ΠΕΙΡΑΜΑ 4: ΕΞΟΙΚΕΙΩΣΗ ΜΕ ΠΑΛΜΟΓΡΑΦΟ ΚΑΙ ΜΕΤΡΗΣΗ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ [1] ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΙ ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΠΑΛΜΟΓΡΑΦΟΥ Ο παλμογράφος είναι το βασικό εργαστηριακό όργανο για την μέτρηση χαρακτηριστικών ηλεκτρικών σημάτων και κυματομορφών. Η λειτουργία του βασίζεται σε ένα καθοδικό σωλήνα όχι πολύ διαφορετικό από αυτούς που χρησιμοποιούνται στις παλαιού-τύπου τηλεοράσεις (διάγραμμα 1). Ο καθοδικός σωλήνας είναι ένας σωλήνας υψηλού κενού (πίεση 10-7 Atm ή μικρότερη), στο ένα άκρο του οποίου βρίσκεται μια πηγή ηλεκτρονίων, η κάθοδος, από την οποία εκπέμπεται μια δέσμη ηλεκτρονίων με θερμιονική εκπομπή. Η δέσμη επιταχύνεται από μία ή περισσότερες ανόδους που βρίσκονται σε υψηλό θετικό δυναμικό της τάξης του 1-20 KV, ως προς την κάθοδο. Το μέρος του καθοδικού σωλήνα ως την άνοδο δημιουργεί μια επιταχυνόμενη δέσμη ηλεκτρονιών και ονομάζεται τηλεβόλο ηλεκτρονίων. Με απλούς συλλογισμούς διατήρησης ενέργειας, η μέση ταχύτητα u των ηλεκτρονίων που αφήνουν το τηλεβόλο δίνεται από: 2eV1 u (1) m Όπου V 1 η ολική διαφορά δυναμικού της/των ανόδου/ανόδων ως προς την κάθοδο. Μετά την έξοδό της από το τηλεβόλο, η δέσμη εισέρχεται σε δύο πλακίδια οριζόντιας και δύο πλακίδια κατακόρυφης απόκλισης. Μπορεί να δειχθεί σχετικά απλά, ότι αν στα πλακίδια οριζόντιας απόκλισης δεν εφαρμόζεται ηλεκτρική τάση, η απόκλιση y της δέσμης των ηλεκτρονίων όταν διέρχεται από τα πλακίδια κατακόρυφης απόκλισης είναι ανάλογη της διαφοράς δυναμικού V 2 που εφαρμόζεται σε αυτά. Μετά την έξοδό της από τα πλακίδια η δέσμη εστιάζεται στην μπροστινή φωσφορίζουσα επιφάνεια του καθοδικού σωλήνα, παράγοντας ένα φωτεινό σημείο. Σύμφωνα με τα προηγούμενα, η y-συνιστώσα αυτού του σημείου στην οθόνη του παλμογράφου είναι ανάλογη της διαφοράς δυναμικού που εφαρμόζεται στα πλακίδια κατακόρυφης απόκλισης η οποία μπορεί να είναι μια άγνωστη εναλλασσόμενη τάση την οποία θέλουμε να μετρήσουμε. Τα πλακίδια συνδέονται με ενισχυτή. Μεταβολή της ενίσχυσης (Gain) του ενισχυτή (κοχλίας VOLTS/DIV στον παλμογράφο) προκαλεί μεταβολή κατά σταθερό παράγοντα της y-συνιστώσας του σημείου στον οθόνη του παλμογράφου. Με αυτόν τον τρόπο ρυθμίζεται η κλίμακα του y-άξονα. Εάν υπάρχει διαφορά δυναμικού και στα οριζόντια πλακίδια η δέσμη μπορεί να εκτραπεί επιπρόσθετα και κατά την οριζόντιο διεύθυνση. Εφαρμογή μιας πριονωτής τάσης στα οριζόντια πλακίδια έχει ως αποτέλεσμα την εκτροπή της δέσμης κατά σταθερό ρυθμό. Κατά την φάση της κυματομορφής στην οποία το πλάτος της αυξάνεται, το φωτεινό σημείο στην οθόνη του σωλήνα οδηγείται με σταθερό ρυθμό από τα αριστερά στα δεξιά της οθόνης, ενώ κατά την φάση της μείωσης του πλάτους το φωτεινό σημείο επιστρέφει αστραπιαία από τα δεξιά στα αριστερά της οθόνης
χωρίς να φανεί η κίνησή του. Με αυτόν τον τρόπο οι x-πλάκες παράγουν κίνηση του φωτεινού σημείου που είναι ανάλογη του χρόνου t. Η κλίση της πριονωτής τάσης μπορεί να μεταβληθεί χρησιμοποιώντας τον κοχλία TIME/DIV ρυθμίζοντας με αυτόν τον τρόπο την κλίμακα του Χ-άξονα. Διάγραμμα 1: Block διάγραμμα ενός αναλογικού παλμογράφου Βάση των παραπάνω, η κύρια λειτουργία του παλμογράφου είναι να αναπαράγει στην οθόνη του ένα γράφημα της τάσης V ενός ηλεκτρικού σήματος συναρτήσει του χρόνου t (time base mode). Ωστόσο υπάρχει και η δυνατότητα της επιλογής να αναπαράγει ο παλμογράφος στην οθόνη γράφημα δύο τάσεων της μορφής V y = f(v x ) (X-Y mode). Στην πρώτη περίπτωση (time base mode) για να αρχίσει η εκτροπή της δέσμης του καθοδικού σωλήνα χρειάζεται ένα σήμα σκανδαλισμού (triggering). Το σήμα σκανδαλισμού προέρχεται από ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που παράγει ένα χρονικά μεταβαλλόμενο σήμα (trigger source). Ο σκανδαλισμός παράγεται όταν το σήμα περάσει μια προκαθορισμένη τιμή που καθορίζεται από τον χειριστή του παλμογράφου. Επίσης από τον χειριστή μπορεί να επιλεχθεί η κλίση του trigger source (θετική ή αρνητική) για να παράγει το σήμα σκανδαλισμού. To trigger source μπορεί να είναι είτε ένα εξωτερικό σήμα (EXT) με το οποίο τροφοδοτούμε τον παλμογράφο, AC σήμα 60 Hz από την παροχή ρεύματος (LINE), ή κάποιο άλλο εσωτερικό σήμα (INT). Στην τελευταία περίπτωση το trigger source είναι το σήμα από ένα από τα δύο κανάλια εισόδου του παλμογράφου (CH 1-42).
ΕΡΩΤΗΣΗ 1 Τα παραπάνω αναφέρονται στην λειτουργία αναλογικών παλμογράφων οι οποίοι στις περισσότερες εφαρμογές τους έχουν αντικατασταθεί από ψηφιακούς παλμογράφους. Ποιες οι ομοιότητες και ποιες οι διαφορές τους; ΕΡΩΤΗΣΗ 2 Οι προδιαγραφές ψηφιακών παλμογράφων καθορίζονται από διαφόρους παραμέτρους οι σπουδαιότερες των οποίων είναι: το συχνοτικό εύρος ζώνης (frequency bandwidth), ο χρόνος ανόδου (rise time), ο ρυθμός δειγματοληψίας (sample rate), και το μήκος εγγραφής and record length. Ορίστε καθεμία από τις παραπάνω παραμέτρους και με ποιους τρόπους/κανόνες καθορίζουν τις προδιαγραφές και δυνατότητες μέτρησης ενός ψηφιακού παλμογράφου. Ποιες προδιαγραφές πρέπει να έχει ένας παλμογράφος ως προς το εύρος ζώνης, ρυθμό δειγματοληψίας και μήκος εγγραφής για να μπορεί να εμφανίσει 2msec ημιτονειδούς σήματος, πλάτους 1 V (peak to peak) και συχνότητας 250 MHz; Χρήση παλμογράφου Το διάγραμμα 2 απεικονίζει μια τυπική μορφή της μπροστινής όψης ενός αναλογικού παλμογράφου. Οι παλμογράφοι που θα χρησιμοποιήσετε ενδεχομένως να μοιάζουν λίγο διαφορετικοί αλλά έχουν τους ίδιους βασικούς διακόπτες και κοχλίες. Πριν ξεκινήσετε να εξοικειώνεστε με την λειτουργία του παλμογράφου τοποθετήστε όλους τους διακόπτες και κοχλίες στην «κανονική» τους θέση. Αυτό σημαίνει ότι: 1. Όλοι οι διακόπτες τύπου push buttons να είναι στην εξωτερική ( out ) θέση 2. Όλοι οι διακόπτες τύπου slide buttons να είναι στην πάνω ( up ) θέση 3. Όλοι οι διακόπτες τύπου rotating buttons να είναι στην κεντρική ( center ) θέση 4. Όλοι οι διακόπτες τύπου calibration buttons (με το κόκκινο βελάκι στο σχήμα αλλά ενδέχεται να μην έχουν το βελάκι στην συσκευή σα) να είναι πλήρως γυρισμένοι κατά την φορά των δεικτών του ρολογιού
Διάγραμμα 2: Μπροστινή όψη ενός τυπικού αναλογικού παλμογράφου (ο αναλογικός παλμογράφος που θα χρησιμοποιήσετε παρουσιάζει μικρές διαφορές με την παραπάνω όψη) Χρησιμοποιήστε τον αναλογικό παλμογράφο για τις Ασκήσεις 1 και 2 ΑΣΚΗΣΗ 1: (α) Ελέγξτε ότι ο παλμογράφος λειτουργεί σωστά συνδέοντάς τον στον διακόπτη CAL. Μετρήστε τα χαρακτηριστικά του σήματος που εμφανίζεται (πλάτος, συχνότητα, περίοδος) και ελέγξτε την βαθμονόμηση τάσης (VOLTS/DIV) και χρόνου (TIME/DIV) του παλμογράφου. Διερευνήστε την λειτουργία των κοχλιών VOLTS/DIV, TIME/DIV, POSITION και, INTEN, FOCUS, της βίδας TRACE ROTATION και του slide διακόπτη DC/AC/GND και σχολιάστε συνοπτικά την λειτουργία τους. (β) Συνδέστε ένα από τα κανάλια του παλμογράφου με την «άγνωστη» γεννήτρια συχνοτήτων, η οποία εφαρμόζει ένα προκαθορισμένο εναλλασσόμενο σήμα (μην μεταβάλλετε τα προκαθορισμένα settings της γεννήτριας). Μετρήστε τα χαρακτηριστικά του σήματος της γεννήτριας (μορφή,πλάτος, συχνότητα, περίοδος) και διερευνήστε την λειτουργία των κοχλιών VOLTS/DIV, TIME/DIV και του slide διακόπτη DC/AC/GND. (γ) Αποσυνδέστε την «άγνωστη» γεννήτρια και συνδέστε στον παλμογράφο την «γνωστή» γεννήτρια. Εφαρμόστε ένα ημιτονοειδές σήμα συχνότητας 1 khz και χρησιμοποιήστε το για να μετρήσετε την βαθμονόμηση χρόνου (TIME/DIV) του παλμογράφου. Υπολογίστε την απόκλιση από αναμενόμενη τιμή και σχολιάστε. (δ) Συνδέστε και τις δύο γεννήτριες ταυτόχρονα στα δύο κανάλια του παλμογράφου χωρίς και πάλι να μεταβάλλετε τα προκαθορισμένα settings της «άγνωστης» γεννήτριας. Για να εμφανιστούν και οι δύο κυματομορφές με ευκρίνεια στην οθόνη
του παλμογράφου θα πρέπει να ρυθμίσετε κατάλληλα τις ενδείξεις των διακοπτών MODE (CH1/CH2/DUAL/ADD), και TRIGGER (MODE, SOURCE, TRIG. ALT). Διερευνήστε την λειτουργία των κοχλιών και σχολιάστε την λειτουργία τους. Μετρήστε την συχνότητα του σήματος της «άγνωστης» γεννήτριας αυτή την φορά όχι άμεσα από την απευθείας παρατήρηση της κυματομορφής από την οθόνη του παλμογράφου αλλά συγκρίνοντάς την με την κυματομορφή της γνωστής γεννήτριας. ΑΣΚΗΣΗ 2: Αφήστε τον παλμογράφο συνδεδεμένο με τις δύο γεννήτριες. Ρυθμίστε κατάλληλα τον διακόπτη MODE (CH1/CH2/DUAL/ADD) και τις ρυθμίσεις της γνωστής γεννήτριας ώστε να παρατηρήσετε ένα διακρότημα στην οθόνη του παλμογράφου. Από τα χαρακτηριστικά του διακροτήματος και αυτά της γνωστής γεννήτριας, προσδιορίστε την συχνότητα της άγνωστης γεννήτριας. Χρησιμοποιήστε τον αναλογικό παλμογράφο για τις Ασκήσεις 3 και 4 ΑΣΚΗΣΗ 3: Οι καμπύλες Lissajοus προκύπτουν ως το γράφημα ενός συστήματος παραμετρικών αρμονικών εξισώσεων του τύπου: x = x 0 sin (f 1 t + γ), y = y 0 sin (f 2 t) Οι εξισώσεις μπορούν να περιγράψουν περίπλοκες αρμονικές κινήσεις και η μορφή τους εξαρτάται από τις f 1 και f 2 (με ποιον ακριβώς τρόπο;) Χρησιμοποιήστε τις κατάλληλες συνδέσεις στον ψηφιακό παλμογράφο για να αναπαραγάγετε τουλάχιστον 5 διαφορετικές καμπύλες Lissajοus και από αυτές προσδιορίστε την συχνότητα της άγνωστης γεννήτριας. Σχολιάστε. ΑΣΚΗΣΗ 4: Σας δίδεται μικρόφωνο και ηχείο. Συνδέστε κατάλληλα τα δύο όργανα στον ψηφιακό παλμογράφο. Σχολιάστε για το είδος των σημάτων που παρατηρείτε στον παλμογράφο και καταγράψτε όσα από τα χαρακτηριστικά τους μπορείτε. Πως θα μπορούσατε να αναλύσετε με μεγαλύτερη ακρίβεια το συχνοτικό εύρος ζώνης της φωνής σας; Εξηγήστε..