ZADÁNÍ: Měření proveďte na osciloskopu Goldstar OS-9020P. 1) Pomocí vestavěného kalibrátoru zkontrolujte nastavení zesílení vertikálního zesilovače, eventuálně nastavte prvkem "Kalibrace citlivosti". Změřte napětí pilového průběhu časové základny osciloskopu. 2) Zkontrolujte pomocí osciloskopu jeden kmitočtový rozsah nízkofrekvenčního generátoru (200Hz - 2kHz). Narýsujte opravnou křivku. 3) Ocejchujte fázovací článek pomocí osciloskopu a nakreslete cejchovní křivku. Vypočtěte teoretický rozsah změny fáze a porovnejte se skutečným rozsahem. Rozdíl zdůvodněte v závěru. 4) Vypočtěte o kolik dB poklesne napětí, zmenší-li se výchylka ze sedmi na pět dílků rastru obrazovky. 5) Vypočtěte absolutní hodnotu vstupní impedance osciloskopu pro f = 100kHz a 1MHz, jeli Rvst = 1MΩ , Cvst = 35pF.
ÚVOD: Osciloskop je v dnešní době nezbytným přístrojem elektronické laboratoře. Umožňuje zobrazení různých průběhů napětí. Zobrazení má být pokud možno bez zkreslení, osciloskop má mít značnou citlivost a aby příliš nezatěžoval měřený obvod, musí mít velký vstupní odpor. Pomocí osciloskopu lze zjišťovat fázový úhel, kmitočet, určovat hloubku modulace, zobrazit tvar impulsů, měřit napětí a pod. Osciloskop najde uplatnění při snímání pracovních charakteristik aktivních i pasivních prvků, při nastavování rozhlasových a televizních přijímačů. Je to tedy mnohostranně použitelný přístroj. Přístroj je vybaven obrazovkou s elektrostatickým vychylováním v pravoúhlých souřadnicích X, Y. Vstupy zesilovačů X,Y bývají buď asymetrické nebo symetrické. Asymetrický vstup má jednu svorku uzemněnou (připojenou na kostru). Jedním ze základních typů osciloskopů u nás je TESLA BM 510. Maximální vstupní napětí pro oba vstupy je 200V (vrcholová hodnota včetně střídavé superpozice)!. Maximální citlivost obou vstupů je stejná 20mVss/díl. Kmitočtový rozsah: 0-1,5 Mhz
-3dB +/- 1dB pro Y
0- 1 MHz -3dB +/- 1dB pro X Abychom mohli dobře pozorovat obrázek, je nutné, aby se nepohyboval. K tomu slouží synchronizace, která upravuje spouštění časové základny tak, aby časová perioda byla přesným násobkem periody zobrazovaného periodického signálu. Amplitudový kalibrátor má zdroj obdélníkového napětí 50Hz, vstupní napětí mVss a 600mVss. Přesnost výstupního napětí při zatěžovací impedanci 1MΩ je ±3%. Výstup pilového průběhu napětí časové základny je přibližně 4mVss/10kΩ. Osciloskop je vybaven posuvem ve směru X a ve směru Y.
SCHÉMA:
POPIS MĚŘENÍ: 1) Před zapojením na síť se přesvědčte, zda je přístroj připojen na správné síťové napětí. Vypínač musí být v poloze 0, všechny ostatní potenciometry, zejména JAS ,vytočte vlevo. Rovněž vypínač RASTR musí být v poloze 0. Všechny vstupy zesilovače přepněte do polohy 0. Přepínač v horizontálním zesilovači přepněte do polohy ČZ, přepínač volby synchronizace na značku INT, druh činnosti časové základny do polohy SYNCHR a potenciometr jemné regulace zesílení horizontálního zesilovače do polohy KAL ČZ. Nyní zapněte síťový vypínač. Asi po jedné minutě nastavte potenciometry JAS, OSTŘENÍ, POSUV X a POSUV Y stopu na stínítku obrazovky. Osciloskop necháme teplotně ustálit nejméně 20 minut. Po tuto dobu omezme jas a seznamujeme se s návodem k osciloskopu. Po uplynutí této doby propojte spojovacím kablíkem výstup kalibrátoru 60mV se vstupem vertikálního zesilovače Y1, který před propojením přepněte do polohy stejnosměrný. Přepínač V/díl do polohy 0,02. Nastavením potenciometru jemné regulace zesílení vertikálního zesilovače do polohy KAL Y dostaneme na stínítku obdélníkové průběhy (velikost 3 dílky). Případnou nesrovnalost v amplitudě lze dostavit prvkem “kalibrace citlivosti“ přístupným na levém boku přístroje. Obraz do synchronního stavu nastavte potenciometrem Citlivost a odečteme výšku v dílcích a vynásobíme konstantou rozsahu a dostaneme napětí. Výstup pily musí být propojen se vstupem Y1. 2) Časová základna tohoto osciloskopu umožňuje zjistit časový interval mezi dvěma průběhy nebo mezi dvěma body jednoho průběhu až do délky rastru. Potenciometr jemné regulace zesílení horizontálního zesilovače nastavte do polohy KAL ČZ. Př.: Na rastru odečteme horizontální vzdálenost mezi dvěma body 5 dílků. Přepínač Čas/Díl je v poloze 1 ms. Časový interval potom bude: T= 5*1 ms = 5ms protože kmitočet je převratnou hodnotou doby periody, dostaneme: f= 1/T = 1/5*10-3 = 200Hz 3) Při měření fázového úhlu dvou sinusových napětí je geometrický tvar zobrazení křivky úměrný fázovému úhlu. Připojte vstup X a nastavujte po 15°. Hodnoty zpracujte do tabulky a nakreslete cejchovní křivku.
NAMĚŘENÉ A VYPOČTENÉ VÝSLEDKY: 1) Měření napětí pilového průběhu časové základny osciloskopu - napětí u osciloskopu TESLA BM510 při t/díl=0,2ms bylo 5,2V 2) Kontrola kmitočtového rozsahu nf generátoru a konstrukce opravné křivky - kontrolu jsme provedli pro f=100÷1000Hz
fG[Hz] fS[Hz] o[Hz]
100 100 0
Tabulka č. 1 – Hodnoty opravné křivka 200 300 400 500 600 700 800 200 298,5 392,2 487,8 581,4 675,7 757,6 0 -1,5 -7,8 -12,2 -18,6 -24,3 -42,4
900 1000 862 980,4 -38 -19,6
- opravná hodnota o = fS – fG = 980,4 –1000 = -19,6V 3) Ocejchovaní fázovacího článku
α[°] a[dílek] b[dílek] ϕ[°]
0 30 0 0,3 8 8 0,00 -2,15
Tabulka č. 2 – Fázovací článek 60 90 120 150 180 210 240 270 4,8 6,4 7,1 7,4 7,5 7,6 7,7 7,75 8 8 8 8 8 8 8 8 -36,87 -53,13 -62,56 -67,67 -69,64 -71,81 -74,26 -75,64
- fázový posuv ϕ = arcsin
a 7,75 = = −75,64 ° 8 b
4) Pokles napětí v decibelech 5 U - pokles a = 20log 2 = 20 log = -2,92dB 7 U1 5) Výpočet absolutní hodnoty impedance osciloskopu Z1 = R 1 j ωC 1 1 1 1 jωC 1 + jωRC = + = + = 1 Z Z1 Z 2 R R
Z2 =
R R − j ωR 2 C R ùR 2C Z= = = − j 1 + jωRC 1 + ω 2 R 2C 2 1 + ù 2 R 2C2 1 + ù 2 R 2C 2 Z = Re 2 + Im 2 =
R 2 + ù 2 R 4C 2 1 + ù 2 R 2C 2
R=1MΩ C=35pF a) f = 100kHz ω=2πf=6,28⋅100 000=628 318 rad/s Z = 45 426Ω Ω b) f = 1MHz ω=2πf=6,28⋅1 000 000 =6 283 185 rad/s Z = 4 547Ω Ω
ZÁVĚR: Z opravné křivky generátoru je možné vyčíst, že v pásmu 0÷1000Hz se se vzrůstající frekvencí zvětšuje i absolutní chyba. Chyba způsobená špatným nastavením je možná, jelikož stupnice generátoru je logaritmická. Pokud při měření nevznikly chyby špatným odečtením hodnot, lepší zdůvodnění by podal výrobce (TESLA). Absolutní odchylka dosáhla 38Hz, což je při této nízké frekvenci poměrně velká chyba. Ideální (vypočtený) fázový článek se výrazně liší od naměřeného skutečného článku. Odchylka mohla být dána tím, že jsme uvažovali ideální lineární rezistor. Odchylky je možno vidět na grafu.
Opravná křivka generátoru 0
100
200
300
400
500
0 -5 -10
O[Hz]
-15 -20
O=f(F)
-25 -30 -35 -40 -45
F[Hz]
600
700
800
900
1000
Ocejchovaný fázovací článek při F=100Hz 0
-10
-20
-30
-40 ϕ [°]
ϕ=f(α)
Naměřený Ideální
-50
-60
-70
-80
-90 0
50
100
150 α[°]
200
250
