Lucrarea Nr. 2 Aparatura de laborator-ii Scopul lucrarii: - Deprinderea utilizării aparatelor de laborator (generator de semnal, osciloscop catodic) necesare studiului experimental a unor dispozitive şi circuite electronice. - Înţelegerea principiului de funcţionare al osciloscopului catodic. Osciloscopul catodic Noţiuni generale Osciloscopul este un aparat electronic ce permite vizualizarea pe ecranul unui tub catodic a curbelor ce reprezintă variaţia în timp a diferitelor mărimi sau a curbelor ce reprezintă dependenţa dintre două mărimi. Imaginile obţinute pe ecran se numesc oscilograme. Osciloscopul poate fi utlizat pentru: -vizualizarea variaţiei în timp a tensiunilor electrice, precum şi măsurarea parametrilor acestora: valoare vărf la vărf, amplitudine, valoarea componentei continue, perioada (frecvenţa); -vizualizarea relaţiei dintre două tensiuni variabile în timp, putând determina raportul frecvenţelor tensiunilor şi defazajul dintre ele. -trasarea curbelor caracteristice ale unor dispozitive sau materiale (caracteristici statice ale unor dispozitive sau circuite electronice, ciclu de histerezis al materialelor feromagnetice, etc.) Principiul de funcţionare Schema bloc a unui osciloscop catodic este prezentată în Fig. 1. At X,At Y - atenuatoare pentru semnale v x,v y ; micşorează semnalele prea mari înainte de a fi aplicate amplificatoarelor Ax, Ay Ax, Ay- amplificatoare pentru semnalele v x, v y ; amplifică semnalele de studiat prea mici înainte de a fi aplicate păcilor de deflexie Px, Py GBT - generatorul bazei de timp (generatorul de baleaj); generează tensiunea liniară variabilă în timp (dinte de fierăstrău) ce se aplică plăcilor de deflexie Px pentru lucrul în modul Y-t CSi- circuitul de sincronizare, sincronizează baza de timp fie cu semnalul de vizualizat, fie cu un alt semnal din exterior CSt-circuitul de stingere; asigură stingerea spotului pe durata cursei de întoarcere Px, Py- placile de deflexie pe orizontală, respectiv pe verticală TC- tub catodic E- ecranul fluorescent al tubului catodic 1
K- catod termoemisiv Vy At Ay Py Vy P Y CS GB K TC E X Vx At 1 2 C A CSt Vx 0 Fig. 1. Schema bloc a osciloscopului catodic Partea esenţială a osciloscopului catodic este tubul catodic TC, reprezentat simplificat în Fig. 1. Acesta este un tub cu vid în care se formează prin emisie termoelectronică un fascicul de electroni orientat axial. Electronii emişi de catodul K bombardează ecranul fluorescent E, care transformă energia lor cinetică în energie luminoasă, astfel încăt în punctul de impact apare o pată luminoasă numită spot. După încetarea bombardării unui punct al ecranului luminozitatea lui mai persistă un anumit timp, numit remanenţa ecranului. La tuburile catodice uzuale, remanenţa ecranului este foarte mică, de ordinul fracţiunilor de secundă. În drumul lor de la catodul K la ecranul E, electronii trec printre două placi metalice Py şi printre două plăci metalice Px, cele două perechi de plăci fiind dispuse perpendicular una pe alta (Fig. 1). Cu ajutorul plăcilor se poate comanda traectoria electronilor, deviindu-i de la direcţia axială; astfel se comandă poziţia spotului pe ecran. Pentru devierea spotului după direcţia orizontală OX se aplică o tensiune Vx plăcilor Px, creându-se între ele un câmp electric orizontal. Pentru devierea spotului după direcţia verticală OY se aplică o tensiune Vy plăcilor Py, creându-se între ele un câmp electric vertical. Deoarece timpul în care ajung electronii de la plăci la ecran este neglijabil de mic, deviaţiile x şi y ale spotului pe ecran sunt în fiecare moment proporţionale cu valorile instantanee ale tensiunilor Vx, respectiv Vy: xt () = Sx Vx() t yt () = Sy Vy() t (Sx şi Sy sunt constante şi reprezintă sensibilitatea tubului catodic pe orizontală, respectiv pe verticală; ele se exprimă în cm/v). Relaţiile de mai sus reflectă propietatea fundamentală pe care se bazează funcţionarea osciloscopului catodic. Ca urmare spotul se va deplasa după direcţiile OX şi OY în acelaşi ritm în care variază tensiunile Vx şi Vy. Osciloscopul poate funcţiona în două moduri: - modul Y-t : pe ecran apare curba y(t) - modul Y-X : pe ecran apare o curbă ce reprezintă relaţia y(x), prin eliminarea timpului între cele două variaţii x(t) şi y(t). Modul Y-t Pentru ca traiectoria ce apare pe ecran să reprezinte curba y(t), este necesar ca plăcilor Px să li se aplice o tensiune proporţională cu timpul: Vx = k X t Tensiunea Vx este o tensiune periodică liniar variabilă (dinte de fierăstrău) (Fig. 2.) obţinută de la generatorul bazei de timp cu comutatorul C pe poziţia 1 (Fig. 1.) 2
V x t t1 t2 Fig. 2 Tensiune liniar variabilă În intervalul [t 1, t 2 ] spotul se deplasează de la stânga spre dreapta, pe ecranul osciloscopului. Dacă la intrarea Y a oscilocopului se aplică o tensiune variabilă, spotul va avea o deplasare şi pe verticală, descriind curba y(t). În intervalul [t 2, t 3 ] are loc revenirea spotului în partea stângă a ecranului. Pentru ca traiectoria de revenire să fie invizibilă pe ecran se foloseşte un circuit de stingere ce reduce la zero intensitatea fasciculului de electroni în intervalul [t 2,t 3 ]. Imaginea pe ecran va fi stabilă şi clară dacă perioada semnalului de vizualizat va fi un submultiplu întreg al perioadei bazei de timp: 1 T k T k N VY = VX ; Pentru realizarea acestei condiţii, generatorul bazei de timp are frecvenţa reglabilă şi există posibilitatea sincronizării ( momentul începerii pantei crescătoare a fiecărui dinte de fierăstrău) ei prin circuitul de sincronizare, fie cu semnalul de vizualizat, fie cu un semnal din exterior. Pentru semnalele Vx şi Vy din Fig. 3. se obţine oscilograma din Fig. 4. Generatorul bazei de timp poate funcţiona (la alegere ) fie în mod continuu (automat), fie în mod declanşat. La funcţionarea în mod continuu se generează semnal liniar variabil (dinte de fierăstrău) tot timpul, indiferent dacă există sau nu semnal de intrare, pe când în mod declanşat semnalul de studiat va declanşa generarea fiecărui dinte de fierestrău (şi deci a baleajului ) atunci când el atinge un anumit nivel nivel ( level ) ce se poate regla cu ajutorul unui potenţiometru. Vy V t t Fig. 3. Tensiunile pe plăcile Py şi Px Fig. 4. Oscilogramă Observaţie: În modul de lucru cu baza de timp declanşată, dacă la intrare nu se aplică semnal, spotul nu baleiază ecranul (baza de timp nu generează dinte de fierestrău ), deci pe ecranul osciloscopului nu apare trasa (linie luminoasă orizontală de culoare verde). 3
Modul X-Y În acest mod de lucru baza de timp se decuplează (comutator C în poziţia 2, Fig. 1.) şi pe plăcile Px se aplică un semnal din exterior. Pe ecran se obţine o curbă y(x) care nu depinde de timp. Acest mod de lucru se foloseşte pentru ridicarea caracteristicilor statice ale unor dispozitive sau circuite electronice. Elemente de comandă, semnalizare şi acces ale osciloscopului Hameg 303-6 ELEMENT Buton pornit-oprit Luminozitate Focalizare Deplasarea pe orizontală Deplasarea pe verticală Extindere X Extindere Y NUME / NUMĂR POWER 1 INTENS 2 FOCUS 4 X-POS 11 Y-POS I/II 5/8 X-MAG 12 Y-MAG 6/7 FUNCŢIE ELEMENT Prin apăsarea butonului osciloscopul este alimentat cu tensiune de 220V c.a. Prin rotirea potenţiometrului se controlează intensitatea trasei Prin rotirea potenţiometrului se controlează focalizarea spotului Deplasarea oscilogramei spre dreapta sau stânga Deplasarea oscilogramei pe verticală pe canalul CH I, respectiv CH II Dilatarea oscilogramei pe orizontlă (x10) dacă butonul este apasat Dilatarea oscilogramei pe verticală (x5) pentru canalul CH 1, respectiv CH 2 4
Atenuator pe VOLTS/DIV verticală 13/18 Atenuator pe verticală 14*,19* Polaritate Baza de timp Baza de timp Modul de cuplare al semnalului de intrare Deconectarea butonului de la intrare Mod de lucru Afişare simultană Intrare pentru sincronizare externă INV 35 TIME/DIV 24 VAR 25* AC/DC 29/33 GD 30/34 XY 26 DUAL 16 Reglaj în trepte al coeficientului de deviaţie verticală pe fiecare din cele două canale Reglaj fin al coeficientului de deviaţie pe verticală pe fiecare din cele două canale (calibrare, masurări prin comparaţie) Semnalul de intrare pe cele 2 canale este afişat deasupra/sub linia de referinţă Reglaj în trepte al coeficienţilor de deviaţie pe orizontală pentru ambele canale Reglaj fin al coeficienţilor de deviaţie pe orizontală (calibrare, masurări prin comparaţie) Pe fiecare canal, amplificatorului pe verticală i se aplică : DC: direct semnal de intrare AC: semnalul de intrare trece printr-un condensator ce elimină componenta continuă Pe fiecare canal, amplificatorului pe verticală i se aplică un potenţial egal cu potenţialul de referinţă (masă) al osciloscopului (, GND) Relaxat: modul de lucru Y- t; Apăsat: modul de lucru Y(CH II)-X (CH I); - Relaxat: afişare doar a CH I; - Apăsat: semnalele de pe ambele canale sunt afişate simultan prin comutarea de la un canal la altul cu o frecvenţă fixă; -În combinatie cu ADD (17) afişare simulană în modul chopped; -Numai ADD (17) apăsat: sumare algebrică; -În combinatie cu INV diferenţă; TRIG EXT 36 Intrare BNC la care se aplică semnal de sincronizare extern Sincronizare (TRIGGER) TRIG EXT 27 Apăsat: ca şi semnal de sincronizare se foloseşte semnal aplicat la intr. TRIG EXT; Relaxat: se foloseste pentru sincronizare unul din semnalele aplicate la intrarea celor 2 canale în funcţie de poziţia butonului 15: Palier TR SLOPE 9 Alegerea pantei pozitive sau negative a semnalului de sincronizare Nivel de sincronizare LEVEL 10 Reglarea nivelului tensiunii cu care se face sincronizarea Aplicare semnal intrare IMPUT CH I / CH II 28/32 Intrări BNC la care se aplică semnalul de intrare prin intermediul sondelor (conductor ecranat) Masa 31 Bornă de masă legată atât la şasiul aparatului căt şi la împământare Calibrare CALIBRA- TOR 39,40 Ieşire pentru semnal dreptunghiular cu frecvenţa de 1KHz/1MHz şi amplitudinea 0.2Vpp 5
Testare componente Comp.Tester 37/38 Conversia osciloscopului in modul testare componente. * Dacă potenţiometrele nu sunt pe poziţia calibrat (maxim dreapta), indicaţiile comutatoarelor pentru reglajul în treapte nu sunt valabile (necalibrare). Sistem modular HM 8001 Suporta diferite module: sursă de alimentare, generator de semnal, frecvenţmetru, etc. Generatorul de semnal Hameg 803X Principalii parametrii ai semnalului generat de generatorul de semnal sunt: 1. Formă de undă 2. Amplitudine 3. Frecvenţă Generatoarele de semnal HAMEG 8032 furnizează numai semnale sinusoidale! 6
HAMEG 8032 POWER Buton pornire (HM 8001) OUTPUT 50Ω 6 Iesire de semnal (rezistenta iesire 50Ω) - BNC OUTPUT 600Ω 5 Iesire de semnal (rezistenta iesire 600Ω) - BNC AMPL 7 Potentiometru de reglaj fin al amplitudinii semnalului generat ATTENUATOR 4 Comutatoare ce reduc (atenuează) amplitudinea semnalului generat: -20dB = 1/10-10dB 1/3 FREQUENCY 2 Comutator de selectie a gamei de frecventa VARIABLE 3 Potentiometru de reglaj fin al frecventei in interiorul gamei selectate LCD 1 Afiseaza valaore frecventei semnalului generat 7
Generatorul de semnal HAMEG 8030-6 permite setarea formei de undă dorite, furnizând un semnal triunghiular, dreptunghiular, respectiv sinusoidal, în funcţie de starea comutatorului FUNCTION. HAMEG 8030-6 POWER Buton pornire (HM 8001) ON / OFF 9 Cupleaza / Decupleaza componenta continuă OUTPUT 50Ω 10 Iesire de semnal (rezistenta iesire 50Ω) - BNC TRIG. OUTP. (TTL) 7 Iesire compatibila TTL sincrona cu semnalul de iesire AMPLITUDE 12 Potentiometru de reglaj fin al amplitudinii ATTENUATOR 11 semnalului generat Comutatoare ce reduc amplitudinea semnalului generat: -20dB = 1/10 OFFSET 8 Potentiometru de reglare a componentei continue/factorului de umplere (funcţie de 9) FREQUENCY 3 Potentiometru de reglaj fin al frecventei in interiorul gamei selectate 4 Butoane de selectie a gamei de frecventa LCD 1 Afiseaza valaorea frecventei semnalului generat 8
Modul de lucru 1. Studiul calibrării Osciloscopului Conectând fiecare din sondele Osciloscopului la ieşirea de semnal de referinţă (39), verificaţi dacă parametrii caracteristici ai semnalului vizualizat sunt cei asteptaţi pentru ambele poziţii ale butonului (40). 2. Ajustarea parametrilor semnalului generat Conectând direct ieşirea generatorului de semnal la Osciloscop (setat la o sensibilitate pe Y de 0.2V/div şi cu o bază de timp de 20us/div), ajustaţi parametrii semnalului generat astfel încât sa obţineţi un semnal sinusoidal cu frecvenţa de 10KHz şi o amplitudine de 1V pp. 3. Vizualizarea optimă a formelor de undă Pentru o poziţie oarecare a potenţiometrelor/butoanelor generatorului de semnal HM8032/8030-6, setaţi osciloscopul pentru o buna vizualizare a formei de undă care sa permită măsurarea cu o cât mai bună precizie a parametrilor semnalului generat (frecvenţă, amplitudine). 4. Efectul rezistenţei de ieşire a generatorului de semnal Se va realiza montajul din figura urmatoare: Figura 5. Circuitul de test pentru A 4 Generatorul este setat exact ca la punctul anterior, R 1 =1kΩ. Vizualizaţi/măsuraţi parametrii semnalului generat mai întâi în gol (fără R 1 ) şi apoi cu generatorul conectat la R 1, preluând semnalul de la generator mai întâi de la ieşirea de 50Ω şi apoi de la ieşirea de 600Ω. Explicaţi diferenţele observate. 5. Evaluarea comportării în frecventă a unui filtru Se va realiza montajul din figura urmatoare, cu R g =50Ω, R 1 =1kΩ şi C=33nF: Figura 6. Circuitul de test pentru A 5 9
Generatorul va fi setat astfel încât sa genereze un semnal cu amplitudinea de 500mVpp la frecvenţa de 100Hz. Studiaţi evoluţia amplitudinii tensiunii de pe condensator la variaţia frecvenţei între 100Hz şi 1MHz. Cum evoluează semnalul de la ieşirea generatorului pentru acelaşi domeniu de frecvenţă? Rezultatele experimentale vor fi trecute într-un formular de tipul urmator: Lucrarea Nr. 2 - Rezultate A3. Parametrii semnalului generat: V m =?[V] f =?[Hz] A4. A5. V m [V] R g =50Ω R g =600Ω R 1 = (în gol) R 1 =1kΩ f[hz] 100 300 500 1k 3k 5k 10k 30k 100k 500k 1M V cm [mv] 250 V gm [mv] 250 10