MŠtningar med Oscilloskop

Transkript

1 Laboration i Elektronik MŠtningar med Oscilloskop MŒlsŠttning: Laborationen syftar till att ge en praktisk introduktion till hur man anvšnder olika instrument pœ elektroniklaboratoriet - speciellt med inriktning pœ hur man hanterar ett oscilloskop. Med oscilloskopet kan vi studera olika signalers tidsfšrlopp samt mšta amplitud, frekvens och fasfšrskjutning mellan tvœ signaler. Vi skall ocksœ anvšnda oscilloskopet i XY-mode och studera Lissajoufigurer. I laborationen ingœr ocksœ oscilloskopproben, dšr vi skall gœ igenom vad den spelar fšr roll i mštningarna. vriga instrument som ingœr i laborationen Šr: Digitala MultiMetern (DMM), signal- och pulsgeneratorer och frekvensršknare. NŠr du gœtt igenom oscilloskoplaborationen skall du * kšnna till oscilloskopets uppbyggnad och huvudfunktion * kunna mšta lik- och všxelspšnning * kunna mšta frekvensen hos ett periodiskt fšrlopp * kunna mšta fasvinkeln mellan tvœ signaler * kunna anvšnda svepexpansion, yttre trigg samt XY-koppling * kšnna till oscilloskopets mštnogrannhet samt hur belastningen pœverkar mštningarna Labuppgifter: 1. Bli bekant med kontrollerna 2. MŠtning av likspšnning med oscilloskop 3. FrekvensmŠtning 4. MŠtning av amplitud och effektivvšrde fšr en sinusspšnning 5. Fasfšrskjutning mellan stršm och spšnning hos motstœnd, kondensator och spole 6. Lissajoufigurer 7. FasvinkelmŠtning med Lissajoufigur 8. Oscilloskopproben - kalibrering 9. MŠtning av fasvinkel med probe Stockholms Universitet FYSIKUM Eddie Alestedt 2000

2 Inledning. Ett oscilloskop Šr ett hjšlpmedel fšr att se hur en signal (t.ex. en spšnning) varierar (oscillerar) med tiden. I experimentell fysik tršffar vi mycket ofta pœ fenomen som varierar med tiden och vi lšgger vikt vid att du redan tidigt i denna kurs skall kunna hantera ett oscilloskop som mštinstrument. Ett oscilloskop registrerar och ritar en kurva šver hur en spšnning varierar med tiden. Det Šr en smal elektronstrœle som ritar kurvan pœ en fluorescerande skšrm. X-axeln anger tidsfšrloppet och Y-axeln visar hur spšnningen varierar under denna tid. MŒnga av instšllningarna pœ oscilloskopet gœr rštt och slštt ut pœ att všlja lšmpliga skalor fšr X- och Y-axlarna. NŠr vi ritar en kurva pœ ett papper, Šr det fšr att visa ett tidsfšrlopp under en bestšmd tidsperiod. Oscilloskopet dšremot ritar stšndigt nya kurvor, upp till mœnga tusen per sekund. Signalen som visas pœ fluorescensskšrmen har en viss livslšngd innan den dšr ut (efterlysningstid). Vi kan sœledes fœ uppritat flera olika kurvor under denna tid och under olyckliga omstšndigheter kan vi erhœlla en mšngd olika kurvor som visas samtidigt, vilket ger en ršrig bild (som dessutom kan "vandra" omkring pœ skšrmen). Om signalen varierar periodisk kan vi tvinga oscilloskopet att rita alla kurvorna pœ samma stšlle pœ skšrmen. DŒ kommer vi att fœ en stillastœende bild och vi kan utfšra vœra mštningar i lugn och ro. Detta kan Œstadkommas genom att vi ber oscilloskopet att starta uppritningen av en ny kurva varje gœng den periodiska signalen passerar en viss punkt i perioden (ett visst spšnningsvšrde). Vi sšger dœ att vi "triggar" (startar) oscilloskopstrœlen varje gœng detta spšnningsvšrde fšrekommer i ingœngssignalen. Oscilloskopet kan tyckas svœrt att hantera nšr du skall anvšnda det fšr fšrsta gœngen. SŒ Šr det ofta med mštinstrument. Om du klarar av att systematisera kontrollerna sœ att du vet vilken speciell grupp de tillhšr och om du grovt sett vet vilken funktion varje grupp har sœ hjšlper dig detta inlšrningen. Ett oscilloskop har i stort sštt fyra olika grupper av instšllningskontroller: En grupp dšr du všljer skalan lšngs y-axeln (vanligtvis tvœ nšstan identiska set om du har ett dubbelstrœleinstrument). En grupp dšr du všljer skalan lšngs x-axeln. En grupp dšr du všljer triggerfunktionen. En grupp som bestœr av PŒ/Av knapp, instšllning av intensitet och fokusering av elektronstrœlen pœ skšrmen. Du kommer att se att dessa fyra grupper med instšllningskontroller Šr samlade till var sitt omrœde pœ frontpanelen pœ de allra flesta oscilloskop. Bšrja alltid med att identifiera dessa omrœden nšr du skall anvšnda ett oscilloskop. Notera: Denna text beskriver oscilloskopet och nœgra av dess funktioner mycket kortfattat. En mer utfšrlig beskrivning finns i Instruction Manual for Leader 20 MHz Oscilloscope som finns pœ laboratoriet. MŠtningar med Oscilloskop sid.1

3 Hur oscilloskopet fungerer Elektronršret Šr den centrala delen i oscilloskopet. Elektroner accelereras i ett elektriskt fšlt, lšngst bak i elektronršret och fortsštter fram till den fluorescerande skšrmen som lyser upp dšr elektronerna tršffar (se figur 1). PŒ sin všg framœt i ršret passerar elektronerna fšrst elektroder som ombesšrjer fšr skšrpeinstšllning och de blir dšrefter avbšjda i xy-riktningarna av tvœ plattpar med kontrollerbart elektriskt fšlt mellan varje par. Detta fšlt kontrolleres av signalen pœ ingœngen (y-riktningen) eller frœn en inbyggd sœgtand-spšnningskšlla (x-riktningen) (se hšr nedan och figur 2). Kontrollgaller Fokuseringsanod Accelerationsanod Plattor fšr Vertikal avlšnkning MetallbelŠggning ElektronstrŒle GlšdtrŒd Katod Plattor fšr Elektronkanon Horisontell avlšnkning Figur 1: Skiss šver elektronršret med x och y plattorna. Fluorescerande skšrm SkŠrmen Šr indelad i ett rutnšt dšr var och en av rutorna motsvarar 1 cm. Den mittersta av de horisontella linjerna kallas vanligtvis fšr "nollinjen" eftersom vi ofta lœter strœlen ligga lšngs denna linje nšr det inte Šr nœgon signal pœ ingœngen. SpŠnningen šver x-plattorna Šr vanligtvis bunden till en tidbasspšnning som stiger jšmnt med tiden frœn noll till en viss všrde och som gœr raskt tillbaks till noll och dšrefter startar en ny stigning (se figur 3). Ett sœdant spšnningsfšrlopp kallar vi vanligtvis fšr sœgtandspšnning. SpŠnningen fœr ljuspunkten att flytta sig frœn všnster till hšger sida av skšrmen. DŠrefter fšrflyttas strœlen snabbt tillbaks till utgœngslšget, lšngst till všnster. StrŒlen syns inte under tillbakagœngen. Hur snabbt strœlen gœr šver skšrmen regleras med hjšlp av tidbaskontrollen (TIME/DIV). Fšr kontroll av spšnningen šver y-plattorna har vi tvœ uppsšttningar ingœngskontakter i ett tvœstrœleoscilloskop. Kontakterna kan vara mšrkta 'Ch I or X" eller "Input 1' och 'Ch2 or Y' eller "Input 2", eller liknande. Varje ingœng bestœr av tvœ kontaktpunkter. En av kontaktpunkterna Šr jordad, dvs. fšrbunden med apparathšljet. Den andra kontaktpunkten leder vidare till komponenter inne i oscilloskopet. Kontakterna gœr i varandra (koaxialt), med jordkontakten ytterst (kallas BNC kontakt). Man kan anvšnda en adapter fšr att koppla ledningar med banankontakter till oscilloskopet. Figur 7 visar hur en sœdan adapter kan se ut. Dessa adaptrar kan ha en svart anslutning dšr signalen gœr in och metallskoning fšr jord. Detta leder ofta till missfšrstœnd eftersom svart annars ofta betyder jord. Det Šr placeringen av kontakterna som sšger vad som Šr jord och signalingœng pœ dessa adaptrar (andra typer av adaptrar kan vara mer symmetriska och man bšr dœ noga sšrskilja vilken del som skall vara jord. MŠtningar med Oscilloskop sid.2

4 X-plattans spšnning Tid (Perioder) Figur 2: SŒgtand-spŠnningen som anvšndas fšr att styra oscilloskopstrœlen frœn všnster till hšger. Periodtiden kan varieras med hjšlp av TIME/DIV kontrollen. Om vi lšgger en spšnning šver ett par av ingœngskontakterna, kommer denna spšnning att fšrstšrkas av en inbyggd fšrstšrkare och spšnningen lšggs šver yplattorna. Denna spšnning medfšr att strœlen blir avbšjd i vertikalriktningen. FšrstŠrkningen regleras med spšnningskontrollen VOLTS/DIV. ven om oscilloskopet Šr utrustat med tvœ kanaler, Šr det bara en elektronstrœle och endast ett par y-plattor. Inbyggda kretsar ordnar det sœ att signalerna frœn de tvœ ingœngarna fungerar všxelvis pœ strœlen. VŠxlingarna gœr sœ fort att vi vanligvis inte kan se det. I praktiken kan vi dšrfšr betrakta det som tvœ strœlar och vi kan studera och jšmfšra spšnningar šver de tvœ ingœngarna samtidig. PŒ en del oscilloskop kan vi Šven všlja mellan tvœ metoder fšr všxling mellan kanalerna (ALT/CHOP). Vid ALT (alternering) gœr strœlen fšrst helt frœn všnster till hšger fšr den ena kanalen, dšrefter helt frœn všnster till hšger fšr den andra kanalen osv. Vid CHOP (chopping) všxlar man mellan de tvœ kanalerna t.ex gœnger i sekunden. StrŒlen slšcks nšr den všxlar mellan de tvœ signalerna. Vid mštning av lœgfrekvenssignaler dšr man anvšnder hšga všrden pœ TIME/DIV, Šr CHOP ofta att fšredraga fšr att fœ en lugnare bild av bšgge kanalerna samtidigt. Vid hšgfrekvenssignaler mœste man dšremot ofta anvšnda ALT fšr att inte choppingen skall ge en synlig distortion av signalen. Figur 3 och 4 visar 'alternerande' och 'chopprat' svep. Kanal Y1 Kanal Y2 Svep Y2 Figur 3: Alternerande svep tergœngstid Svep Y1 MŠtningar med Oscilloskop sid.3

5 Kanal Y1 Kanal Y2 Svep Y1 Svep Y2 Figur 4: "Chopprat" svep PŒ de flesta oscilloskop kan vi ocksœ všlja vilken av de tvœ signalerna som skall trigga elektronstrœlen. Detta betyder att triggning i instšllning Ch 1 anvšnder signalen frœn kanal 1 fšr triggning Šven om strœlen alternerar mellan kanalerna (vid ALT instšllningen). NŠr oscilloskopet Šr i xy-lšge, Šr tidbasspšnningen satt ur funktion. DŒ kan x-plattornas spšnning regleras av en yttre spšnning som Šr kopplad till motsvarande ingœngskontakt, oftast till kanal 1. XY-instŠllningen finner du som regel pœ tidbaskontrollen men inte alltid. VŒra oscilloskop I figur 5 visas en bild av en av oscilloskoptyperna vi har hšr pœ labbet. Fšrsšk att identifiera de olika instšllningsknapparna pœ figuren nšr vi anger de olika kontrollerna hšr nedan. Som nšmnts ovan kan de olika kontrollerna pœ oscilloskopet indelas i fyra grupper: 1. PŒ/Av omstšllare (POWER), instšllning av intensitet och fokusering av strœlen. 2. Skalning av bilden i y-riktning. Detta gšrs m.h.a. en stšllbar ratt fšr kontroll av amplituden (VOLTS/DIV, angivet i V/ruta) pœ skšrmen, samt en kontinuerligt instšllbar ratt som sitter i mitten av den fšrra. Det finns Šven en kontroll som flyttar bilden pœ skšrmen (POSITION) i vertikal led, samt en omstšllare som všljer mellan všxelspšnning (AC), likspšnning (DC) och jord (GND). Vid dubbelstrœleoscilloskop finns det tvœ uppsšttningar kontroller fšr skalorna i Y-riktningen och vi kallar dem kanal 1 (Ch 1) och kanal 2 (Ch 2). Vi kommer dœ ocksœ att finna en kanalvšljare som tillœter oss att všlja om en av kanalerna eller bšgge skall visas pœ skšrmen (V MODE). 3. Skalning av bilden i x-riktning. Detta gšras m.h.a. en tidbaskontroll (TIME/DIV, angiven i s/ruta) som reglerar strœlens hastighet šver skšrmen frœn všnster till hšger. Denna Šr likaledes indelad i fasta steg dšr sifferanvisningarna ger tiden strœlen anvšnder fšr att gœ šver en ruta. Dessutom finns det en kontroll som varierar tidbasen kontinuerligt (sitter i mitten av den fšrsta). Det finns ocksœ en kontroll fšr att flytta bilden pœ skšrmen i horisontell led (POSITION). PŒ de flesta oscilloskop finns ocksœ en XY-instŠllning. VŠljes denna funktionen, kommer x-axeln inte lšngre att vara en tidsaxel, utan en spšnningsaxel fšr den signal som man lšgger pœ kanal I den sista gruppen finner vi triggerkontrollen (LEVEL) fšr ingœngssignalen. Denna sštter nivœn fšr triggningen, eller utlšsningen, av elektronstrœlen. Vidare kan vi všlja mellan automatisk och yttre triggning (vi skall anvšnda AUTO). PŒ de flesta oscilloskop kan vi ocksœ všlja vilken kanal som skall trigga tidsavlšnkningen. Olika oscilloskop har mer eller mindre avancerade triggkretsar. MŠtningar med Oscilloskop sid.4

6 Figur 5. versikt šver kontroller pœ ett av oscilloskopen (Leader). Kontrollerna kan delas in i fšljande block: Display och nštspšnning, Vertikal fšrstšrkare, Svep & trigger. Display och nštspšnning 1. NŠtpŠnning till/frœn 2. Indikatorlampa fšr nštspšnning 3. Intensitetskontroll 4. Fokuskontroll 5. Rotation av strœlen 6. Belysningskontroll 7. VŠljare fšr olika nštspšnning - pœ baksidan 8. Anslutning till nštsladd - pœ baksidan Vertikal fšrstšrkare 9. Anslutning fšr kanal 1 (CH1) och X-svep 10. Anslutning fšr kanal 2 (CH2) och Y-svep 11. CH1 omkopplare fšr DC/GND/AC 12. CH2 omkopplare fšr DC/GND/AC 13, 14. CH1 och CH2 omkopplare fšr spšnningsfšrstšrkare (Volt/division) 15, 16. Variabel kontroll av spšnningsfšrstšrkning inklusive switch fšr 5 ggr fšrstšrkning 17, 18. Lampor fšr indikering av okalibrerad fšrstšrkare 19. CH1 positionskontroll och switch fšr att addera CH1 + CH2 20. CH2 positionskontroll och switch fšr att invertera CH2 21. Vertikal diplay mode - CH1, CH2, CH1+CH2 Alt och Chop 22. UtgŒng fšr CH1 - ger en fšrstšrkt signal - pœ baksidan Tidbas och trigger 23. Tidbasomkopplare (time/division) 24. Variabel tidskontroll. Switch fšr10 ggr expansion 25. Lampa fšr indikering av okalibrerad tidbas 26. Positionskontroll - horisontell 27. Kontroll av tidssvepets uppehœll 28. Trigger mode switch. Auto, Normal och Video mode. 29. Kontroll av filter fšr triggsignalen. AC, DC, HF-reject och LF-reject 30. Switch fšr val av triggsignal. CH1, CH2 eller LINE. 31. Extern triggingœng 32. NivŒkontroll fšr triggsignalen 33. Kontrollampa fšr triggersignalen 34. Extern ingœng fšr att slšcka signalen - pœ baksidan 35. Kalibreringssignal - ger en fyrkantvœg fšr kalibrering av probe 36.Jordkontakt MŠtningar med Oscilloskop sid.5

7 Vad anvšnds oscilloskopet till? I denna švning har vi lagt huvudvikten pœ att du skall lšra dig att anvšnda ett oscilloskop, sœ vad oscilloskopet kan anvšndas till kommer inte att bli beršrt sœ mycket. Du kommer att mšrka detta allt eftersom kursen framskrider. ven om oscilloskopet "bara" anvšnds till att betrakta (všxel)spšnningar, sœ kan det vara nyttigt i mœnga sammanhang. Vi kan bestšmma frekvensen pœ signalen, hur olika signaler varierar med tiden, hur signalen kan bli fšrvršngd, fšrdršjd (fasfšrskjuten) och dšmpad eller fšrstšrkt. Det Šr enkelt att fšrestšlla sig att vi kan anvšnda oscilloskopet i rena elektronikuppgifter. Med hjšlp av tillsatsinstrument kan emellertid oscilloskopet ocksœ ge upplysning om mœnga andra mštbara fšrhœllanden, frœn vibrationer i en flygmotor till švervakning av hjšrtverksamhet hos patienter. Funktionsgeneratorn. En funktionsgenerator Šr en apparat som ofta anvšnds i samband med ett oscilloskop. Funktionsgeneratorn kan generera všxelspšnningar som ofta anvšnds i olika mšt-/testuppgifter. Figur 6 visar frontpanelen pœ en typ av funktionsgenerator som vi kommer att anvšnda i kursen. Det Šr nšdvšndigt att du lšr dig att anvšnda funktionsgeneratorn ordentligt. Figur 6: Frontpanelen pœ den typ av funktionsgenerator som du kommer att anvšnda i denna kurs. En funktionsgenerator kan leverera olika typer av všxelspšnning pœ utgœngen (OUTPUT) och frekvensen pœ dessa varierar du i steg om hela dekader med en omkopplare (FREQUENCY i figur 4) och med tvœ rattar med en skala frœn 0,003 till 3,0. FrekvensomrŒdet Šr 0,03 Hz till 3 3 MHz. Funktionsgeneratorn kan ge tre olika typer av všxelspšnning, nšmligen fyrkantspšnning, triangelspšnning eller sinusspšnning och du kan všlja mellan dessa med hjšlp av ratten mšrkt WAVEFORM i figur 4. Funktionsgeneratorn slœs pœ med en stršmbrytare PWR (power) och amplituden (styrkan) pœ signalen varieras med en ratt OUTPUT LEVEL. Med ratten kan amplituden varieras inom 5 omrœden 0,10 V till 10 V (peak-to-peak). PŒ samma ratt finns en potentiometer fšr kontinuerlig instšllning frœn 0 till max amplitud. MŠtningar med Oscilloskop sid.6

8 Signalen frœn funktionsgeneratorn tar vi frœn koaxialkontakten mšrkt OUTPUT, 50 W i figur 6. Du skall anvšnda en koaxialledning fšr att leda signalen dit dšr du behšver den. Koaxialkabeln bestœr av en mittledare (signal) och en metallstrumpa (skšrm) som ligger som en cylinder omkring mittledaren. De har alltsœ gemensam axel, dšrav namnet (engelska co-axial). I Šnden av en koaxialkabel har vi en speciell anslutning (BNC kontakt) som ser till att bœde mittledaren och strumpan blir kopplad till koaxialkontakten pœ t.ex. funktionsgeneratorn. En BNC-kontakt anslutes med "bajonettfattning", dvs vi har tvœ styrpinnar pœ kontakten pœ funktionsgeneratorn eller oscilloskopet som mœste styras in i tvœ spœr i BNC kontakten pœ kabeln. Kontakten skjuts in i dessa spœr och den vrids tills den bottnar (ca. ett halvt varv). AnvŠnd inte vœld vid anvšnding av BNC-kontakter! Ofta har vi glšdje av att stšlla in všxelspšnningssignalen pœ en bestšmd amplitud. MŒnga studenter tycker det Šr dumt att det inte finns en skala pœ amplitudknappen. Orsaken Šr att amplituden frœn funktionsgeneratorn kommer att variera kraftigt nšr vi kopplar den till annan utrustning (Šven om instšllningen hœlls konstant). Vi anvšnder dšrfšr vanligtvis ett oscilloskop fšr att stšlla in amplituden sœdan vi vill ha den medan funktionsgeneratorn Šr inkopplad i den kretsen dšr signalen skall anvšndas. Har vi en ren všxelspšnning, varierar denna omkring 0 V, men lšgger vi till en likspšnning kan vi fœ všxelspšnningen till att variera omkring ett annat "genomsnittsvšrde". Med vœra funktionsgeneratorer kan vi uppnœ en blandning av všxelspšnning och likspšnning om knappen mšrkt OFFSET PULL ON drages ut. Vrids knappen (medan den Šr i ytterlšget), kommer du att kunna variera likspšnningen ( "genomsnittsvšrdet") som Šr adderad till všxelspšnningen. r knappen intryckt (det vanliga), Šr det inte nœgon likspšnning adderad till všxelspšnningssignalen. Processen med att lšgga till likspšnning till en všxelspšnning kallar vi fšr att utfšra en "DC fšrskjutning" (pœ engelska: DC OFFSET). Uppgift 1 : Bli bekant med kontrollerna. Som fšrsta punkt i denna švning, vill vi fšrsška att reducera det vi kallar " knappršdslan". Vi vill att du skall utprova de olika kontrollknapparna pœ oscilloskopet. Du kommer att finna att oscilloskopet Šr ett tšmligen robust instrument som du inte klarar att fšrstšra genom att stšlla in knapparna fel. (Genom att anvšnda fšr stor spšnning, t.ex. > 100 V pœ ingœngen, kan du emellertid fšrorsaka skada pœ oscilloskopet!) Signalen du skall titta pœ Šr en všxelspšnningssignal frœn en funktionsgenerator. Koppla funktionsgeneratorn till Ch 1-ingŒngen pœ oscilloskopet. Pass pœ att jord pœ funktionsgeneratorn kopplas till jord pœ oscilloskopet. Funktionsgeneratorn skall stšllas in pœ ca Hz sinus-vœg och amplitudknappen sštts ung. i mitt-lšget. Anslutning fšr Banankontakter Banankontakter Koaxialanslutning Jord Oscilloskop Signal in Koaxialanslutning Figur 7: Exempel pœ en adapter fšr švergœng frœn koaxial anslutning till anslutning med banankontakter. MŠtningar med Oscilloskop sid.7

9 Vi har tvœ typer av oscilloskop, LEADER model 1021 och IWATSU SS5702. Vi har beskrivit kontrollerna pœ LEADER-oscilloskopet. Om du mšter med ett IWATSU-oscilloskop fœr du lokalisera var motsvarande kontroller sitter (manual finns att tillgœ). a) SlŒ pœ huvudstršmbrytaren, sœ att lampan mšrkt POWER bšrjar lysa StŠll in tidbasgeneratorn sœ att du ser en bild av elektronstrœlens ršrelse pœ skšrmen. Justera om nšdvšndigt triggnivœn. Om du inte fœr nœgon bild, justera med knapparna mšrkta POSITION vid varje kanal. b) Justera strœlens intensitet och fokusering med knapparna under bildskšrmen samt skšrmens skalbelysning sœ att du fœr en skarp och inte alltfšr ljusstark bild. c) VŠlj kanalernas display-mode genom att vrida tidbasratten till lšge XY sœ att bœda kanalernas gemensamma strœle visar sig. Justera strœlens intensitet och placera punkten i mitten av bildskšrmen (origo). I detta fall blir det bara en punkt pœ bildskšrmen. Varfšr? OBS! Ett sškert sštt att bršnna sšnder bildskšrmen Šr att dra pœ maximal intensitet pœ strœlen med denna instšllning och dšrefter gœ och dricka kaffe. d) Anslut funktionsgeneratorn och stšll in den fšr att ge sinusvœgor med en frekvens pœ nœgra Hz till Chl(X)-ingŒngen. StŠll in kanalens kšnslighet VOLT/DIV pœ 1 V/cm. ndra amplituden pœ generatorspšnningen och iakttag oscilloskopbilden. e) Flytta funktionsgeneratorns anslutning frœn Ch1- till Ch2-ingŒngen. Studera bilden! f) ka frekvensen till 1 khz. StŠll in tidbasgeneratorn sœ att du ser en bild av sinusspšnningen pœ skšrmen. Justera fšrstšrkningen tills bilden blir lagom stor och horisontallšget sœ att strœlen startar 1 cm in pœ skšrmen. OBS! Har man hšg Y-fšrstŠrkning och kraftig signal, kan det vara svœrt att upptšcka det Šr nœgon signal nšrvarande. Man ser bara svaga vertikala linjer. Prova detta! Anm. En fšrutsšttning fšr att man skall fœ en stadig bild hos ett dubbelstrœleoscilloskop Šr att rštt signal triggar. Kolla triggnivœn och notera vad som hšnder nšr du Šndrar nivœn. Genom att dra i knappen kan man ocks Šndra signalens lutning (SLOPE) vid triggningen. Ibland kan signalen vara besvšrlig att trigga pœ. Man kan dœ vara tvungen att lœta en extern triggsignal styra oscilloskopet. Anslutning sker via en ingœng mšrkt "EXT TRIG" med triggomkopplaren i lšge "EXT". Du skall anvšnda ett oscilloskop och slœr pœ nštspšnningen med huvudstršmbrytaren. Ingen bild uppstœr pœ skšrmen. Kan du ange nœgra anledningar till detta? a Uppgift 2. MŠtning av likspšnning med oscilloskop. Vid kanalingœngarna finns tvœ omkopplare. FšrstŠrkaren jordas om du stšller omkopplaren i lšge GND (eng. ground dvs jord). InstŠllningen DC (Direct Current) innebšr att signalen pœfšres Y-ingŒngen direkt och AC (Alternating Current) att signalen seriekopplas via en kondensator. IngŒngskanalerna CHl och CH2 kallas ofta Yl och Y2. AC koaxialkontakt DC Gnd Y-fšrstŠrkare CH1 eller CH2 Figur 8. OscilloskopingŒngar fšr AC- och DC-fšrstŠrkare MŠtningar med Oscilloskop sid.8

10 a) Jorda fšrst ingœng Ch2 genom att stšlla omkopplaren pœ GND och flytta svepet tills det sammanfaller med den horisontella mittlinjen pœ bildskšrmens rutnšt. Kontrollera ocksœ med fokuseringsratten att Du har en sœ smal horisontell linje som mšjligt. Ta bort jordningen sœ att du kan mšta igen. b) Anslut till oscilloskopets ingœng Ch2 en koaxialkabel med BNC-kontakt i ena Šnden och tvœ bananstift i den andra. Det ena bananstiftet Šr kopplat till kabelns skšrm och via BNC-kontaktens yttre del till oscilloskopets jordkontakt. Vilken potential fœr en punkt i en stršmfšrande krets om denna kontakt kommer i beršring kabelns skšrm? c) Koppla in en likspšnning pœ c:a -1,5 V frœn signalgeneratorn till oscilloskopet. (PŒ signalgeneratorn všljer du lšget DC fšr omkopplaren "WAVEFORM", och dra ut ratten "OFFSET" med vilken du kan stšlla in DC-nivŒn). Svepet flyttas nu nedœt. Studera inverkan av stegomkopplaren mšrkt Volts/cm och ratten fšr den kontinuerliga variationen mellan stegen. Skall Du všlja AC eller DC ingœng? d) SŠtt ratten fšr kontinuerlig fšrstšrkningsvariation i kalibrerat lšge och omkopplaren pœ 0,5 V/cm. Justera likspšnningsgeneratorns amplitud, sœ att Du har exakt +1,5 V enligt utslaget pœ oscilloskopskšrmen, vilket ger:... rutor. Kontrollera med digitala multimetern. Hur stor Šr noggrannheten hos oscilloskopet? SpŠnningen V OSC pœ oscilloskopet Šr ÉÉÉÉ volt och pœ V DMM ÉÉÉÉÉvolt. Noggrannheten i procent blir dœ 100 * (V DMM -V OSC )/V DMM = ÉÉÉÉÉÉÉ % e) Hur gšr Du fšr att oscilloskopet skall fœ en kšnslighet av 1 mv/cm? Ta in en mv-signal (všxelspšnning) och pršva detta. AnvŠnd spšnningsdelare om signalen frœn signalgeneratorn Šr fšr stor. Uppgift 3. FrekvensmŠtning Anslut signalgeneratorn till en av Y-ingŒngarna. StŠll in amplituden pœ nœgra volt och frekvensen pœ 1000 Hz samt justera svepet sœ bilden upptar c:a en period. Obs! Se till att den ratt som reglerar kontinuerlig X-fšrstŠrkning stœr i lšge "calibrated". Annars gšller inte skalfaktorn pœ sveptidsomkopplaren. Frekvensen kan nu enkelt erhœllas genom att mšta upp tiden fšr en period (f = 1/T, vilket ger stšrst noggrannhet om man mšter i nollgenomgœngarna). Alternativt kan man mšta medelperiodtiden fšr flera perioder genom att fšrlšnga sveptiden. a. Hur mœnga skaldelar svarar mot en period?... b. Vilken skalfaktor har sveptidsomkopplaren?... c. Hur lœng blir periodtiden?... d. Hur stor Šr frekvensen?... MŠtningar med Oscilloskop sid.9

11 Fšr att mšta frekvensen noggrannt kan vi koppla in frekvensršknaren. Anslut frekvensršknaren till utgœngen pœ signalgeneratorn (Šndra inte frekvensen) och mšt frekvensen med en upplšsning pœ 0.1 Hz. JŠmfšr med resultatet frœn oscilloskopmštningen. Frekvensen frœn signalgeneratorn med instšllningen 1000 Hz Šr ÉÉÉÉÉÉÉHz Uppgift: Besvara ovanstœende frœgor med signalgeneratorn instšlld pœ 11,5 khz. Svar: a) ÉÉÉÉÉ b) ÉÉÉÉÉ c) ÉÉÉÉÉ d) ÉÉÉÉÉ Uppgift 4: MŠtning av amplitud och effektivvšrde fšr en sinusspšnning AnvŠnd signalen pœ 1000 Hz frœn fšregœende uppgift och anslut en digital multimeter (DMM) parallellt med oscilloskopet. Se till att den ratt som reglerar kontinuerlig Y-fšrstŠrkning stœr i kalibrerat lšge. a) Hur mœnga skaldelar Šr topp-till topp-všrdet? Svar: ÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉ b) Vilken skalfaktor har Y-fšrstŠrkaren? Svar: ÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉ c) Hur stor Šr topp-till topp-spšnningen, Vtt? Svar: ÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉ d) Hur stor Šr spšnningens effektivvšrde, Veff? Svar: ÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉ e) Hur stor Šr spšnningen enligt DMM? Svar: ÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉÉ FasvinkelmŠtning. Om man har tillgœng till ett dubbelstrœleoscilloskop kan man enkelt mšta faslšget mellan tvœ spšnningar genom att koppla dem till var sin Y-kanal och man erhœller en bild enligt Fig. 9. Fasvinkeln erhœlles som: t ϕ = t o t 1 t 2 Figur 9. FasvinkelmŠtning med tvœkanalsoscilloskop. MŠtningar med Oscilloskop sid.10

12 LŒt oss tšnka oss att Du všljer en sveptid sœ att en hel period av signalen upptar 9 rutor. Efter val av lšmplig y-fšrstšrkning skall signalerna justeras till exakt samma nollnivœ. Hur mœnga grader/ruta fœr du dœ pœ skšrmen? Svar:..ÉÉ grader/ruta En stršms faslšge relativt spšnningen kan studeras genom inkoppling av en liten resistans i kretsen och mštning av spšnningen šver resistansen (jfr Ohms lag). Uppgift 5: Fasfšrskjutning mellan stršm och spšnning hos motstœnd kondensator och spole a) Anslut en sinusgenerator med frekvensen 200 Hz till tvœ seriekopplade resistanser. LŒt Y1- signalen svara mot spšnningen šver bœda resistanserna och Y2-signalen motsvarar stršmmen genom den resistans som ligger till jordpotential. I Y2 R 1 1 kω Signalgenerator Y1 R 2 33 Ω U=k * I Trigga pœ Y2-signalen, všlj x-position, svephastighet och amplitud sœ att du ser svepets bšrjan och en helperiod. Markera vad som Šr spšnning och stršm nšr du ritar av oscilloskopbilden. MŠt fasvinkeln noggrant genom att lœta stršmkurvans periodtid vara 9 rutor. b) Byt ut Rl mot en kondensator Cl = 1 µf och rita av den nya bilden med fasfšrskjutningen mellan stršm och spšnning i en kapacitiv krets. c) Byt ut Cl mot en spole L1 500 mh och rita av bilden fšr en induktiv krets. Spolen finns monterad pœ en kopplingsplatta pœ laboratoriet. PŒ plattan finns tvœ spolar. Observera att den ena spolen Šr seriekopplad med en resistans. Gnd Figur 9. Signalgenerator med seriekopplade resistanser tid tid tid Resistans Kapacitans Induktans Figur 10. Fasfšrskjutning mellan stršm och spšnning hos R, C och L MŠtningar med Oscilloskop sid.11

13 Slutsatser: Fšr en resistans ligger spšnning och stršm i fas, dvs har sina toppvšrden och nollgenomgœngar samtidigt. Hos kondensatorn ligger spšnningen ÉÉ grader fšre/efter stršmmen. Hos spolen ligger spšnningen ÉÉ grader fšre/efter stršmmen. (Stryk det ej tillšmpliga samt mšt i grader.) FrekvensmŠtning med Lissajoufigurer. Om man matar in en sinusformad signal pœ bœde x- och y-ingœngarna kan vi fœ nedanstœende situation (Fig. 11). Konstruera bilden grafiskt. Du kan senare kontrollera resultatet pœ oscilloskopet. Y X Tid Tid Figur 11. Lissajoufigurer ger en mšjlighet till frekvensjšmfšrelser. Anslutes en sinusformad signal med okšnd frekvens till y-fšrstšrkarens ingœng och en sinusformad signal med varierbar och avlšsbar frekvens till x-fšrstšrkarens sœ Šr frekvenserna lika dœ en ellips uppstœr pœ skšrmen. Likheten gšller oberoende av ellipsens form. Antar man att signalen i x-led har dubbelt sœ hšg frekvens som den i y-led uppkommer bilden i figur 12. AllmŠnt gšller att dœ y- och x-plattorna matas med sinusformade spšnningar med olika frekvenser, erhœller man sk. Lissajous figurer. FšrhŒllandet mellan vertikala och horisontella spšnningarnas frekvenser, fy resp. fx fœr man genom att bestšmma antalet skšrningspunkter med en horisontell linje, n h, och antalet skšrningspunkter med en vertikal linje, n v. MŠtningar med Oscilloskop sid.12

14 f Vi har sambandet: h Se vidare exempel i figur 13! f y x n = n v fy fx Figur 12. Uppgift 6. Lissajoufigurer SŠtt omkopplaren fšr tidssvepet i lšge XY. Koppla in spšnningen frœn en sinusgenerator pœ oscilloskopets y-axel och signalen frœn en annan sinusgenerator pœ x-axeln. SŠtt in en fix frekvens av fy = 50 Hz i y-led och variera frekvensen i x-led. Leta upp enkla figurer kring fšljande všrden pœ fx: 50, 75, 100 och 150 Hz och fšrsšk fœ dem att stœ stilla pœ bildskšrmen. Kan du verifiera bilderna i figur 13? NŒgra frœgor: Vad Šr skillnaden mellan avlšnkningsprincipen fšr ett oscilloskop resp. fšr ett TV-ršr? Ett tvœstrœleoscilloskop kan vara alternerande, chopprat eller Škta tvœstrœle. Beskriv skillnaderna. Vad Šr skillnaden mellan XY-koppling av ett oscilloskop och "normal" koppling? Vad kan man mšta med ett oscilloskop, dšr ingœngsvšljaren stœr pœ DC? Hur gšr man fšr att med oscilloskopet mšta skillnaden (differensen) mellan tvœ spšnningar? MŠtningar med Oscilloskop sid.13

15 Lissajoufigurer fy fx fasvinkel 0 o 45 o 90 o 135 o 180 o Lissajoufigurer med olika frekvens och fasvinkel Figur 13. Exempel pœ Lissajous-figurer fšr nœgra olika frekvenskvoter och olika faslšgen. MŠtningar med Oscilloskop sid.14

16 FasvinkelmŠtning med Lissajoufigurer Antag att vi har tvœ sinussignaler med samma frekvens men olika fasvinkel. Vi har ett XYkopplat oscilloskop dšr de olika signalerna ansluts till x- och y-fšrstšrkaren. PŒ skšrmen kommer vi dœ att se fšljande figur: Vi har fšljande signaler: Vx = Vx0 sin( wt) V = V sin( wt + j) y y0 VŠrdet B i figuren svarar mot det maximala utslaget av V y, d.v.s V y0 = B. VŠrdet A i figuren mœste vara všrdet pœ V y dœ V x = 0, vilket intršffar dœ wt = 0. DŒ gšller: V y = A = V y0.sin(j) A B OvanstŒende kan sammanfattas som : Praktisk brukar man mšta 2A och 2B. Uppgift 7. sin( j ) = A B Figur 14. Lissajoufigur MŠt fasvridningen hos kopplingen i uppg. 5 med hjšlp av Lissajoufigurer och jšmfšr resultaten. Oscilloskopproben Du har tidigare sett hur ett instrument kan pœverka en krets sœ att mštdata blir felaktiga. Ett exempel Šr dœ vi i figur 15 skall mšta spšnningen mellan tvœ motstœnd i punkten A. Vi ser lštt att spšnningen Va bšr vara 5 volt, men om vi mšter med ett instrument med inre resistansen Ri = 1 MW, kommer vi att mšta 2,5 volt - varfšr? +10 volt +10 volt 2 MW 2 MW A V A A V A R = 9 MW V B 2 MW 2 MW V Ri = 1MW Fig. 15 Fig. 16 Ett sštt att minska belastningen Šr att koppla in ett motstœnd i serie med mštinstrumentet enligt figur 16. Vi kan ta ett motstœnd som Šr 9 ggr stšrre Šn Ri av skšl som snart skall framgœ. Den sammanlagda resistansen fšr mštanordningen blir dœ 10 MW och VA kommer bara att sjunka till 4,55 volt nšr detta ansluts. MŠtningar med Oscilloskop sid.15

17 Men instrumentet kommer naturligtvis inte att visa VA lšngre, utan VB. SpŠnningsdelarformeln ger omedelbart att VB = VA/10. Det var fšr att fœ detta enkla samband som vi satte seriemotstœndet 9 ggr stšrre Šn Ri. Vi har med seriemotstœndet fœtt en hšgre inre resistans hos mštanordningen, vilket ger en mindre belastning pœ mštobjektet. Samtidigt har vi fšrlorat i kšnslighet. Om VA Šr en mycket liten spšnning kanske det inte alls gœr att mšta med R inkopplad. Om det inte Šr likspšnning som skall mštas upptršder en ny komplikation. Instrumentet (med dithšrande sladdar) har Šven en kapacitans Ci - ošnskad men oundviklig. Se fig 17. Detta innebšr att spšnningsdelningen med R blir frekvensberoende. SŒledes gšller delningsfaktorn 10 bara vid likstršm. Vad den annars blir kan man inte veta om man inte vet Ci, och det gšr man sšllan. Ci:s inverkan pœ signalen kan gšra att den distorderas. Om man t.ex mšter pœ en fyrkantvœg kommer signalen UB att beskriva kurvan fšr upp- och urladdning av en kondensator enligt figur 16. R C i Ri Fig. 17 Fig. 18 Lyckligtvis finns det botemedel. Om man kopplar in en exakt rštt avpassad kondensator C parallellt med R neutraliseras felaktigheterna. NŠr du behšrskar jw-metoden kan du visa att spšnningsdelningen blir frekvensoberoende nšr RC = RiCi (alltsœ C = Ci/9). Kombinationen R och C finns som tillbehšr till oscilloskopet och kallas 'probe' som vi nu skall studera nšrmare. Oscilloskopets inimpedans pœ Y-fšrstŠrkarna kan beskrivas som ett motstœnd R» l MW parallellt med C» pf. MŠtsladden som Šr en koaxialkabel brukar ha en kapaitans av ca. 100 pf/m. Fšr att ška ingœngsimpedansen eller eliminera inverkan hos mštsladden anvšnder man sig av en oscilloskopprobe. Probens kopplingsschema framgœr av figur 20 nedan. Fšr att fœ ett korrekt Œtergivande av t.ex. en puls mœste trimkondensatorn i proben justeras. En speciell kalibreringsspšnning fšr detta ŠndamŒl finns vanligtvis tillgšnglig pœ oscilloskopet. Main Body Hook Cover Rectractable Hook Tip BNC-contact Ground clip Capacitance connection trimmer Figur 19. Oscilloskopprobe MŠtningar med Oscilloskop sid.16

18 Probespets C p R p oscilloskopingœng koaxialkabel med kapacitans C k Ri C i Passiv probe med 10x dšmpning Figur 20. Proben belastad med koaxialkabel och oscilloskopingœng. MŠtning med och kalibrering av oscilloskopproben Genom att anvšnda oscilloskopprobe kan vi fœ hšg ingœngsresistans till oscilloskopet. Vi kan minska belastningen pœ mštobjektet och undvika vissa stšrningar. Den passiva proben ger dock minskad kšnslighet. En fšrutsšttning fšr ett bra mštresultat Šr att proben Šr rštt intrimmad. Nedan fšljer en sammanfattning av probens egenskaper. Vin Rp C p Fšr att spšnningsdelningen hos proben skall vara frekvensoberoende gšller: ( ) RC = R C+ C p p i i k R i Ci + C k Vut Om vi všljer Rp = 9 Ri, erhœlles en spšnningsdelning pœ 1:10. Figur 21. Skiss av oscilloskopproben som spšnningsdelare. Uppgift 8. Kalibrering av proben. Vi skall kalibrera proben sœ att den blir frekvensoberoende. PŒ oscilloskopet finns en utgœng med en testsignal med en kalibrerad fyrkantspšnning. Sšk rštt pœ anslutningen, koppla in proben och stšll in oscilloskopet sœ att du fœr en stadig bild. Justera proben sœ att fyrkantspšnningen fœr rštt utseende. Hur ser signalen ut om probens trimbara kapacitans Cp Šr fšr liten resp. fšr stor? Fyll i diagrammen nedan. Fšr litet Cp RŠtt trimmad probe Fšr stort Cp MŠtningar med Oscilloskop sid.17

19 Uppgift 9. MŠtning av fasvinkel med probe. Vi skall mšta fasfšrskjutningen fšr en RC-krets pœ tvœ sštt - med probe och utan probe. DŠrefter skall vi jšmfšra resultatet med den teoretiskt beršknade fasvinkeln. Som RC-krets skall vi anvšnda en kopplingsdosa med ett motstœnd och en kondensator som t handahœlles av labassistenten. MŠt fšrst upp R och C och anvšnd dessa všrden vid de teoretiska berškningarna. R = ÉÉÉÉÉÉÉÉ C = ÉÉÉÉÉÉÉÉ Kopplingen bildar ett lœgpassfilter. Vad blir den beršknade brytfrekvensen och hur stor Šr fasvridningen vid brytfrekvensen? Filtrets brytfrekvens f 0 Šr ÉÉÉÉÉÉÉÉ Hz dšr fasvridningen Šr ÉÉÉÉÉ grader Koppla upp en RC-kretsen enligt figur 20. CH2=Y R Signalgenerator CH1=X C Gnd Figur 22. MŠt fasvridningen vid nœgra olika frekvenser och fyll i tabellen: Frekvens Med Probe Utan Probe BerŠknat 100 Hz 1 khz 5 khz f 0 MŠtningar med Oscilloskop sid.18

20 vning. MŠtning av fasvinkel fšr en RC-krets med och utan probe. Problem Vi skall mšta fasvinkeln mellan Uc och U hos RC-kretsen i figuren. LŒt R = 750 kω och C = 500 pf. Vi mšter vid frekvensen 100 Hz U R C Uc a) BerŠkna fasvinkeln med hjšlp av formeln fšr fasvinkeln tg f = -wrc. HŠrled uttrycket med hjšlp av visardiagram. b) Om vi fšrsšker mšta pœ kretsen utan probe, kommer kretsen att fšršndras pœ grund av mštsladden och oscilloskopet belastar utgœngen pœ RC-filtret. Antag att vi mšter med en koaxialkabel pœ 1 m med kapacitansen 100 pf. Oscilloskopet belastar med R = 1MW parallellt med C = 28 pf. Vi fœr nu fšljande ekvivalenta krets. R Uc = Uosc U C Ck Rs Cs kabel oscilloskop BerŠkna fasvinkeln mštt med oscilloskopet utan probe. c) Om vi mšter med probe kommer kretsen att fœ fšljande utseende. R U C Rp Cp probe Uosc Rs Cs oscilloskop BerŠkna fasvinkeln med probe. Fšr rštt instšlld probe gšller: Rs Cs = Rp Cp. Probens dšmpning Šr 1:10, vilket ger Rp = 9 Rs. Svar: f teoretiskt (utan belastning) = grader f (utan probe) = grader f (med probe) = grader MŠtningar med Oscilloskop sid.19