Z´ aklady pr´ ace s osciloskopem
1
C´ıle mˇ eˇ ren´ı
C´ılem toho mˇeˇren´ı je sezn´ amit se s gener´atorem funkc´ı a nauˇcit se pracovat s osciloskopem.
Pracovn´ı u ´ koly 1. Zobrazen´ı ˇcasov´eho pr˚ ubˇehu sign´ alu pomoc´ı osciloskopu. Mˇeˇren´ı napˇet´ı a periody. 2. Sestaven´ı a promˇeˇren´ı jednocestn´eho usmˇerˇ novac´ıho m˚ ustku
2
Pom˚ ucky
3
Z´ akladn´ı pojmy a vztahy:
3.1
Gener´ ator funkc´ı
(a)
(b)
Obr´ azek 1: a)Gener´ ator funkc´ı a b) schema ovl´adac´ıch prvk˚ u.
1
Jak jiˇz n´azev napov´ıd´ a, gener´ ator funkc´ı slouˇz´ı k vytv´aˇren´ı periodick´ ych elektrick´ ych sign´ al˚ u. Vˇetˇsina gener´ ator˚ u je schopna vytv´ aˇret minim´alnˇe tˇri typy sign´alu – tzv. sinusov´ y, pilov´ y a obd´eln´ıkov´ y. Ovl´adac´ı prvky na obr. 1b nastavuj´ı frekvenci (3-hrub´e nastaven´ı, 5-jemn´e nastaven´ı), amplitudu (9) a typ sign´alu (4,7). Gener´ ator je tak´e schopen mˇenit symetrii generovan´e amplitudy a frekvence (6) ,tj. napˇr. u pilovit´e funkce mohou b´ yt mˇenˇeny u ´hly na vrcholech pr˚ ubˇehu. D´ale je moˇzn´e nastavit tzv. offset, kter´ y umoˇzn ˇuje mˇenit stˇredn´ı hodnotu napˇet’ov´eho pr˚ ubˇehu, tj. k z´akladn´ımu periodick´emu sign´ alu pˇriˇcte konstantn´ı ˇclen (8). Gener´ ator na obr. 1a a 1b m´a nˇekolik konektor˚ u typu BNC (11,12,13). Zde ˇcasto doch´az´ı k chybn´emu zapojen´ı. Zat´ımco (11) a (13) jsou v´ ystupy generovan´eho sign´alu, konektor (12) je vstup sign´ alu n´ızk´eho napˇet´ı, kter´e umoˇzn ˇuje externˇe ˇr´ıdit frekvenci gener´atoru. Konektor (11) je v´ ystup generovan´eho sign´ alu poˇzadovan´eho tvaru podle nastaven´ı (4). Konektor (13) je pak v´ ystup TTL logiky. To znamen´ a, ˇze bez ohledu na nastaven´ı tvaru sign´alu (4)vˇzdy generuje pouze obd´eln´ıkov´ y tvar o amplitudˇe 5V. Pˇripojen´ı na v´ ystup (13) nam´ısto (11) tak m˚ uˇze b´ yt matouc´ı. Bliˇzˇs´ı informace o n´ami pouˇz´ıvan´em gener´ atoru lze nal´ezt na: .
3.2
Analogov´ y osciloskop
Z´akladn´ı funkc´ı osciloskopu je sledov´ an´ı pr˚ ubˇehu rychle se mˇen´ıc´ıch elektrick´ ych sign´al˚ u. Principi´ aln´ı sch´ema analogov´eho osciloskopu je na obr. 2. Tvoˇr´ı jej obrazov´a elektronka s elektronovou tryskou, dva p´ary vychylovac´ıch destiˇcek a st´ın´ıtko. Elektrony jsou urychlov´any smˇerem ke st´ın´ıtku a proch´ azej´ı dvˇema p´ary vychylovac´ıch destiˇcek. Zde jsou vychylov´any z pˇr´ım´eho smˇeru podle pˇriloˇzen´eho napˇet´ı na destiˇck´ach vlivem elektrick´eho pole bud’ v horizont´aln´ım aneb o ve vertik´aln´ım smˇeru.
Obr´ azek 2: Princip fungov´an´ı analogov´eho osciloskopu. Elektrony se na st´ın´ıtku obrazovky vysv´ıt´ı a jejich v´ ychylka od stˇredu je sloˇzen´ım v´ ychylky ve smˇeru x d´ıky napˇet´ı Ux na vstupu X a v´ ychylky ve smˇeru y d´ıky napˇet´ı Uy na vstupu Y. Tabulka na obr. 3 zn´azorˇ nuje nˇekolik z´ akladn´ıch pozic bodu na obrazovce podle pˇriloˇzen´eho napˇet´ı. Nov´a moˇznost osciloskopu se uk´ aˇze tehdy, pˇrivedeme-li na vstup X tzv. pilov´e napˇet´ı. Tabulka na obr. 4 dokumentuje takovouto situaci pro tˇri frekvence pilov´eho napˇet´ı. Vid´ıme, ˇze takov´ ymto zp˚ usobem se bude paprsek ve smˇeru X opakovanˇe posunovat konstantn´ı rychlost´ı. D´ıky tomu lze sledovat pr˚ ubˇeh resp. ”rozm´ıtat”napˇet´ı na vstupu Y. Tato funkce je tak v´ yznamn´a, ˇze osciloskopy maj´ı uvnitˇr zabudov´ an zdroj pilov´eho napˇet´ı s promˇennou frekvenc´ı (tzv. ˇcasovou z´akladnu). Takto funguje tak zvan´ y t-Y m´ od resp. ˇcas-Y m´ od. Analogov´ y osciloskop, v naˇsem pˇr´ıpadˇe Voltcraft AO-610, je z´akladn´ı jednokan´alov´ y osciloskop, kter´ y vˇsak obsahuje vˇsechny z´ akladn´ı prvky, kter´e jsou pro mˇeˇren´ı s osciloskopem d˚ uleˇzit´e: obrazovku, Y-vstup, vertik´ aln´ı zesilovaˇc, ˇr´ızen´ı frekvence ˇcasov´e z´akladny, spouˇstˇen´ı vykreslov´an´ı ( trigger“), ex” tern´ı ˇcasovou z´ akladnu. Z pˇredchoz´ıho popisu vypl´ yv´ a, ˇze osciloskop m˚ uˇze pracovat ve dvou z´akladn´ıch m´odech: 2
Obr´azek 3: Z´akladn´ı pozice bodu na obrazovce osciloskopu podle pr˚ ubˇehu napˇet´ı na vstupu Ux a Uy . X-Y m´od: Sledujeme bod na obrazovce, jehoˇz pohyb ve vertik´aln´ım smˇeru je ˇr´ızen velikost´ı napˇet´ı na vstupu Y (ˇc´ıslo 18 na obr´ azku 2) a horizont´aln´ı pohyb je ˇr´ızen napˇet´ım na vstupu X (ˇc´ıslo 13 na obr´ azku 2). Pozorujeme tedy aktu´ aln´ı situaci koncov´eho bodu vektoru (Ux (t),Uy (t)) v grafu s osami Ux a Uy . t-Y m´od (resp. ˇcas-Y m´ od): Sledujeme bod na obrazovce, jehoˇz pohyb ve vertik´aln´ım smˇeru je ˇr´ızen napˇet´ım na vstupu Y, zat´ımco horizont´aln´ı pohyb je ˇr´ızen vnitˇrnˇe tak, aby se bod opakovanˇe v pravideln´ ych intervalech pohyboval zleva doprava (tzv. ˇcasov´a z´akladna). T´ımto se na obrazovce objev´ı ˇcasov´ a z´ avislost napˇet´ı Uy (t) v grafu s osami t, Uy . Ust´alen´ y obr´azek vid´ıme ale jen tehdy, pokud jde o rychl´e periodick´e dˇeje vhodnˇe sesynchronizovan´e s ˇcasovou z´akladnou. K synchronizaci sign´ alu a ˇcasov´e z´ akladny slouˇz´ı spouˇstˇeˇc vykreslov´an´ı (anglicky trigger“, ˇc´ıslo ” 9 na obr´ azku 5b)..
3
ˇ Obr´ azek 4: Casov´ e rozm´ıtan´ı napˇet´ı Uy pomoc´ı pilov´eho pr˚ ubˇehu napˇet´ı Ux .
(a)
(b)
Obr´ azek 5: a) Osciloskop Voltcraft AO-610 a b) schema ovl´adac´ıch prvk˚ u.
4
Postup mˇ eˇ ren´ı
´ Ukol 1. - Nastaveni osciloskopu • Odpojte jak´ekoliv kabely od vstup˚ u 18 a 13. Zapnˇete osciloskop. • Pokud je tˇreba, m˚ uˇze nyn´ı, nebo kdykoliv jindy upravit intenzitu a zaostˇren´ı stopy na st´ın´ıtku
4
pomoc´ı regul´ atoru 3 a 4. Nastavte stopu na intenzitu dostaˇcuj´ıc´ı pro dan´e svˇeteln´e podm´ınky. Zbyteˇcnˇe nevypalujte obrazovku. • Ujistˇete se, ˇze osciloskop je ve vhodn´em nastaven´ı, tj. pˇrep´ınaˇce jsou v poloh´ach: – 11 AUTO“ zobraz´ı vodorovnou linii pro nulovou hodnotu napˇet´ı. ” – 10 +“ spouˇstˇen´ı vyˇc´ıt´ an´ı na n´abˇeˇzn´e (stoupaj´ıc´ı) hranˇe sign´alu (vysvˇetl´ıme pozdˇeji) ” – 17 DC“ zobrazuje hodnoty sign´alu bez odeˇcten´ı n´ızkofrekvenˇcn´ı sloˇzky (tak´e vyzkouˇs´ıme ” pozdˇeji) – 12 INT.“ pro rozm´ıt´ an´ı osy X budeme pouˇz´ıvat vnitˇrn´ı ˇcasovaˇc, kter´ y se ovl´ad´a tlaˇc´ıtky ” 6,7 a 8. – 8 a 16 maximum do polohy CAL“ ” • Nastavte horizont´ aln´ı ˇcasovou z´ akladnu: Pomoc´ı knofl´ıku 6 nastavte ˇcasovou z´akladnu (osa X) na 2ms/d´ılek. Knofl´ık 8 by mˇel b´ yt v pozici CAL. • Nastaven´ı vertik´ aln´ı ˇsk´ aly: – Pomoc´ı knofl´ıku 14 nastavte rozliˇsen´ı osy Y na 5V/d´ılek. Knofl´ık 8 by mˇel b´ yt v pozici CAL“. ” – Pˇrepnˇete 17 na GND“. T´ım pˇrivedete sign´al na u ´rovni zemˇe, tj. nulov´ y potenci´al. ” – Pomoc´ı knofl´ıku 15 nastavte linku vertik´alnˇe na stˇred obrazovky do z´akrytu s osou X. Pomoc´ı knofl´ıku 7 ji vycentrujte vodorovnˇe. – Pokud ani nyn´ı neuvid´ıte svˇetlou linku na stˇredu obrazovky, poˇz´adejte o pomoc asistenta. – Pozor! Pˇrepnˇete 17 zpˇet na DC“ pro n´asleduj´ıc´ı mˇeˇren´ı. ”
´ Ukol 2. - Zobrazen´ı pr˚ ubˇ ehu sign´ alu • Zapnˇete gener´ ator funkc´ı a pˇripojte jej pomoc´ı BNC kabelu ke vstupu osy Y (18). Gener´ ator nastavte: – Zvolte sinusovou vlnu. – Zvolte z´ akladn´ı frekvenci 1kHz – Nalad’te libovolnou frekvenci v t´eto oblasti pomoc´ı knofl´ıku FINE (5 na obr.1b). – Nastavte v´ ychoz´ı napˇet´ı na pˇribliˇznˇe 3V pomoc´ı knofl´ıku 9 (knofl´ık bude pˇribliˇznˇe v polovinˇe rozsahu). – Nastavte konstantn´ı sloˇzku v´ ystupn´ıho napˇet´ı na 0 pomoc´ı knofl´ıku 8. To provedete jeho zatlaˇcen´ım. • Pomoc´ı knofl´ıku 6 TIME/DIV“ nastavte ˇcasovou z´akladnu tak, abyste na obrazovce vidˇeli nˇeco ” mezi jedn´ım a dvˇema cykly. Nyn´ı vyzkouˇs´ıme funkci spouˇstˇeˇce zobrazov´an´ı (9), kter´ y slouˇz´ı ke stabilizaci (angl. triggering“) vykreslov´an´ı. Nastavte knofl´ık LEVEL“ (9) do maxim´ aln´ı ” ” polohy. Postupnˇe otoˇcte knofl´ık 9 zpˇet, aˇz dojte ke stabilizaci obrazu. Ot´aˇcejte d´al a pozorujte poˇc´atek kˇrivky na lev´e stranˇe. Pˇrepnˇete pˇrep´ınaˇc 10 na -“. V ˇcem je rozd´ıl pˇri nastaven´ı 10 na ” +“ nebo -“? ” ” .............................................................................................. • Nyn´ı odeˇcten´ım z obrazovky osciloskopu zmˇeˇrte frekvenci sign´alu: – Velikost jednoho cyklu v poˇctu d´ılku (knofl´ık 6): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
ˇ na jeden d´ılek stupnice: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . – Cas – Perioda: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . – Frekvence: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • Nyn´ı vyzkouˇs´ıme rozd´ıl mezi DC a AC vazbou na vstupu nastavitelnou pomoc´ı pˇrep´ınaˇce 17. DC je z anglick´eho direct current“ – stejnosmˇern´ y proud a AC a alternating current“ – stˇr´ıdav´ y ” ” proud. Jak si uk´ aˇzeme, nastaven´ı AC umoˇzn ˇuje od sign´alu odeˇc´ıst stejnosmˇernou sloˇzku napˇet´ı a zobrazovat pouze tu ˇc´ ast, kter´ a se mˇen´ı v ˇcase. Proved’te n´asleduj´ıc´ı: – Na gener´ atoru funkc´ı tahem aktivujte knofl´ık “OFFSET” mˇen ˇte jeho nastaven´ı – Co se stalo? ......................................................................................... • Pˇrepnˇete pˇrep´ınaˇc 17 na AC. Jak´ a je nyn´ı stˇredn´ı velikost mˇeˇren´eho sign´alu? . . . . . . . . . . . . . . . . . • Jak se zmˇen´ı pˇri manipulaci s ovladaˇcem “OFFSET” (knofl´ıku 8) na gener´atoru? . . . . . . . . . . . . . • Nastavte zpˇet konstantn´ı sloˇzku sign´alu na 0 - zatlaˇcte knofl´ıku 8.
´ Ukol 3. - Stavba rektifikaˇ cn´ıho m˚ ustku • Odpojte gener´ ator od osciloskopu. • Postavte jednocestn´ y usmˇerˇ novac´ı m˚ ustek dle obr´azku. Pro hezk´ y vizu´aln´ı efekt pouˇzijte ˇcervenou(!) LED diodu.
Proˇc je LED dioda jinak ale nevhodn´a pro re´alnou aplikaci? .............................................................................................. • Jak velk´ y odpor pouˇzijete? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • Ukaˇzte asistentovi postaven´ y obvod, tak aby bylo jasn´e, ˇze je spr´avnˇe zapojen. • Nastavte osciloskop na DC. Pˇripojte gener´ator sign´alu, nastavte maxim´aln´ı napˇet´ı sign´ alu a zaˇcnˇete mˇeˇrit. Nakreslete v´ ysledn´ y sign´al: • Zkuste sn´ıˇzit frekvenci zdroje na u ´roveˇ n jednotek Hz. Co se stane? • Zkuste mˇenit nastaven´ı OFFSET na gener´atoru. Bonusov´ e:
6
• Zmˇeˇrte rozd´ıl maxim´ aln´ı napˇet´ı usmˇernˇen´eho sign´alu. Proˇc nen´ı stejnˇe velk´ y jako rozd´ıl napˇet´ı na zdroji? • Postupnˇe zvyˇsujte frekvenci sign´ alu z gener´atoru (o cel´e ˇr´ady pomoc´ı hrub´eho nastaven´ı). Co pozorujete? S jakou vlastnost´ı diod to souvis´ı?
7
