Reglajele osciloscopului

Transcript

1 1 Lucrarea de laboraor 1 Generarea şi vizualizarea semnalelor Scop: Familiarizarea cu funcţiile de bază ale unui osciloscop şi generaor de semnal. Reglarea și măsurarea paramerilor specifici ai semnalelor de es. Breviar eoreic Osciloscopul ese un apara care permie vizualizarea valorii insananee a unei ensiuni elecrice u() în funcţie de imp şi măsurăori caniaive de ensiune şi imp pe aceasă formă de undă, avînd asfel largi aplicaţii în analiza semnalelor elecrice. În lucrare se uilizează osciloscopul digial ekronix DS1001, pariculariăţile care urmează fiind legae de aces model. Principalii parameri ai unui semnal periodic - forma semnalului (deerminis) în domeniul imp - perioada şi frecvența de repeiție în imp a unui semnal, f = 1/ - valoarea maximă a semnalului - valoarea minimă a semnalului - valoarea vîrf-vîrf (engl. peak-o-peak), domeniul de variație al semnalului U VV = U PP = - ; - valoarea medie (componena coninuă sau offse-ul) a semnalului U med sau U CC - valoarea de vîrf, sau ampliudinea semnalului = - U CC = U CC - Observaţie 1: dacă U CC = 0, ampliudinea, valoarea maximă şi cea minimă sîn egale în modul. Observație 2: Uniaea de măsură V VV (engl. V PP ) nu defineșe al ip de vol ci înseamnă limiele înre care se măsoară ensiunea în volți, și anume vîrf-la-vîrf. Ea ese uilizaă p a elimina orice confuzie. Unele aparae specifică ampliudinea ca valoare de vîrf, alele ca valoare vîrf-la-vîrf, disincția făcîndu-se după uniaea de măsură. - alți parameri penru anumie forme de semnal, de exemplu: semnal drepunghiular: facorul de umplere (duy cycle) η = τ/ (τ reprezină duraa impulsului de nivel mare, iar perioada semnalului), impul de creșere / de cădere ( rise, fall ) semnal riunghiular: pana de creșere / de cădere a semnalului 2 Reglajele osciloscopului Pe orizonală, duraa corespunzăoare lungimii unei diviziuni de pe ecran ese reglabilă din exerior din buonul Cx (coeficien de deflexie pe orizonală). Acesa ese grada în uniăţi de imp pe diviziune. Ese valabilă urmăoarea relaţie dinre numărul de diviziuni Nx ocupae de un evenimen oarecare şi imp: x = Nx Cx Pe vericală se aplică ensiunea U pe borna exerioară Y. Se poae cii pe Y valoarea unei ensiuni U care ocupă Ny diviziuni vericale pe ecran cu relaţia: U = Ny Cy Cy se numeşe coeficien de deflexie pe vericală și ese grada în uniăți de vol pe diviziune. Exemplu: O perioadă a sinusoidei din fig. 2 ocupă pe ecran 7 diviziuni pe orizonală, şi baza de imp ese pe poziţia Cx=5ms/div (noaă M pe ecran). Perioada semnalului sinsoidal ese deci 35ms. Pe vericală, valoarea de vîrf ocupă 3 diviziuni, ceea ce la un Cy= 2V/div înseamnă 6V. Figura 2. Diviziuni orizonale şi vericale U CC U CC τ Valorile Cx, Cy se numesc calibrae şi sun de forma sandard {1, 2, 5}*10 +/-K penru Cy, şi {1, 2.5, 5}*10 +/-K penru Cx. Valorile calibrae ale coeficienților de deflexie penru osciloscoapele uzuale sun urmăoarele: Cy {5; 10; 20; 50; 100; 200; 500 mv/div; 1; 2; 5 V/div} a. Semnal sinusoidal b. Semnal drepunghiular Figura 1. Semnale periodice: sinusoidal, drepunghiular Cx {5; 10; 25; 50; 100; 250; 500 ns/div; 1; 2,5; 5; 10; 25; 50; 100; 250; 500 μs/div; 1; 2,5; 5; 10, 25; 50; 100; 250; 500 ms/div, 1; 2,5; 5; 10 s/div}

2 3 Sincronizarea osciloscopului. O imagine sabilă pe ecranul osciloscopului se numeşe sincronizaă (riggered). Semnificaţia fizică ese urmăoarea: aunci cînd 2 afişări succesive ale unui semnal periodic se fac începînd de la acelaşi momen de imp (relaiv la perioada semnalului), cele 2 afişări se vor suprapune perfec, şi la fel se va înîmpla şi penru afişările ulerioare. Asfel, ochiul percepe o singură imagine sabilă, deşi, de fap, avem în permanenţă o imagine nouă suprapusă pese precedena. Un exemplu în cazul afişarii unui fron crescăor ese da în figura 3 (a). Dacă însă fiecare afişare preia semnalul din al momen de imp, imaginile vor diferi, şi ochiul va percepe mai mule imagini diferie şi suprapuse - figura 3 (b). În aces caz imaginea se numeşe nesincronizaă (unriggered) și ese greu sau imposibil de urmări. a) imagine sincronizaă b)imagine nesincronizaă Figura 3: sincronizarea osciloscopului Penru a obţine o imagine sincronizaă operaorul are la dispoziţie reglajele de sincronizare dinre care cele mai imporane sîn: semnalul după care se face sincronizarea (Source) poae fi canalul 1, 2 sau alceva, nivelul acesuia (level) şi o pană sau fron (slope) de unde se doreşe să înceapă afişarea imaginii. De obicei, acese reglaje sun grupae înr-un meniu de sincronizare rigger Menu. În general, penru ca o imagine să fie sincronizaă, nivelul rigger Level rebuie să fie cuprins înre valorile [minimă, maximă] ale semnalului. Un nivel prea mic sau prea mare înseamnă că rigger Level nu inersecează semnalul şi deci nu se poae sincroniza. În aceasă lucrare se vor uiliza în special reglajele de sincronizare: Source = CH1, slope = Rise (crescăor), Mode = AUO. Penru ajusarea auomaă a nivelului rigger Level se apasă buonul Se o 50%. Reglajele generaorului Generaorul de funcții Rigol DG1022 permie generarea a mai mule forme de undă (sinus, drepunghi, riunghi ec) cu diverși parameri reglabili. ipul de formă de undă se selecează cu buoanele marcae corespunzăor: 4 Paramerii unei anumie forme de undă se selecează apăsînd buoanele funcționale (fără marcaj), ale căror funcții corespund indicațiilor de pe afișaj, de deasupra acesora: De exemplu, în cazul în care se apasă buonul funcțional funcția respecivă (reglajul frecvenței) devine selecaă, și valoarea se poae inroduce fie de la asaura numerică, fie se poae modifica din reglajul roaiv. La buoanele funcționale care au o mică săgeaă desenaă (cum ese Freq mai sus) apăsări succesive permi searea unor parameri în mai mule variane. De exemplu, în afară de searea ampliudinii (Ampl) se poae sea și valoarea HiLevel care corespunde cu de pe figura 1a). După inroducerea valorii numerice, se alege uniaea de măsură doriă apăsînd buonul funcțional de dedesubul aceseia. Aenție! Conform figurii 1a), ampliudinea și valoarea sîn egale numai dacă U cc = 0 (componena medie nulă). Penru a elimina posibilele confuzii, la aces generaor ampliudinea se poae sea în valori V PP (peak-o-peak) ceea ce înseamnă că, de fap, alegînd aceasă uniae de măsură, buonul funcțional Ampl seează valoarea vîrf la vîrf, care ese dublul ampliudinii penru semnale cu componenă medie nulă. Un semnal simeric de 2V e sinonim cu un semnal de 4V PP Penru semnale asimerice (cu U CC nenul), valoarea vîrf la vîrf se conservă, în imp ce și se modifică (vezi o figura 1a). Observație: prescurarea V RMS se referă la valoarea efecivă care va fi sudiaă în lucrarea măsurarea ensiunilor. Generaorul are 2 canale, pe care se po genera forme de undă diferie. Buoanele de mai sus au efec asupra canalului seleca cu buonul, pe afișaj apărînd CH1 sau CH2 după caz. În plus, ieșirea canalului respeciv ese acivă aunci cînd se apasă buonul Oupu corespunzăor, și acesa devine ilumina.

3 5 Desfăşurarea lucrării 1. Vizualizarea semnalului sinusoidal Se generează cu ajuorul generaorului de funcţii un semnal cu urmăorii parameri: - canalul 1 din buonul (să apară CH1 în dreapa sus pe afișaj) - buonul Sine formă sinusoidală - frecvenţa Freq valoarea f 1 scrisă pe ablă, în funcţie de numărul mesei - ampliudine AMPL valoarea A 1 scrisă pe ablă, în funcţie de numărul mesei (aenție la uniaea de măsură! o ampliudine de 2V ese echivalenă cu 4V PP! uniaea de măsură elimină orice dubiu asupra limielor înre care se specifică ensiunea). - fără componenă coninuă (OFFSE = 0V) Se apasă Oupu din drepul ieșirii CH1 a.î. să fie aprins; se conecează ieşirea CH1 a generaorului la canalul 1 al osciloscopului folosind un cablu coaxial (sau 2 cabluri cu crocodili, legae înre ele). La osciloscop se apasă CH1 MENU penru a afişa reglajele canalului 1 (la apăsări repeae, canalul 1 ese succesiv opri şi porni). Înrucî se foloseşe un cablu simplu, se apasă sofkey-ul Probe pînă cînd indicaţia ese 1x (exisă sonde care conțin un divizor care aenuează semnalul de ori, în care caz s-ar folosi seările 10x, 100x). a) Seați la osciloscop valorile C X1, C Y1 (scrise pe ablă). Observație: revedeți figura 2; osciloscopul afișează C Y al canalului 1 cu noația CH1, iar valoarea C X ese noaă M (main ime base). Observaţi că pe ecran se vede o singură perioadă a semnalului. Măsuraţi perioada numărînd numărul de diviziuni, N X1, ale unei perioade, aplicînd apoi formula măs1 = N X1C X1. Calculaţi frecvenţa f măs1 = 1/ măs1 şi comparaţi cu valoarea indicaă la generaor. b) Fără a umbla la generaor, reglați C X2 = 2C X1. Observați că acum se văd 2 perioade pe ecran. Măsurați noul N X2 p. o perioadă, calculați măs2 = N X2C X2. Înrucî nu s-a modifica frecvența/perioada de la generaor, vă așepați la vreo schimbare înre măs1 și măs2? Observație: C X are semnificația unui facor de zoom pe 6 orizonală. Similar cu siuația unui apara foo, modificînd zoom-ul se modifică dimensiunea relaivă a imaginii, dar nu înseamnă că dimensiunea reală a obiecului foografia se modifică! c) Pe vericală, numărînd diviziunile pe vericală N Y1 corespunzăoare valorii de vîrf şi aplicînd formula U V =N Y1 C Y1, măsuraţi U V (valoarea de vîrf) și comparați cu valoarea de vîrf seaă la generaor. În acelaşi mod măsurați cîe diviziuni N Y2 ocupă valoarea vîrf-la-vîrf U VV. Calculaţi raporul dinre U V şi U VV (valori măsurae). Cî ese aces rapor eoreic? Observație: penru idenificarea reglajelor și indicațiilor osciloscopului se poae folosi Anexa A. 2. Searea unui semnal riunghiular de la generaor a) Se seează de la generaor un semnal riunghiular (buonul Ramp), fără componenă coninuă (OFFSE 0V), simerie 50%, de frecvență f2 și ampliudine UV2 (scrise pe ablă, în funcție de numărul mesei). Se doreșe vizualizarea sa pe osciloscop ca mai jos (penru a avea momenul de începu ca în figură apăsați la osciloscop buonul SE O 50% de sub buonul de rigger) a1. Cî ese perioada semnalului ( 2 )? Calculați C X necesar penru a observa exac 2 perioade pe ecran. Seați aceasă valoare C X la osciloscop. Cîe diviziuni ocupă o perioadă pe ecranul osciloscopului (N X )? a2. Calculați C Y necesar penru ca val. de vîrf U V2 să ocupe exac N Y = 2 div. Seați aceasă valoare C Y. b) Influența C Y asupra imaginii osciloscopului Se modifică C Y la valoarea CY = CY / 2. Cîe diviziuni NY ocupă acum val. de vîrf? Se calculează val. de vîrf pe baza noii imagini: U V = N Y C Y se compară cu U V2. Explicați relația dinre U V și U V2..

4 7 c) Influența C X asupra imaginii osciloscopului Se modifică C X la valoarea CX = 5CX. Cîe diviziuni NX ocupă acum o perioadă? Se calculează perioada pe baza noii imagini: = N X C X și se compară cu 2. Explicați relația dinre și Searea și măsurarea unui semnal sinusoidal cu componenă coninuă a) Pînă acum semnalele nu au avu componenă coninuă, fiind simerice faţă de 0V. Fie un semnal cu valoare de vîrf U V = 2V, cu și fără o valoare consană U CC = -1V numiă componenă coninuă sau Offse: u() = U V sin ω [V] u() [-2V, +2V] [1] u() = U CC + U V sin ω [V] u() [-2-1V, +2-1V] = [-3V, +1V] [2] Cele 2 siuații sîn ilusrae pe fig. 4. Săgeaa din sînga marchează nivelul de 0V: 8 alerarea evenualei componene coninue exisene în semnal. Se noează pe grafic poziția săgeții corespunzăoare nivelului de 0V (Ground) și valorile C x și C y. a2. Să se deseneze imaginea obținuă prin recerea la modul de cuplaj AC (CH1 MENU->Coupling ->AC). Aces mod de cuplaj înseamnă că se înseriază un condensaor în ineriorul osciloscopului pe calea de semnal; după cum se şie, condensaoarele nu lasă să reacă semnalele coninue, ci doar cele alernaive. Se noează pe grafic poziția săgeții de 0V (Ground), C x și C y. b) Cum se măsoară, folosind osciloscopul, componena coninuă a unui semnal da? - se seează la osciloscop cuplaj AC: (CH1 MENU->Coupling ->AC); componena coninuă nu ese lăsaă să reacă, deci semnalul ese simeric pe ecran (ca și cînd nu s- ar fi sea OFFSE de la generaor) - se seează CH1 MENU->Coupling ->DC. În aces momen semnalul va urca sau va coborî cu un număr de diviziuni N Y. Luînd ca referință un punc de pe semnal (ipic, maximul sau minimul), se numără cu cîe diviziuni urcă sau coboară semnalul cînd se rece de pe AC pe DC. Dacă urcă, offseul ese poziiv, dacă coboară, ese negaiv. Numărînd cîe diviziuni N Y, cu o cu semn, corespund valorii U CC, și se calculează U CC = N YC Y. Aceasă valoare rebuie să fie aceeași cu OFFSE-ul sea la generaor. Observație: La nevoie, se ajusează riggerul (SE O 50%) penru ca imaginea să fie sincronizaă (ese posibil ca aunci cînd semnalul urcă sau coboară din cauza offseului, să nu mai inerseceze nivelul de rigger). Fig. 4 Semnal u() = UCC + UV sin ω cu Ucc= 0 (sînga) și cu Ucc= -1V (dreapa) Observație: componena coninuă se numeșe și valoare medie a semnalului, înrucî ese egală cu media pe o perioadă a lui u(). Observați în ecuațiile [1] și [2] de mai sus că inegrarea pe o perioadă (echivalenă cu medierea) ne dă respeciv valorile 0 și U CC. Se va genera un semnal sinusoidal (buonul Sine de la generaor), cu frecvenţa f1=20khz, ampliudinea UV =2V și componenă coninuă UCC1= -1V. Penru reglarea componenei coninue la generaor se foloseșe buonul funcțional OFFSE = -1V. La osciloscop se vor folosi coeficienții de deflexie CX1=25μs/div și CY1=1V/div. Uilizînd reglajul Verical Posiion, se ajusează nivelul de 0V (Ground marca prinr-o săgeaă cu numărul canalului, în sînga imaginii) la mijlocul ecranului. b1. Se va lucra în echipă, asfel: - se seează la osciloscop CH1 MENU->Coupling ->AC penru a ascunde componena coninuă. Se păsrează searea de CY = 1V/div. - unul din membrii echipei va sea la generaor din buonul funcțional Offse o componenă coninuă U CC1se de valoare nenulă înre (-2V, 2V) la alegere, fără a-i comunica valoarea colegului. Ampliudinea rămîne 2V. - celălal membru al echipei va comua de la CH1 MENU->Coupling ->AC, la DC. Se ajusează riggerul (SE O 50%) penru ca imaginea să fie sincronizaă. Se va număra cu cîe diviziuni NY1 urcă/coboară vîrful semnalului, și se va calcula U CC1 (valoare și semn): U CC1 = N Y1 C Y. Se va compara (penru verificare) cu valoarea seaă de coleg. - se va desena imaginea în modul de afișare CH1 MENU->Coupling ->DC penru a vedea inclusiv componena coninuă (desenați săgeaa nivelului de 0). b2. Inversînd membrii echipei, se va repea procedura penru ală valoare de offse. Explicați de ce măsurarea c.c. se face comuînd de la cuplaj AC la cuplaj DC și nu invers! a1. Să se deseneze imaginea obținuă pe osciloscop noînd pe desen poziția nivelului 0V (săgeaa din sînga ecranului) şi selecînd modul de cuplaj CH1 MENU- >Coupling ->DC. Aces mod de cuplaj înseamnă că semnalul ese aplica direc, fără

5 9 4. Searea unui semnal drepunghiular; facorul de umplere Se va genera un semnal drepunghiular (buonul Square de la generaor), fără componenă coninuă (OFFSE 0V), cu ampliudinea UV4, frecvența f4 (scrise pe ablă, în funcție de numărul mesei). Calculați perioada 4. Calculați C X, C Y a.î. să se vadă exac două perioade pe ecran, respeciv valoarea de vîrf să ocupe 2 diviziuni. Vizualizaţi semnalul pe osciloscop cu valorile calculae CY, CX și cuplaj CH1 MENU->Coupling ->DC penru semnal. τ Se reglează facorul de umplere η al semnalului drepunghiular folosind buonul funcțional duy cycle prescura DyCyc, apoi uniaea de măsură care va fi implici %, pe rînd la valorile η1=20%, η2=50% - Se măsoară (în diviziuni) valorile şi τ de pe figură, penru ambele cazuri. - Se calculează raporul τ/ (valoarea măsuraă a facorului de umplere η; observați că, înrucî se cere raporul, ese suficien să măsurăm cele 2 mărimi în diviziuni). - Se desenează cele 2 semnale. Observaţie imporană: facorul de umplere ese un parameru care se defineșe numai la semnalul drepunghiular, conform fig. 1b. Nu exisă facor de umplere penru semnalul sinusoidal sau riunghiular (penru riunghi se poae sea simeria, mai precis se consideră că un riunghi ese un semnal rampă cu simerie 50%). Exerciții rezolvae 1. Cu ajuorul unui osciloscop se vizualizează un semnal sinusoidal cu frecvență f=2khz și ampliudine U V=4V. Reglajele osciloscopului sun: C Y=1V/div, C X=250 μs/div. Să se deermine pe cîe diviziuni sun afișae pe ecranul osciloscopului ampliudinea și perioada semnalului. Ampliudinea semnalului afișaă pe ecranul osciloscopului se poae deermina cu relația UV=NY CY NY = UV/CY = 4 [V] / 1[V/div] = 4 div Perioada semnalului ese = 1/f = 1/2000Hz = 500 μs Perioada semnalului afișaă pe ecranul osciloscopului ese = NX CX NX = /CX = [s] / [s/div] = 4 div 10 Se folosesc relațiile de la exercițiul 1: Perioada semnalului ese = 1/f =1/ s = 0,5 μs. CY = UV/NY = 6V / 3 div = 2 V/div CX = /NX = 0,5 μs / 2 div = 0,25 μs/div 3. Se vizualizează cu osciloscopul un semnal sinusoidal. Cînd buonul de cuplaj ese recu de pe poziţia AC pe poziţia DC, semnalul sinusoidal se deplasează pe vericală în jos cu NY = 2 div. Coeficienul de deflexie pe vericală CY=5V/div. Să se deermine componena coninuă a semnalului. Componena coninuă deermină deplasarea pe vericală a imaginii semnalului cu o valoare egală cu valoare componenei coninue (valabil penru modul de afișare DC). Sensul de deplasare deermină semnul componenei coninue: în sus - valoare poziivă; în jos - valoare negaivă. Pe baza acesor observații se deermină componena coninuă: UCC = - NY CY = -10V 4. Se vizualizează cu osciloscopul un semnal sinusoidal. Cînd buonul de cuplaj ese recu de pe poziţia DC pe poziţia AC, semnalul sinusoidal se deplasează pe vericală în sus cu N Y = 4 div. Coeficienul de deflexie pe vericală CY=1V/div. Să se deermine componena coninuă a semnalului Diferența față de problema 3 consă în fapul că acum recerea se face de pe modul DC (afișare cu componenă coninuă) pe poziția AC (afișare fără componenă coninuă). Deoarece, după dispariția componenei coninue (modul AC), semnalul se deplasează în sus, înseamnă că aceasa (componena coninuă) "răgea" semnalul în jos (pe modul DC). Rezulă că valoarea componenei coninue ese negaivă. UCC = - NY CY = -4V Exerciţii faculaive 1. Să se calculeze pe cîe diviziuni, N X și N Y, vor fi afișae ampliudinea și perioada pe ecranul osciloscopului penru semnalele și reglajele de mai jos: a) semnal sinusoidal cu ampliudinea UV 1=4V și frecvența f1=20khz. Reglaje osciloscop: CX1=10μs/div și CY1=1V/div. b) semnal sinusoidal cu ampliudinea UV 2=6V și frecvența f2=8khz. Reglaje osciloscop: CX2=25μs/div și CY2=2V/div. 2. Calculați coeficienți de deflexie (CXcalc, CYcalc) ce rebuie folosiți la osciloscop penru vizualizarea unui semnal sinusoidal cu frecvență f3=1khz și ampliudine UV3 =2V, asfel încî ampliudinea să fie afișaă pe două diviziuni, iar perioada pe paru diviziuni. 3. Un osciloscop ese regla pe C y=0,5v/div. Ampliudinea unui semnal măsuraă pe ecranul osciloscopului ese de 3,8div. Care ese ampliudinea semnalului în volţi? 4. Un osciloscop ese regla pe C x=20ms/div. Perioada unui semnal sinusoidal măsuraă pe ecranul osciloscopului ese de 5 div. Să se deermine frecvenţa semnalului sinusoidal. 5. Se dă un semnal sinusoidal de frecvenţă 10kHz şi ampliudine 4V. Să se deermine valorile penru coeficienţii de deflexie pe vericală, respeciv orizonală asfel încî pe ecran să se poaă măsura cu precizie maximă ampliudinea şi perioada semnalului. 6. Se vizualizează cu osciloscopul un semnal sinusoidal. Cînd buonul de cuplaj ese recu de pe poziţia AC pe poziţia DC semnalul sinusoidal se deplasează pe vericală, în jos cu 3 diviziuni. Cy=1V/div. Să se deermine componena coninuă a semnalului. 2. Cu ajuorul unui osciloscop se vizualizează un semnal sinusoidal cu frecvență f=2mhz și ampliudine UV=6V. Să se deermine CX și CY asfel ampliudinea să fie afișaă pe rei diviziuni (NY=3 div), iar perioada să fie afișaă pe două diviziuni (NX=2div).