Institutionen för fysik, Umeå universitet Robert Röding 2004-06-17 OSCILLOSKOPET Syftet med laborationen Syftet med denna laboration är att du ska få lära dig principerna för hur ett oscilloskop fungerar, samt att få viss erfarenhet av att hantera både ett oscilloskop och en funktionsgenerator. Mål Målsättningen är att du efter genomförd laboration ska kunna Ställa in oscilloskopet för bestämning av frekvens, amplitud och fasförskjutning. Ta fram olika sorters AC-signaler med en signalgenerator. Använda oscilloskopet vid praktiska tillämpningar. Utrustning Oscilloskop Hitachi V-212. Signalgenerator GFG-8016. Högtalare och mikrofon Optisk bänk med hållare
Teori Oscilloskopet är ett mätinstrument som mäter den elektriska potentialen som en funktion av tiden. Principen är i stort att man med en elektronstråle beskjuter en fluorescerande skärm. Elektronstrålen styrs horisontellt över bildskärmen med hjälp av ett tidsvarierande elektriskt fält. Detta fält genereras av en inbyggd oscillator. När fältstyrkan mellan avlänkningsplattorna är 0 V/m träffar elektronerna skärmens mittpunkt (fig.1). Figur 1. Katodståleröret sett uppifrån, den streckade linjen är elektronernas bana. Om fältstyrkan mellan plattorna ökar avlänkas elektronstrålen (fig.2). Figur 2. Elektronstrålen böjs av i ett elektriskt fält. Fältstyrkan ökar tills elektronstrålen träffar kanten på skärmen, varpå det elektriska fältet snabbt vänder och elektronerna träffar den andra sidan av skärmen.
Om oscillatorn genererar en potential mellan plattorna med utseendet av en sågtandskurva kommer elektronstrålen att svepa över skärmen med en frekvens lika med sågtandskurvans. Figur 3. Sågtandkurva Frekvensen på svepet/sågtandskurvan går att justera på oscilloskopet. Den horisontella hastigheten som elektronstrålen har uttrycks i sekund/ruta, där man med ruta avser rutnätsmönstrets indelning. När man väl har elektronstrålen svepande över skärmen kan man ansluta den potential som man vill betrakta till oscilloskopets mätsladdar. Mätpotentialen benämns vanligen med signal. Signalen dämpas först i oscilloskopets mätprob (vanligen 10 gångers dämpning), varpå den förstärks inuti oscilloskopet och ansluts till två vertikala plattor. Mellan dessa plattor uppstår ett elektriskt fält som avlänkar elektronstrålen i vertikal led. Antag att vi har en signal med följande utseende: Figur 4. Sinussignal Vid en viss tidpunkt t ansluter vi signalen till oscilloskopet. Vid denna tidpunkt befinner sig elektronstrålen vid skärmens vänstra kant. När tiden sedan går kommer elektronstrålen dels att svepa över skärmen p.g.a. tidssvepet (sågtandskurvan), dels att avlänkas i y-led beroende på signalens potential.
Figur 5. Signalen och hur den syns på skärmen efter t. När skärmen tar slut återvänder strålen till vänstra kanten. Nu måste strålen invänta att signalen får samma potential och samma tecken på derivatan innan strålen tar nästa svep. I annat fall skulle bilden av signalen se ut att rulla. Figur 6. Skillnaden mellan triggad och ej triggad signal. Detta villkor för omstart kallas triggning. Resonemanget leder till att man med fördel betraktar periodiska signaler i ett oscilloskop.
Tvåkanalsoscilloskop Dagens oscilloskop har vanligen två kanaler. Det betyder att man kan mäta på två signaler samtidigt. I denna laboration kommer du att bekanta dig med ett tvåkanalsoscilloskop, Hitachi V-212. En beskrivning av detta oscilloskop finner du i bilagan till denna laboration. I bilagan finns även kortfattade beskrivningar av hur rattar, omkopplare o dyl. fungerar. Vid behov kan du alltid konsultera de manualer som hör till varje instrument. Några förkortningar som du träffar på i manualerna är så vanliga att de kanske just därför sällan förklaras, men för dig kanske detta är första gången du ser dem. Därför denna lilla hjälplista: CRT AC DC GND MAG CW CCW Cathode Ray Tube = katodstrålerör Alternating Current = växelström Direct Current = likström Ground = jord (potential) Magnification = Förstoring; förstärkning däremot heter GAIN Clockwise = medurs Counter-clockwise = moturs
Några övningar med oscilloskopet Du ska nu börja med att ställa in en grundinställning på oscilloskopet. Slå igång oscilloskopet med POWER (1). Siffrorna inom parentes hänvisar till numret i manualen som finns som bilaga till laborationen. Välj att bara visa kanal ett genom att ställa in ratten MODE (18) på CH1. Ställ switchen INT TRIG (26) på CH1, triggningen kommer nu ske på kanal ett. Kontrollera sedan att Trigger MODE (29) är inställd på AUTO och Trigger SOURCE (25) på INT. Elektronstrålen bör nu svepa över skärmen från vänster till höger och syns förmodligen som ett streck över skärmen. Om ingenting syns, prova att vrida på positionsratten för kanal 1 (16). Fokuseringen och intensiteten kan justeras med hjälp av rattarna FOCUS (3) och INTENSITY (5). Man bör ej använda högre intensitet än nödvändigt för att undvika skador på skärmen. Fokusera strålen så skarpt som möjligt. Ställ sedan switchen AC-GND-DC för kanal 1 (10) i läge GND. Justera tidssvepet TIME/DIV (22) till 1 ms. Minska därefter svephastigheten med TIME/DIV stegvis ner till.1 s. Du ska nu ha en punkt som sveper fram över skärmen med låg hastighet från vänster till höger. Vad händer med punkten om du ändrar intensiteten?.. Hur lång tid tar det för punkten att svepa över skärmen? Vad står.1 s för här?.... Välj att visa båda kanalerna genom att ställa ratten MODE (18) på CHOP och TIME/DIV på 1 ms. Placera sedan kanal 1 mitt på övre halvan av skärmen och kanal 2 mitt på den undre med hjälp av positionsinställningsrattarna (16) och (17). Som tidigare sagts kan man med ett 2-kanals oscilloskop studera två förlopp samtidigt. Eftersom man endast har en elektronkanon måste elektronstrålen växelvis disponeras av respektive kanal. Detta kan ske på två sätt. Antingen låter man strålen först skriva ut hela förloppet för en kanal och därefter hela förloppet för den andra kanalen (alternerande svep) eller också låter man svepet växelvis skriva ut små bitar av respektive förlopp (chopprat eller upphackat svep). Växla mellan MODE (18) = CHOP och ALT och undersök om du kan se någon skillnad på skärmen. Ändra sedan TIME/DIV till.1 s och jämför ALT och CHOP. Förklara vad du ser...... Varför ser man inte att elektronstrålen hoppar mellan kanalerna i CHOP-läget? Om man kopplar in en signal till oscilloskopet kommer denna signal att avböja strålen i vertikal led samtidigt som tidssvepet avböjer den i horisontell led från vänster till höger. Detta ger oss då en bild av signalens kurvform.
På de flesta oscilloskop gäller att man själv kan välja dels var triggnivån ska ligga och dels om triggningen ska ske på signalens uppåtgående eller nedåtgående del. Ratten LEVEL (28) används för att ställa in nivån, den kan dras ut för att trigga på negativ lutning. Normalt får man en säkrare triggning på en stor än på en liten signal och därför brukar man kunna välja om triggning ska ske på signalen från kanal 1 eller kanal 2. Valet sker med omkopplaren INT TRIG (26). På oscilloskopets panel har man tillgång till en kalibrerings-signal ( CAL (31)) Koppla in denna signal till kanal 1 och låt kanal 2 vara bortkopplad. Vad händer om man växlar omkopplaren (10) mellan AC och DC? Förklara!.. Gradera axlarna i figuren på lämpligt sätt och rita in de båda bilderna (AC och DC). Använd lämpligen två olika färger för att kunna skilja dem åt. Vilken frekvens har kalibrerings-signalen?.
Funktionsgenerator En funktionsgenerator (syn. signalgenerator) används för att generera olika sorters växelspänningar. Funktionsgeneratorn GW, modell GFG-8016G, kan leverera sinusspänning, kantspänning eller triangelspänning med variabel frekvens och amplitud / pulshöjd. Frekvensen ställs normalt in med ett antal frekvensknappar och en frekvensratt. En kontinuerlig dämpning av amplituden med max 20 db (decibel) eller max 40 db görs enkelt genom att vrida amplitudratten. I det senare fallet skall denna vara utdragen. Detta innebär att utsignalens amplitud dämpas med en faktor 10 resp. 100, och kan enkelt visas matematiskt, eftersom dämpningen (i db) ges av β = 20 log (A 2 / A 1 ), där A 2 och A 1 är amplituderna. En annan viktig funktion hos funktionsgeneratorn är frekvensmätning. Bästa sättet att bekanta sig med funktionsgeneratorn är att koppla in ett oscilloskop och sedan prova sig fram till vilken funktion de olika knapparna och rattarna har. Gör detta med sinus-, kant och triangelspänningar och variera deras frekvens. Det finns en rad med knappar där frekvensområdet kan ställas in, mitten på frekvensskalan blir den frekvens vars knapp är intryckt. Obs! När man mäter en spänning så är det potentialskillnaden mella två punkter som man mäter. Vid mätningar med oscilloskop är det lätt gjort att glömma detta eftersom oscilloskopet är jordat via nätkabeln och de flesta mätsignaler är relaterade till jord på ett eller annat sätt. En oscilloskopmätning kan alltså fungera bra trots att man skenbart endast kopplar in en enda mätkabel. Testa gärna! Gå sedan vidare till nedanstående uppgifter. Ställ in oscilloskopet på följande sätt: MODE = CH1, TIME/DIV = 20 µs, VOLTS/DIV = 0.2 V, CH1 i läge DC. Ställ in svepet mitt på skärmen. Ställ in övriga funktioner på lämpligt sätt. Koppla signalen från funktionsgeneratorns utgång (OUTPUT) till kanal 1 på oscilloskopet. Flytta bilden på skärmen åt höger så att du ser bildens början. Ställ in generatorn så att du får följande sex bilder på oscilloskopskärmen.
Ställ nu in sinusgeneratorn så att du får amplituden 3 V och frekvensen 1 khz. Amplituden mäts med oscilloskopet. Mät signalperioden med oscilloskopet och ange dess värde. Stämmer det med inställningen på sinusgeneratorn?...... Mät signalspänningen med en voltmeter i läge AC. Vad visar voltmetern? Jämför med den nyss gjorda oscilloskopmätningen och förklara sambanden....... Ta fram samma signal (typ och frekvens) som oscilloskopets kalibrerings-signal ger. (tips: trigga oscilloskopet med signalen från kalibreringssignalen)
Praktisk tillämpning: Bestämning av ljudhastigheten i luft Oscilloskopet är ett mycket användbart och kraftfullt mätinstrument närhelst man vill studera tidsberoende signaler, i den här avslutande delen av laborationen ska ljudhastigheten i luft bestämmas med ett kort experiment. Till förfogande finns högtalare, mikrofon, linjal samt en optisk bänk med hållare. Börja med att fästa högtalaren på den optiska bänken. Skruva sedan ner amplituden till minimum på signalgeneratorn och välj sinussignal. Anslut utsignalen från signalgeneratorn till högtalaren samt kanal 1 på oscilloskopet. Placera nu mikrofonen framför högtalaren och i samma höjd, anslut den till kanal 2 på oscilloskopet. Ställ in maximal känslighet för kanal 2 (5mV/ruta) och skjut mikrofonen så nära högtalaren som möjligt, ställ in oscilloskopet så man kan se båda signalerna och trigga. Vilken kanal är lämpligast att trigga på?... Ställ in den frekvens på signalgeneratorn som ger den största utsignalen från mikrofonen. Skjut nu mikrofonen bort från högtalaren och iakttag samtidigt signalerna på oscilloskopet. Förklara vad som händer...... Fundera ut hur man kan bestämma ljudets hastighet om man flyttar mikrofonen en viss sträcka. Den beräknade ljudhastigheten:... Extrauppgift Ställ in funktionsgeneratorn så den ger en kantspänning, bestäm sedan ljudhastigheten utan att förflytta mikrofonen. Den beräknade ljudhastigheten:...
Bilaga Sid 1
Bilaga Sid 2
Bilaga Sid 3
Bilaga Sid 4