zboczem narastającym lub opadającym.
t
N
=
0,35
/ f
g
~
0,35
/ B
-3dB
(2)
Parametr ten, zdefiniowany w dziedzinie czasu, ogranicza
zdolność oscyloskopu do pomiaru impulsów krótkich i o
szybkich zboczach opadających i narastających.
Nierównomierność charakterystyki przeno-szenia
. Jest
to parametr informujący o możliwości powstawania
dodatkowych błędów przy zmianie częstotliwości sygnału
mierzonego w płaskiej części charakterystyki
przenoszenia. Typowo wartość tego parametru wynosi ±
0,1dB.
1.2. Budowa i zasada działania oscyloskopu
jednokanałowego
Podstawowym elementem oscyloskopu analogowego
jest lampa oscyloskopowa (rys. 2). W największym
uproszczeniu lampa składa się z wyrzutni elektronów
płytek odchylania pionowego i poziomego oraz ekranu
pokrytego luminoforem.
Zadaniem wyrzutni elektronów jest emisja
elektronów, uformowanie ich ruchu w jeden strumień o
określonych parametrach i nadanie im odpowiedniej
prędkości. Strumień elektronów uderza w szklany ekran
pokryty luminoforem. Luminofor to substancja chemiczna
charakteryzująca się tym, że pod wpływem uderzających
w nią elektronów zaczyna świecić. Czas świecenia się
luminoforu po uderzeniu elektronu nazywany jest czasem
poświaty. Jest to parametr charakteryzujący lampę
oscyloskopową.
Strumień elektronów jest odchylany od kierunku
nadawanego mu przez wyrzutnię elektronów przez pole
elektryczne wytwarzane przez płytki odchylania
pionowego i poziomego.
Kierunek i zwrot oraz wielkość tego odchylenia
zależy od polaryzacji i wartości napięcia przyłożonego do
odpowiedniej pary płytek odchylających.
Zakres zmian współczynnika odchylania kanału Y.
Współczynnik odchylania
jest odwrotnością czułości
napięciowej toru Y. Określa wartość międzyszczytową
napięcia potrzebnego do odchylenia plamki o 1 cm(dz)
(typowo 1, 2, 5 ⋅ 10
n
V/dz – gdzie n - liczba całkowita z
zakresu –6 do 0 a nawet 1)
D
Y
= U
YPP
[V] / A [cm(dz)] = U
YPP
/ 1cm (dz) = 1 / S
Y
Podanie tego parametru przy jednoczesnej znajomości
wielkości pola odczytowego w działkach jest
równoznaczne podaniu zakresu pomiarowego napięcia.
Zakres zmian współczynnika czasu (podstawy czasu)
.
Parametr ten określa skalę czasu osi X (typowo 1, 2, 5 ⋅
10
n
s/dz – gdzie n - liczba całkowita z zakresu – 9 do 0 a
nawet 1).
D
T
= t / 1 cm(dz)
Wyrzutnia
elektronów
Luminofor
Płytki
Y
Impedancja wejściowa kanału X, Y, Z, wyzwalania
zewnętrznego.
Impedancja wejściowa
oscyloskopu jest
dopasowana do typowej impedancji falowej dla linii
transmisyjnej (np. 50, 75 Ω) lub wysoka (rzędu 1MΩ),
impedancja wejściowa ma na ogół charakter rezystancyjno
-pojemnościowy (RC). Jeżeli impedancja wejściowa
oscyloskopu jest wysoka to dopasowanie impedancyjne z
linią transmisyjną zapewnia się przez zastosowanie
odpowiednich sond pomiarowych.
Płytki
X
Rys. 2. Uproszczony schemat lampy oscyloskopowej
Jeżeli strumień elektronów będzie odchylany w
sposób płynny to na ekranie lampy pozostawi ślad, którego
kształt będzie zależny od kształtu napięć przyłożonych do
obydwu par płytek odchylających. Na rys. 3a,b pokazano
przykład oscylogramów powstałych na skutek przyłożenia
do jednej pary płytek napięcia stałego a do drugiej
napięcia sinusoidalnego. Na ekranie powstaje odcinek o
długości proporcjonalnej do wartości międzyszczytowej
napięcia sinusoidalnego
U
pp
.
Aby oscylogram zobrazowywał zależność
napięcia przyłożonego do płytek pionowych, do płytek
poziomych musi zostać przyłożone napięcie piłokształtne
Liczba kanałów i sposób uzyskiwania zwielokrotnienia
kanałów.
Typowo 1, 2, 3, 4 z lampą oscyloskopową
wielostrumieniową lub ze zwielokrotnionym systemem
odchylania plamki albo z lampą jednostrumieniową i
przełącznikiem elektronicznym
Wielkość pola odczytowego.
Może być wyrażana za
pomocą długości przekątnej lub przez podanie wysokości i
szerokości pola odczytowego w działkach.
2
będące liniową funkcją czasu. Przykład taki przedstawia
rys. 3c.
We
Y
Lampa
oscyloskopowa
Tor Y
Jeżeli oscyloskop ma przyłożone do płytek
odchylania poziomego napięcia liniowo narastające to
mówimy, że pracuje z
rozciągiem liniowym
. Możliwa jest
także praca oscyloskopu z innymi rozciągami. Źródłem
napięcia piłokształtnego przykładanego do płytek
odchylania poziomego oscyloskopu jest wewnętrzny
generator nazywany generatorem podstawy czasu.
Wej.
wyzw.
ze
wn.
Tor wyzw.,
synchr. i
genracji p.cz.
We
X
Tor X
Rys. 4. Uproszczony schemat funkcjonalny
oscyloskopu
Aby obraz na ekranie nie zaniknął musi być stale
odświeżany. Odświeżenie oscylogramu nastąpi jeżeli
napięcie z generatora p.cz. będzie się cyklicznie pojawiało
na płytkach odchylania poziomego lampy. To cykliczne
odświeżanie obrazu na ekranie oscyloskopu jest zadaniem
toru wyzwalania, synchronizacji i generacji p.cz.
Generator podstawy czasu może pracować w trybie
samowzbudnym (automatycznym) lub w trybie
wyzwalanym (obcowzbudnym, tzw. normalnym).
a)
U
Y
U
Y
= var
U
X
= const
U
X
b)
U
Y
Praca automatyczna generatora polega na tym, że
podstawa czasu jest generowana z częstotliwością własną
generatora podstawy czasu. Oscylogram jest wtedy na ogół
niestabilny, ponieważ warunkiem otrzymania stabilnego
oscylogramu jest synchronizacja podstawy czasu z
sygnałem mierzonym. W trybie automatycznym
oscylogram będzie stabilny tylko wtedy, gdy częstotliwość
sygnału mierzonego jest całkowitą wielokrotnością
częstotliwości podstawy czasu.
U
Y
= const
U
X
= var
U
X
c)
Podstawowym rodzajem pracy generatora podstawy
czasu jest praca normalna. Tryb ten polega na tym, że ta
część napięcia z toru Y, która jest doprowadzana do toru
wyzwalania, synchronizacji i generacji podstawy czasu
jest porównywana z pewnym napięciem odniesienia,
którego wartość nazywamy poziomem wyzwalania. W
momencie zrównania się napięcia z toru Y z poziomem
wyzwalania wyzwalany jest jednokrotnie generator
podstawy czasu. Po wygenerowaniu jednego impulsu
piłokształtnego generator p.cz. czeka na kolejne
wyzwolenie. W tym trybie oscylogram jest zawsze
stabilny, jeśli poziom wyzwalania jest w granicach zmian
wartości chwilowych napięcia w torze Y. Jeżeli nie to na
ekranie nie pojawia się żaden oscylogram.
U
Y
= U
m
sin
ω
t
U
X
= 2 U
mX
t / T - U
mX
Rys. 3. Zasada tworzenia oscylogramu
Oscyloskop jest urządzeniem elektronicznym o
bardzo skomplikowanej budowie. Można ją jednak w
najprostszym ujęciu sprowadzić do trzech bloków
funkcjonalnych (rys. 4).
Zadaniem toru Y jest wysterowanie płytek Y
(odchylania pionowego) oscyloskopu. Do wejścia toru Y
doprowadzany jest sygnał badany. Po wzmocnieniu lub
stłumieniu jest on doprowadzany do płytek Y lampy.
Część tego sygnału jest także doprowadzana do wejścia
toru wyzwalania, synchronizacji i generacji podstawy
czasu.
Zadaniem toru X jest wysterowanie płytek (X)
odchylania poziomego lampy oscyloskopowej. Do wejścia
toru doprowadzane jest napięcie z wewnętrznego lub
zewnętrznego generatora p.cz.
3
a)
U
pcz
t
f
x
< f
pcz
U
t
f
x
= f
pcz
U
t
f
x
= 2 f
pcz
U
t
b)
Poziom
wyzwalania
U
t
U
Impulsy
synchronizujące
t
U
pcz
t
t
r
t
p
t
w
Rys. 5. Powstawanie oscylogramu:
a) w trybie automatycznym (Auto),
b) b) trybie normalnym (Normal)
Na rys. 5 przedstawiono zasadę powstawania oscylogramu w trybie „auto” i „normal”. Obraz przebiegu badanego
jest zobrazowywany zawsze w czasie trwania zbocza narastającego przebiegu piłokształtnego. Strumień elektronów
kreśli wtedy ślad na ekranie lampy od lewej do prawej strony. W czasie trwania zbocza opadającego strumień powraca
od prawej do lewej strony, ale fakt ten nie jest zobrazowywany, ponieważ w torze wyzwalania, synchronizacji i
generacji podstawy czasu wytwarzany jest impuls doprowadzany do wyrzutni elektronów w lampie oscyloskopowej,
który wygasza strumień elektronów.
4
1.3. Budowa i zasada działania oscyloskopu
dwukanałowego
2. Pomiary wybranych parametrów
W przypadku pomiarów amplitudowych wysokość
odpowiadającą mierzonemu parametrowi wyrażamy w
działkach (lub w cm) i mnożymy przez współczynnik
odchylania odczytany z odpowiedniego przełącznika
]
Najpopularniejszą metodą zwielokrotniania kanałów
w oscyloskopie analogowym jest zastosowanie
przełącznika
elektronicznego.
Budowę
takiego
⋅=
(3)
W przypadku pomiarów parametrów czasowych,
długość odcinka odpowiadającego danemu parametrowi
wyrażamy w działkach (lub w cm) i mnożymy przez
współczynnik czasu odczytany z przełącznika podstawy
czasu.
parametram
plitudowy
H
[
dz
]
D
[
V
/
dz
Y
oscyloskopu przedstawiono na rys. 6.
We 1(
Y)
PE
Lampa
oscyloskopowa
Kanal 1
We 2( X)
⋅=
( )
Przy pomiarach oscyloskopowych, tak należy dobrać
odpowiednio współczynnik odchylania i współczynnik
czasu, aby mierzony fragment przebiegu zajmował jak
największą część ekranu. Pomiary należy wykonywać
zawsze przy pokrętłach płynnej regulacji współczynnika
czasu i współczynnika odchylania ustawionych w
położenie kalibrowane. Przed wykonaniem pomiarów tory
wejściowe oscyloskopu należy skalibrować za pomocą
kalibratora wewnętrznego lub zewnętrznego.
parametrcz
asowy
L
[
dz
]
D
[
s
/
dz
]
Kanal 2
T
Tor wyzw.,
synchr. i
genracji p.cz.
Tor X
Wej.
wyzw.
zewn.
Rys. 6. Uproszczony schemat funkcjonalny
oscyloskopu dwukanałowego
Oscyloskop taki jest wyposażony w lampę
jednostrumieniową podobnie jak oscyloskopy
jednokanałowe. Przełącznik elektroniczny służy do na
przemiennego doprowadzania sygnału z kanału 1 i 2 do
płytek odchylania pionowego. Możliwe są dwa tryby pracy
przełącznika elektronicznego – praca siekana
(czoperowana – Chop) i praca alternatywana (Alt).
W trybie alternatywnym
stan przełącznika jest
zmieniany, co okres podstawy czasu, tzn. w trakcie
jednego okresu podstawy czasu kreślony jest np. sygnał z
kanału 1. Natomiast, w trakcie kolejnego okresu p.cz.
kreślony jest sygnał z kanału 2.
W trybie siekanym
przełączanie następuje z
częstotliwością własną przełącznika. Wynosi ona zwykle
100 kHz lub więcej. W trybie siekanym, obydwa sygnały
są więc przełączane z częstotliwością znacznie
przewyższającą częstotliwość p.cz. W tym trybie w trakcie
jednego okresu p.cz. każdy z sygnałów doprowadzany do
płytek Y lampy oscyloskopowej, składa się krótkich
odcinków poprzedzielanych krótkimi przerwami tak, że
jeśli w jednym sygnale jest rozświetlony odcinek to w
drugim jest przerwa i na odwrót. W kolejnym okresie p.cz.
odcinki te są nieco poprzesuwane względem odcinków
wcześniej wykreślonych. Dzięki bezwładności oka
ludzkiego i czasowi poświaty otrzymywany jest ciągły
obraz każdego z sygnałów.
Tryb siekany jest używany do obserwacji sygnałów
przy wolnej podstawie czasu a tryb alternatywny przy
szybkiej. Zastosowanie trybu alternatywnego przy wolnej
podstawie czasu powoduje, że strumień elektronów nie
nadąża odświeżać obrazu w kolejnych okresach podstawy
czasu i następuje migotanie obrazu. Zastosowanie trybu
siekanego do obserwacji przebiegów szybkich może w
skrajnych sytuacjach doprowadzić do zsynchronizowania
przełącznika z generatorem p.cz., co objawi się
powstaniem w obrazie stałych przerw – w kolejnych
okresach p.cz. zmiany stanu przełącznika elektronicznego
nastąpią w tych samych momentach czasowych.
Wygaszenia fragmentów oscylogramu oznaczają utratę
informacji w 50%.
2.1. Pomiary parametrów napięciowych
Do podstawowych parametrów napięciowych
mierzonych za pomocą oscyloskopu należą wartość
międzyszczytowa napięcia U
pp
, amplituda połówki
dodatniej i amplituda połówki ujemnej.
Jeśli przyjmiemy, że napięcie zmienne opisana jest
równaniem
u(t)
(mówimy, że równanie
u(t)
opisuje zmiany
wartości chwilowej napięcia), to wartość międzyszczytowa
jest równa różnicy między największą a najmniejszą
wartością chwilową. Amplituda połówki dodatniej jest
największą z wartości chwilowych napięcia. Amplituda
polówki ujemnej jest najmniejszą z wartości chwilowych
mierzonego napięcia. Na rys. 7 pokazano sposób
wyznaczania powyższych parametrów.
U
U
m+
U
pp
t
U
m-
T
Rys. 7. Parametry amplitudowe napięcia zmiennego
mierzone oscyloskopem
Inne wartości charakterystyczne napięcia zmiennego
takie jak wartość skuteczna, średnia jednopołówkowa i
dwupołówkowa mogą być mierzone metodą pośrednią
przez podzielenie amplitudy napięcia przez współczynnik
amplitudy lub uśredniania, jeżeli oczywiście są one znane.
Oscyloskop umożliwia także
pomiar napięcia
stałego
. W tym celu do wejścia oscyloskopu
doprowadzany napięcie. Przełącznik MODE ustawiamy w
położenie Auto a przełącznik sprzężenia toru Y ustawiamy
w położenie GND (ang.
ground
– masa). Na ekranie
otrzymamy poziomy odcinek, który pokrętłem przesuwu
pionowego ustawiamy na jedną z linii skali oscyloskopu.
Następnie przełącznik sprzężenia toru Y ustawiamy w
położenie DC. Odległość, o którą przesunął się odcinek w
pionie wyrażamy w działkach i mnożymy przez
współczynnik odchylania.
Plik z chomika:
mati14000
Inne pliki z tego folderu:
Kopia 4.xls
(19 KB)
Kopia metrologia3.xls
(26 KB)
metrologia3.xls
(26 KB)
PM_1_P.pdf
(422 KB)
PM_1_T.pdf
(520 KB)
Inne foldery tego chomika:
Metrologia
METROLOGIA-O WSTĘPIE DO PIERWSZEJ LABORKI Z NETU
Nowy folder metrologia
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin