Základy práce s osciloskopem 1 Cíle měření Cílem toho měření je seznámit se s generátorem funkcí a naučit se pracovat s osciloskopem. Pracovní úkoly 1. Zobrazení časového průběhu signálu pomocí osciloskopu. Měření napětí a periody. 2. Sestavení a proměření jednocestného usměrňovacího můstku 2 Pomůcky 3 Základní pojmy a vztahy: 3.1 Generátor funkcí (a) (b) Obrázek 1: a)generátor funkcí a b) schema ovládacích prvků. 1
Jak již název napovídá, generátor funkcí slouží k vytváření periodických elektrických signálů. Většina generátorů je schopna vytvářet minimálně tři typy signálu tzv. sinusový, pilový a obdélníkový. Ovládací prvky na obr. 1b nastavují frekvenci (3-hrubé nastavení, 5-jemné nastavení), amplitudu (9) a typ signálu (4,7). Generátor je také schopen měnit symetrii generované amplitudy a frekvence (6),tj. např. u pilovité funkce mohou být měněny úhly na vrcholech průběhu. Dále je možné nastavit tzv. offset, který umožňuje měnit střední hodnotu napět ového průběhu, tj. k základnímu periodickému signálu přičte konstantní člen (8). Generátor na obr. 1a a 1b má několik konektorů typu BNC (11,12,13). Zde často dochází k chybnému zapojení. Zatímco (11) a (13) jsou výstupy generovaného signálu, konektor (12) je vstup signálu nízkého napětí, které umožňuje externě řídit frekvenci generátoru. Konektor (11) je výstup generovaného signálu požadovaného tvaru podle nastavení (4). Konektor (13) je pak výstup TTL logiky. To znamená, že bez ohledu na nastavení tvaru signálu (4)vždy generuje pouze obdélníkový tvar o amplitudě 5V. Připojení na výstup (13) namísto (11) tak může být matoucí. Bližší informace o námi používaném generátoru lze nalézt na:. 3.2 Analogový osciloskop Základní funkcí osciloskopu je sledování průběhu rychle se měnících elektrických signálů. Principiální schéma analogového osciloskopu je na obr. 2. Tvoří jej obrazová elektronka s elektronovou tryskou, dva páry vychylovacích destiček a stínítko. Elektrony jsou urychlovány směrem ke stínítku a procházejí dvěma páry vychylovacích destiček. Zde jsou vychylovány z přímého směru podle přiloženého napětí na destičkách vlivem elektrického pole bud v horizontálním aneb o ve vertikálním směru. Obrázek 2: Princip fungování analogového osciloskopu. Elektrony se na stínítku obrazovky vysvítí a jejich výchylka od středu je složením výchylky ve směru x díky napětí U x na vstupu X a výchylky ve směru y díky napětí U y na vstupu Y. Tabulka na obr. 3 znázorňuje několik základních pozic bodu na obrazovce podle přiloženého napětí. Nová možnost osciloskopu se ukáže tehdy, přivedeme-li na vstup X tzv. pilové napětí. Tabulka na obr. 4 dokumentuje takovouto situaci pro tři frekvence pilového napětí. Vidíme, že takovýmto způsobem se bude paprsek ve směru X opakovaně posunovat konstantní rychlostí. Díky tomu lze sledovat průběh resp. rozmítat napětí na vstupu Y. Tato funkce je tak významná, že osciloskopy mají uvnitř zabudován zdroj pilového napětí s proměnnou frekvencí (tzv. časovou základnu). Takto funguje tak zvaný t-y mód resp. čas-y mód. Analogový osciloskop, v našem případě Voltcraft AO-610, je základní jednokanálový osciloskop, který však obsahuje všechny základní prvky, které jsou pro měření s osciloskopem důležité: obrazovku, Y-vstup, vertikální zesilovač, řízení frekvence časové základny, spouštění vykreslování ( trigger ), externí časovou základnu. Z předchozího popisu vyplývá, že osciloskop může pracovat ve dvou základních módech: 2
Obrázek 3: Základní pozice bodu na obrazovce osciloskopu podle průběhu napětí na vstupu U x a U y. X-Y mód: Sledujeme bod na obrazovce, jehož pohyb ve vertikálním směru je řízen velikostí napětí na vstupu Y (číslo 18 na obrázku 2) a horizontální pohyb je řízen napětím na vstupu X (číslo 13 na obrázku 2). Pozorujeme tedy aktuální situaci koncového bodu vektoru (U x (t),u y (t)) v grafu s osami U x a U y. t-y mód (resp. čas-y mód): Sledujeme bod na obrazovce, jehož pohyb ve vertikálním směru je řízen napětím na vstupu Y, zatímco horizontální pohyb je řízen vnitřně tak, aby se bod opakovaně v pravidelných intervalech pohyboval zleva doprava (tzv. časová základna). Tímto se na obrazovce objeví časová závislost napětí U y (t) v grafu s osami t, U y. Ustálený obrázek vidíme ale jen tehdy, pokud jde o rychlé periodické děje vhodně sesynchronizované s časovou základnou. K synchronizaci signálu a časové základny slouží spouštěč vykreslování (anglicky trigger, číslo 9 na obrázku 5b).. 3
Obrázek 4: Časové rozmítaní napětí U y pomocí pilového průběhu napětí U x. (a) (b) Obrázek 5: a) Osciloskop Voltcraft AO-610 a b) schema ovládacích prvků. 4 Postup měření Úkol 1. - Nastaveni osciloskopu Odpojte jakékoliv kabely od vstupů 18 a 13. Zapněte osciloskop. Pokud je třeba, může nyní, nebo kdykoliv jindy upravit intenzitu a zaostření stopy na stínítku 4
pomocí regulátoru 3 a 4. Nastavte stopu na intenzitu dostačující pro dané světelné podmínky. Zbytečně nevypalujte obrazovku. Ujistěte se, že osciloskop je ve vhodném nastavení, tj. přepínače jsou v polohách: 11 AUTO zobrazí vodorovnou linii pro nulovou hodnotu napětí. 10 + spouštění vyčítání na náběžné (stoupající) hraně signálu (vysvětlíme později) 17 DC zobrazuje hodnoty signálu bez odečtení nízkofrekvenční složky (také vyzkoušíme později) 12 INT. pro rozmítání osy X budeme používat vnitřní časovač, který se ovládá tlačítky 6,7 a 8. 8 a 16 maximum do polohy CAL Nastavte horizontální časovou základnu: Pomocí knoflíku 6 nastavte časovou základnu (osa X) na 2ms/dílek. Knoflík 8 by měl být v pozici CAL. Nastavení vertikální škály: Pomocí knoflíku 14 nastavte rozlišení osy Y na 5V/dílek. Knoflík 8 by měl být v pozici CAL. Přepněte 17 na GND. Tím přivedete signál na úrovni země, tj. nulový potenciál. Pomocí knoflíku 15 nastavte linku vertikálně na střed obrazovky do zákrytu s osou X. Pomocí knoflíku 7 ji vycentrujte vodorovně. Pokud ani nyní neuvidíte světlou linku na středu obrazovky, požádejte o pomoc asistenta. Pozor! Přepněte 17 zpět na DC pro následující měření. Úkol 2. - Zobrazení průběhu signálu Zapněte generátor funkcí a připojte jej pomocí BNC kabelu ke vstupu osy Y (18). Generátor nastavte: Zvolte sinusovou vlnu. Zvolte základní frekvenci 1kHz Nalad te libovolnou frekvenci v této oblasti pomocí knoflíku FINE (5 na obr.1b). Nastavte výchozí napětí na přibližně 3V pomocí knoflíku 9 (knoflík bude přibližně v polovině rozsahu). Nastavte konstantní složku výstupního napětí na 0 pomocí knoflíku 8. To provedete jeho zatlačením. Pomocí knoflíku 6 TIME/DIV nastavte časovou základnu tak, abyste na obrazovce viděli něco mezi jedním a dvěma cykly. Nyní vyzkoušíme funkci spouštěče zobrazování (9), který slouží ke stabilizaci (angl. triggering ) vykreslování. Nastavte knoflík LEVEL (9) do maximální polohy. Postupně otočte knoflík 9 zpět, až dojte ke stabilizaci obrazu. Otáčejte dál a pozorujte počátek křivky na levé straně. Přepněte přepínač 10 na -. V čem je rozdíl při nastavení 10 na + nebo -?.............................................................................................. Nyní odečtením z obrazovky osciloskopu změřte frekvenci signálu: Velikost jednoho cyklu v počtu dílku (knoflík 6):......................................... 5
Čas na jeden dílek stupnice:............................................................. Perioda:................................................................................. Frekvence:............................................................................... Nyní vyzkoušíme rozdíl mezi DC a AC vazbou na vstupu nastavitelnou pomocí přepínače 17. DC je z anglického direct current stejnosměrný proud a AC a alternating current střídavý proud. Jak si ukážeme, nastavení AC umožňuje od signálu odečíst stejnosměrnou složku napětí a zobrazovat pouze tu část, která se mění v čase. Proved te následující: Na generátoru funkcí tahem aktivujte knoflík OFFSET měňte jeho nastavení Co se stalo?......................................................................................... Přepněte přepínač 17 na AC. Jaká je nyní střední velikost měřeného signálu?................. Jak se změní při manipulaci s ovladačem OFFSET (knoflíku 8) na generátoru?............. Nastavte zpět konstantní složku signálu na 0 - zatlačte knoflíku 8. Úkol 3. - Stavba rektifikačního můstku Odpojte generátor od osciloskopu. Postavte jednocestný usměrňovací můstek dle obrázku. Pro hezký vizuální efekt použijte červenou(!) LED diodu. Proč je LED dioda jinak ale nevhodná pro reálnou aplikaci?.............................................................................................. Jak velký odpor použijete?................................................................... Ukažte asistentovi postavený obvod, tak aby bylo jasné, že je správně zapojen. Nastavte osciloskop na DC. Připojte generátor signálu, nastavte maximální napětí signálu a začněte měřit. Nakreslete výsledný signál: Zkuste snížit frekvenci zdroje na úroveň jednotek Hz. Co se stane? Zkuste měnit nastavení OFFSET na generátoru. Bonusové: 6
Změřte rozdíl maximální napětí usměrněného signálu. Proč není stejně velký jako rozdíl napětí na zdroji? Postupně zvyšujte frekvenci signálu z generátoru (o celé řády pomocí hrubého nastavení). Co pozorujete? S jakou vlastností diod to souvisí? 7