Studiul si utilizarea osciloscopului catodic

STUDIUL SI UTILIZAREA OSCILOSCOPULUI CATODIC

Lucrarea are drept scop insusirea de catre studenti a manevrarii si utilizarii corecte a osciloscopului catodic, precum si a modalitatilor lui de folosire in anumite metode de masurare si testare care au la baza acest aparat modern de masurat.

Osciloscopul catodic este un aparat electronic destinat vizualizarii si masurarii tensiunilor electrice si marimilor fizice care se pot transforma in tensiuni electrice variabile in timp, in general cu caracter periodic. Tensiunea electrica a semnalului de intrare este vizualizata pe ecranul unui tub catodic prin devierea convenabila a unui fascicol de electroni emis de catodul tubului, obtinindu‑se astfel o reprezentare bidimensionala (tensiune‑timp).

Datorita calitatilor sale ca: lipsa de inertie a fascicolului de electroni permitind studierea semnalelor de frecventa foarte mare, pina la ordinul sutelor de MHz, consumul de energie extrem de redus pe seama circuitului supus masurarii, datorita impedantelor de intrare considerabile, de ordinul MΩ sau zecilor de MΩ, precum si sensibilitatea ridicata, osciloscopul catodic este larg utilizat in diverse scopuri, fiind de neinlocuit in altele, avind largi aplicatii in industrie, cercetare, proiectare, depanare de echipamente, medicina (in componenta unor aparate specializate) etc.

Osciloscoapele moderne sint diversificate si ofera posibilitati multiple in ceea ce priveste numarul de semnale care pot fi vizualizate simultan, frecventa acestora, persistenta imaginii, dilatarea imaginii pe anumite portiuni care prezinta interes pentru utilizator, decalarea imaginilor, analiza dependentei dintre doua semnale temporale, trasarea unor curbe caracteristice, analiza spectrala, masurarea unor parametri specifici marimilor variabile in timp (valori de virf, valori efective, perioada, frecventa) etc.

In acest sens, principalele tipuri de osciloscoape se pot clasifica dupa cum urmeaza:

‑ cu unul sau mai multe canale;

‑ de joasa frecventa (pina la 10 MHz) sau de inalta frecventa;

cu functionare in timp real sau cu timp translatat (cu esantionare);

‑ cu persistenta redusa a imaginii (< 2 ms), medie ( 2 ms < 2 s), mare ( 2 s) sau cu memorie;

‑ cu una sau mai multe baze de timp;

‑ de uz general (universale) sau specializate (caracterio-grafe, analizoare de spectru, monitoare medicale etc).

Ulterior, functiile de baza ale osciloscopului au fost completate cu functii noi, ce au la baza tehnologiile din domeniul electronicii digitale, care permit sporirea preciziei masurarilor si analiza digitala a tensiunilor masurate, prezentarea rezultatelor sub forma numerica pe panoul frontal, cu ajutorul unor celule de afisare specializate sau chiar pe ecranul osciloscopului, precum si posibilitati de transmitere la distanta a datelor, codificate numeric, in vederea stocarii si prelucrarii pe un calculator de uz general sau specializat.

In lucrarea de fata se va studia osciloscopul catodic universal, de joasa frecventa, cu persistenta redusa, in variantele cu un canal si cu doua canale. Acesta este cel mai simplu tip de osciloscop, a carui studiere prezinta o deosebita importanta deoarece se obtin informatii si deprinderi necesare folosirii si altor tipuri de osciloscoape, mai complicate din punct de vedere structural si functional.

A. OSCILOSCOPUL CATODIC CU UN CANAL

I. Principiul lucrarii

Principiul de functionare al osciloscopului catodic consta in devierea fluxului de electroni, pe doua directii perpendiculare una pe cealalta, astfel:

‑ pe axa Ox (axa timpului) devierea se face cu o tensiune liniar variabila in timp, simulind astfel trecerea uniforma a timpului;

‑ pe axa Oy cu o tensiune care reproduce tensiunea de intrare, inmultita cu un factor de proportionalitate variabil, aflat la alegerea utilizatorului prin comutatorul de deviatie pe verticala.

Durata baleierii de la stinga la dreapta a ecranului este impusa de utilizator, pe baza reglajelor de care dispune (coeficientii de baleiaj pe orizontala), osciloscopul fiind astfel construit incit imaginile succesive aparute pe ecran sa se suprapuna perfect, dind astfel impresia unei reproduceri statice a tensiunii periodice care se vizualizeaza.

Schema functionala a unui osciloscop de uz general, monocanal, de joasa frecventa este prezentata in fig.3.1 (schema corespunde osciloscopului tip E-0102, fabricatie I.E.M.I.).

Elementul principal al osciloscopului este tubul catodic TC, care este un tub electronic cu vid inaintat si care consta din:

‑ un catod C care emite electroni;

‑ un sistem de accelerare AC, focalizare F si astigmatism A;

‑ o grila G de comanda a intensitatii spotului;

‑ un sistem de deflexie pe orizontala XX;

‑ un sistem de deflexie pe verticala YY;

‑ un anod de postaccelerare PA;

‑ o bobina de rotire trasa pentru asigurarea orizontalitatii;

‑ un ecran fluorescent E pe care apare un punct luminos de culoare verde in locul de incidenta a fascicolului de electroni.

Fig.3.1.

Semnificatiile si functiunile realizate de celelalte blocuri componente ale osciloscopului sint urmatoarele:

CI ‑ este circuitul de intrare cu rol de atenuare si totodata asigura o impedanta mare de intrare (prin folosirea unui tranzistor cu efect de cimp), la bornele caruia se aplica semnalul de studiat; semnalul se poate aplica fie direct, fie prin intermediul unui condensator pentru eliminarea componentei continue, in functie de pozitia comutatorului K₁; de asemenea, o a treia pozitie a comutatorului glisant K₁ permite punerea intrarii osciloscopului la masa, asigurindu‑se in acest fel pozitionarea spotului pe ecranul tubului catodic in absenta semnalului de intrare;

PV ‑ este preamplificatorul pentru deflexia pe verticala care asigura o amplificare simetrica a semnalului;

AV ‑ este amplificatorul de deflexie pe verticala, avind, ca si preamplificatorul, o banda larga de frecvente (0 10 MHz), asigurind un nivel corespunzator pentru semnal astfel incit sa se obtina o buna sensibilitate;

AS ‑ este un amplificator simetric de sincronizare cu rolul de a asigura un nivel corespunzator al semnalului care comanda circuitul formator CF; are in compunere un etaj diferential a carui referinta poate fi modificata din exterior, asigurindu‑se astfel nivelul de basculare a circuitului formator CF in functie de amplitudinea semnalului de intrare, precum si in functie de polaritatea frontului pe care se face sincronizarea;

CF ‑ este un circuit formator de semnal care genereaza semnale dreptunghiulare de frecventa semnalului de studiat;

CP ‑ este circuitul poarta care asigura semnalul necesar circuitului de stingere a spotului CSS precum si sincronizarea bazei de timp cu frecventa semnalului de studiat;

GTLV ‑ este blocul generator de tensiune liniar variabila care, aplicata prin intermediul amplificatorului de deflexie pe orizontala placilor XX, creaza baza de timp; tensiunea bazei de timp este de forma unor dinti de fierastrau asigurind periodicitatea imaginii de pe ecran;

CR ‑ este circuitul de retinere care asigura limitarea valorii maxime a tensiunii liniar variabile corespunzator pozitiei spotului la extremitatea din dreapta a ecranului si apoi revenirea pe pozitia din stinga a acestuia. Pe pozitia autosincronizare CR asigura functionarea in absenta semnalului de intrare, in acest caz aparind pe ecran o linie continua (situatie intilnita in cazul sincronizarii automate);

CSA ‑ este circuitul de sincronizare automata care asigura stabilitatea imaginii pe ecran prin generarea unei tensiuni de forma dreptunghiulara de aceeasi frecventa cu frecventa semnalului de intrare, obligind baza de timp sa lucreze in regim fortat, adica pe o frecventa egala sau multiplu al frecventei semnalului de intrare; blocurile AS, CF, CP, CSA, GTLV alcatuiesc blocul de generare si sincronizare ale bazei de timp (BGSBT) si, de obicei, in schemele de principiu ale osciloscoapelor sint prezentate sub denumirea generala de baza de timp; in functie de pozitia comutatorului K₂ baza de timp poate lucra in regim declansat sau automat, cu sincronizare interioara sau exterioara, cele patru regimuri de lucru fiind alese in functie de tipul aplicatiei;

AO ‑ este amplificatorul semnalului pentru placile de deflexie pe orizontala, avind rolul de a asigura o buna sensibilitate a bazei de timp; de asemenea, prin intermediul comutatorului K₃, baza de timp poate fi scoasa din functiune aplicindu‑se placilor de deflexie pe orizontala semnale externe (independente de cele aplicate placilor de deflexie pe verticala).

Blocul de alimentare BA este alcatuit din urmatoarele subansamble:

TR ‑ transformatorul de retea care coboara tensiunea de 220 V la aproximativ 24 V c.a. necesara blocului de redresare BR;

BR ‑ blocul redresor care da la iesire o tensiune continua, filtrata dar nestabilizata de 24 V c.c.;

BS ‑ blocul stabilizator care asigura la iesire o tensiune stabilizata de 20 V;

BCT ‑ blocul convertor de tensiune care, primind la intrare o tensiune continua si stabilizata de 20 V, asigura tensiunile de polarizare ale circuitelor electronice precum si inalta tensiune pentru alimentarea tubului catodic;

CCA ‑ este un circuit astabil care oscileaza pe frecventa de 1kHz, denumit si calibrator, avind rolul de a asigura impulsuri dreptunghiulare de amplitudine riguros constanta (80 mV si 800 mV) necesare calibrarii circuitelor care asigura deflexia pe verticala precum si corectiei frecventei bazei de timp.

Cu comutatorul K₅ se poate asigura alimentarea fie de la retea, fie de la o baterie de acumulatoare atunci cind necesitatile de utilizare o impun.

Cu ajutorul osciloscopului catodic cu un singur canal pot fi efectuate o serie de masurari cu caracter general sau specific. Astfel, prin utilizarea calibrarilor interne se pot masura amplitudini si frecvente pentru semnale periodice cu eroare maxima de cca. 3 %, iar cu ajutorul unor calibratoare externe de referinta se poate mari precizia determinarilor prin utilizarea unor metode de comparatie.

In afara utilizarilor curente sint o serie de aplicatii specifice in care folosirea osciloscopului catodic permite obtinerea unor rezultate rapide si precise. Dintre acestea, in cadrul lucrarii de laborator, se vor studia cele mai reprezentative intilnite in practica masurarilor.

II. Aplicatii specifice ale osciloscopului catodic cu un canal

2.1. Masurarea frecventei prin metoda figurilor Lissajous

Metoda se utilizeaza in scopul determinarii cu precizie a unei frecvente necunoscute atunci cind se dispune de un generator sinusoidal etalon de frecventa variabila. Semnalul de frecventa necunoscuta se aplica pe una din perechile de placi ale osciloscopului (fig.3.2), iar pe cealalta se aplica semnalul de referinta (cu parametrii riguros cunoscuti). Daca cele doua frecvente se afla intr‑un raport exprimabil prin numere intregi, pe ecranul osciloscopului se obtine o curba inchisa cunoscuta sub numele de figura Lissajous. Pentru demonstratie se considera raportul celor doua frecvente ca fiind m/n, astfel ca perioadele celor doua semnale vor fi:

T₁ = mT si T₂ = nT; T ‑ perioada de referinta (oarecare).

La momentul t₀ spotul va avea coordonatele:

(1)

Fig.3.2.

La momentele t_k = t₀ + mT₂ = t₀ + nT₁ = t₀ + kmnT curba va trece tot prin punctul de coordonate x₀, y₀, deci cind raportul m/n este un numar rational spotul descrie o curba inchisa, avind o miscare periodica, de perioada

T₀ = mT₂ = nT₁ = mnT(2)

Pentru determinarea raportului celor doua frecvente se procedeaza in felul urmator: printr‑un punct A din interiorul domeniului delimitat de figura se duce o dreapta orizontala si una verticala. Avind in vedere modul de realizare a figurii de pe ecran, si anume prin compunerea a m perioade pe orizontala, respectiv a n perioade pe verticala de semnal sinusoidal, in intervalul T₀, rezulta ca, daca ramurile curbei nu se suprapun la ducerea si la intoarcerea spotului, x va trece de 2n ori prin valorile extreme, iar y de 2m ori.

Asadar figura care se obtine pe ecranul osciloscopului va avea 2n puncte de intersectie cu verticala dusa din A si 2m puncte de intersectie cu orizontala dusa prin acelasi punct. Deci

f_x/f_y = 2n/2m (3)

unde f_x reprezinta frecventa semnalului aplicat placilor de deflexie pe orizontala, iar f_y celor de deflexie pe verticala.

In fig.3.3 sint prezentate figurile Lissajous care se obtin pe ecranul osciloscopului pentru diferite rapoarte m/n ale frecventelor semnalelor si a defazajului φ =φ₂ ‑ φ₁ dintre acestea. Cind cele doua semnale au aceeasi frecventa:

x = k₁AU₁sinωt

y = k₂AU₂sin(ωt + φ)(4)

se demonstreaza usor (prin eliminarea parametrului t din cele doua ecuatii, obtinind o curba y=f(x)) ca pe ecranul osciloscopului apare o elipsa. Cind φ = π/2 + 2kπ elipsa are semiaxele situate de‑a lungul axelor de coordonate. In acest ultim caz, daca este indeplinita relatia:

k₁AU₁ = k₂AU₂ (5)

unde U₁, U₂ sint amplitudinile semnalelor de intrare, iar 1/k₁ si 1/k₂ sint coeficientii de deviatie pe orizontala, respectiv pe verticala, elipsa devine cerc.

2.2. Masurarea frecventei prin metoda elipsei mobile

Cind cele doua frecvente ale semnalelor care intervin in metoda figurilor Lissajous difera putin se obtine o imagine instabila, cu aspectul unei elipse mobile. Se observa ca elipsa degenereaza periodic, conform figurilor Lissajous in cazul raportului 1/1, dind astfel impresia ca frecventele celor doua semnale sint egale, dar variaza defazajul.

Fig.3.3.

Intr‑adevar, expresiile semnalelor mentionate in fig.3.3 pot fi rescrise in forma:

x = k₁AU₁sinω₁t (6)

y = k₂AU₂sin(ω₂t + φ) = k₂AU₂sin[ω₁t + ψ(t)]

unde ψ(t) =(ω₂ ‑ ω₁)t + φ.

Se observa ca, in cazul in care ω₁ ω₂ se poate spune ca expresiile celor doua semnale difera printr‑un defazaj lent variabil in timp. Miscarea elipsei fiind periodica, se poate determina perioada T a acesteia, considerind momentele cind elipsa degenereaza, de exemplu, in dreapta de aceeasi inclinatie (s‑a ales cazul dreptei deoarece aprecierea momentelor in care o aceeasi figura este reprodusa identic se poate face cu mult mai mare fidelitate).

Fie t₀ un astfel de moment, deci:

(ω₂ ‑ ω₁)At₀ + φ = 2kπ(7)

Dupa perioada T se revine la aceeasi situatie, dar defazajul s‑a marit cu 2π, deci:

(ω₂ ‑ ω₁)(t₀ + T) + φ = 2kπ + 2π(8)

Eliminind t₀ in cele doua ecuatii, se obtine:

f = 1/T = f₂ ‑ f₁ (9)

adica diferenta dintre cele doua frecvente ale semnalelor este egala cu inversul perioadei miscarii elipsei mobile.

Metoda este, teoretic, foarte precisa. Totusi, practic, erorile apar in modul cum se cronometreaza perioada T.

Pentru imbunatatirea calitatii rezultatului se cronometreaza un numar mai mare de treceri (n) ale elipsei prin pozitia in care aceasta degenereaza in dreapta, astfel

f = n/n T = f_x ‑ f_e(10)

unde n este numarul de treceri prin pozitia considerata (in practica, n = 10 20), f_e este frecventa semnalului etalon iar f_x cea a semnalului de etalonat.

In concluzie,

f_x = f_e f = f_e 1/T.(11)

Cunoscind frecventa etalon, se determina astfel, cu destula precizie, frecventa necunoscuta.

2.3. Masurarea defazajelor prin metoda elipsei

Prin aplicarea pe placile de deflexie verticala si orizontala a doua semnale de frecvente riguros egale, dar defazate cu unghiul φ, pe ecran se obtine o elipsa, ca in fig.3.4 (frecventele egale se obtin prin utilizarea unui singur generator de semnal sinusoidal, in combinatie cu o retea de defazare RC pe una din cai). Avem deci:

x = k₁AU₁sinωt (12)

y = k₂AU₂sin(ωt + φ)

Utilizind, in continuare, notatia X = k₁AU₁ si Y = k₂AU₂, si eliminind parametrul ωt intre cele

doua expresii, se obtine relatia:

Cind x = 0, deci sinωt = 0 si ωt = kπ rezulta

y = k₂AU₂sin(kπ + φ) = Ysinφ (14)

adica

2Ab = 2AYsinφ(15)

Fig.3.4.

Intrucit amplitudinea semnalului corespunde elongatiei maxime a spotului fata de axa Ox, rezulta ca

2Aa = 2AY (16)

si

Asadar

φ = arcsin(b/a) (18)

2.4. Ridicarea ciclului de histerezis la un material magnetic

Osciloscopul catodic permite vizualizarea ciclului de histerezis corespunzator magnetizarii in curent alternativ a unui miez magnetic.

Aplicandu-se placilor de deflexie pe orizontala (XX) o tensiune in faza cu curentul alternativ care strabate infasurarea de magnetizare a miezului magnetic, iar placilor de deflexie

verticala (YY) tensiunea de la bornele infasurarii secundare (de masurare) se obtine pe ecranul

osciloscopului o figura inchisa care reprezinta curba de histerezis a miezului magnetic testat (fig.3.5).

Fig.3.5.

Deci

unde:

h(t)=H_m sinωt este intensitatea cimpului magnetic alternativ;

l ‑ este lungimea circuitului magnetic presupus cu intrefier neglijabil;

n₁ ‑ este numarul de spire din infasurarea primara.

Deviatia pe orizontala va fi

Cum:

unde:

S_m - este sectiunea miezului magnetic testat;

b(t) = B_m(t)sinωt este inductia magnetica;

n₂ - este numarul de spire din infasurarea secundara.

In ipoteza ca R₂ >> 1/(ωC) rezulta

iar tensiunea la bornele condensatorului

astfel ca

Energia consumata pentru descrierea unui ciclu de histerezis este data de relatia:

W = Šhdb (25)

si, tinind seama ca, prin aplicarea tensiunilor u_x si u_y, deviatiile spotului pe cele doua directii sint proportionale cu h(t) si b(t), rezulta ca aria curbei ce apare pe ecranul osciloscopului reprezinta, la o anumita scara, insasi energia W. Cum aria curbei este:

A = Šxdy = K_x K_y Šhdb = K_x K_y W (26)

rezulta ca, la frecventa f a tensiunii de alimentare, puterea disipata prin histerezis de catre

materialul magnetic este:

unde

A‑aria curbei obtinute pe ecranul osciloscopului.

2.5. Ridicarea caracteristicilor statice ale unor diode semiconductoare

Caracteristica statica a unei diode semiconductoare reprezinta dependenta dintre curentul care o strabate si caderea de tensiune de pe aceasta I_D= f(U_D), unde I_D este curentul prin dioda, iar U_D tensiunea la bornele diodei.

Procedura de vizualizare a acestei caracteristici consta in aplicarea pe placile de deflexie verticala a unei tensiuni proportionale cu curentul I_D, iar pe placile de deflexie orizontala a tensiunii culese de pe dioda U_D (fig.3.6).

Fig.3.6.

Practic montajul se va alimenta la o tensiune alternativa care la dioda semiconductoare obisnuita sa nu atinga valoarea tensiunii de strapungere U_str care ar conduce la distrugerea diodei

si nici a curentului maxim in conductie directa I_Dmax (limitarea curentului se asigura din dimensionarea corecta a rezistentei de sarcina R_s), in timp ce la dioda Zener se va urmari atingerea zonei Zener (tensiunea ‑ U_z) fara a se depasi curentul invers maxim (‑I_Dmax).

III. Chestiuni de studiat

3.1. Deprinderea manevrarii corecte a osciloscopului.

3.2. Vizualizarea formelor de unda ale tensiunilor in diverse puncte ale unei retele electrice de tip RC, pentru trei amplitudini si trei frecvente diferite ale semnalului de intrare. Se va alimenta schema mai intii de la un generator de semnal sinusoidal si apoi de la unul de semnal dreptunghiular.

3.3. Masurarea amplitudinilor unor semnale sinusoidale si dreptunghiulare in domeniul 0 10 V (cite 5 determinari pentru fiecare tip de semnal).

3.4. Masurarea frecventelor prin utilizarea bazei de timp interne a osciloscopului (metoda directa) pentru semnale sinusoidale si dreptunghiulare in domeniul 10 Hz 1 MHz (cite doua determinari pe fiecare gama a generatorului utilizat).

3.5. Masurarea frecventelor prin metoda figurilor Lissajous pentru rapoartele 1/1, 1/2, 1/3, 2/1, 3/1 ale frecventelor generatoarelor de semnal sinusoidal, luind pe unul dintre acestea drept etalon.

3.6. 'Etalonarea' unui generator de semnal sinusoidal prin metoda elipsei mobile.

3.7. Masurarea defazajului introdus de un circuit R_v, C_v prin metoda elipsei si trasarea curbelor φ = F(C_v) pentru f = ct. si R_v = ct. si φ = F(R_v) pentru f = ct. si C_v = ct. Se vor considera 10 valori ale parametrilor C_v, respectiv R_v.

3.8. Ridicarea ciclului de histerezis pentru un miez magnetic si determinarea pierderilor prin histerezis.

3.9. Ridicarea caracteristicilor statice la o dioda redresoare si la o dioda Zener.

IV. Schemele de montaj si modul de lucru

4.1. Se citeste codul osciloscopului catodic care se utilizeaza in lucrare si se identifica materialul de prezentare corespunzator din ANEXA B. Se studiaza semnificatia elementelor componente, modul de functionare si de utilizare ale tipului de osciloscop care se foloseste pentru efectuarea lucrarii de fata.

NOT In continuare se descriu montajele si modul de lucru bazate pe utilizarea osciloscopului E-0102; pentru alte tipuri de osciloscoape operatiile sint similare, deosebirile find sesizate la performantele acestora si amplasarea diferita a elementelor de reglaj.

Pornirea osciloscopului se face din intrerupatorul de retea, avindu‑se grija ca intrarea Y sa fie in gol (fara semnal), comutatorul tripozitional 'CC, CA, GND' pe pozitia 'GND' (intrare la 'masa'), comutatorul 'V/DIV' (comutatorul coeficientilor deviatiei pe verticala) pe pozitia 20 V/DIV (sensibilitate minima), comutatorul 'TIMP/DIV' (comutatorul coeficientilor de baleiaj) pe o pozitie intermediara, 1 ms/DIV, iar comutatorul SINCRONIZARE pe pozitia AUTOMAT 'INT+' sau 'INT‑'.

Dupa aparitia spotului luminos se regleaza intensitatea acestuia din potentiometrul 'LUMINOZITATE' si i se ajusteaza grosimea din potentiometrele 'FOCALIZARE' si 'ASTIGMATISM' pina la minim (aproximativ 1 mm).

Daca se constata ca spotul nu este orizontal se actioneaza asupra potentiometrului 'ROTIRE TRAS ', pina cind se realizeaza o suprapunere a direi luminoase peste una din liniile orizontale ale caroiajului din fata ecranului tubului catodic.

4.2. Pentru vizualizarea si compararea unor semnale electrice diferite se foloseste schema din fig.3.7, care este alimentata de la un generator de semnal atit sinusoidal cit si dreptunghiular de tip VERSATESTER, fixind amplitudinea la 10 Vef si frecventa la 1 KHz, procedindu‑se la

Fig.3.7.

vizualizarea formelor de unda in punctele A, B, D, E, in felul urmator:

‑se conecteaza cablul de intrare in osciloscop la borna Y;

‑se pozitioneaza comutatorul tripozitional 'CC, CA, GND' pe pozitia 'GND' si se centreaza spotul cu ajutorul potentiometrelor de deplasare verticala sau orizontala a acestuia;

‑dupa conectarea intrarii la una din bornele de masurat (A, B, D, E) se pozitioneaza comutatorul tripozitional 'CC, CA, GND' pe una din pozitiile 'CC' sau 'CA', se scade treptat atenuarea semnalului aplicat pe Y din comutatorul 'V/DIV' (stabilindu‑se coeficientul de deviatie pe verticala potrivit) pina la incadrarea sa convenabila pe ecran, dupa care se modifica frecventa bazei de timp, din comutatorul 'TIMP/DIV' (alegindu‑se, astfel, coeficientul de baleiaj) pina cind pe ecranul osciloscopului apare un numar mic, distinct, de perioade ale semnalului.

In acest mod se procedeaza pentru toate punctele de testare (A, B, D, E), luindu‑se si alte valori de frecventa si amplitudine de la generator.

Se verifica functionarea osciloscopului pentru pozitia AUTOMAT atit pe 'INT+' cit si pe 'INT‑', observindu‑se diferenta care apare pe ecran.

Pentru studierea functionarii osciloscopului cu baza de timp declansata se pozitioneaza comutatorul de sincronizare pe pozitia DECLAN AT 'INT+' sau 'INT‑' si se modifica nivelul de atac al formatorului de impulsuri folosind potentiometrul NIVEL pina cind imaginea pe ecranul osciloscopului se stabilizeaza; se va observa, analog cu functionarea pe regimul AUTOMAT, diferenta intre pozitiile 'INT+' si 'INT‑'.

Operatiile enuntate mai sus se realizeaza atit pentru semnal sinusoidal cit si pentru semnal dreptunghiular, observindu‑se diferenta dintre pozitiile 'CC' si 'CA' ale comutatorului tripozitional 'CC, CA, GND' pentru acelasi tip de semnal.

Atit la alimentarea cu semnale sinusoidale cit si la cea cu semnale dreptunghiulare, pentru o frecventa si o tensiune a generatorului de semnal specificata in referat, formele de unda de pe ecranul osciloscopului se vor desena la scara, specificindu‑se pozitiile comutatoarelor 'CC, CA, GND', 'V/DIV' si 'TIMP/DIV'.

4.3. Inainte de efectuarea unor masurari cantitative de amplitudine sau frecventa cu osciloscopul, acesta trebuie etalonat. Etalonarea se face folosind calibratorul intern ale carui legaturi sint scoase in exterior la una sau doua borne, deasupra carora se gasesc inscriptionate frecventa si amplitudinea semnalelor respective. La cele mai multe instrumente, calibratorul are legatura la masa conectata in interior, astfel incit la intrare este suficient sa se conecteze doar legatura 'calda'.

Etalonarea consta in obtinerea pe ecranul osciloscopului, prin masurare, folosind coeficientii de deviatie pe verticala, coeficientii de baleiaj si caroiajul ecranului, a valorilor inscriptionate in dreptul bornei calibratorului. Daca valorile nu corespund, se actioneaza asupra potentiometrelor de etalonare, fie a bazei de timp, fie a amplificarii, dupa caz. Odata etalonarea incheiata, nu se mai umbla la potentiometrul respectiv, pentru a nu deregla osciloscopul.

In cazul in care osciloscopului i se furnizeaza semnal de la un generator de semnal sinusoidal, pentru aflarea tensiunii virf la virf (dublul amplitudinii) se inmulteste numarul de diviziuni ale caroiajului cuprinse intre extremele pe verticala ale imaginii de pe ecran cu coeficientul de deviatie pe verticala indicat de comutatorul V/DIV. Rezultatul se obtine in [V] si reprezinta pentru o unda sinusoidala x(t) = 2 U_m sinωt valoarea in volti a dublului amplitudinii 2 U_m, astfel ca

U_ef = 2 U_m/(2 ). (28)

In mod analog se procedeaza la masurarea amplitudinilor pentru semnale de alta forma (de exemplu dreptunghiulare). Pentru aflarea altor valori de interes, cum ar fi tensiunea medie si tensiunea efectiva pentru aceste semnale, se tine seama de expresiile de definitie ale acestora.

Rezultatele obtinute se compara cu valorile indicate de elementele de afisare ale generatoarelor de semnal.

4.4. Pentru masurarea frecventelor prin utilizarea bazei de timp interne a osciloscopului (procedeul uzual) se efectueaza urmatoarea succesiune:

‑se incadreaza semnalul pe ecran astfel incit sa existe 1 3 perioade ale acestuia prin alegerea corespunzatoare a pozitiei comutatorului TIMP/DIV;

‑se inmulteste numarul de diviziuni cuprinse intr‑o perioada a semnalului cu indicatia data de comutatorul TIMP/DIV, obtinindu‑se astfel, in unitati corespunzatoare de timp, perioada semnalului vizualizat. Cum frecventa este inversul perioadei, f = 1/T, se deduce imediat valoarea acesteia.

Se procedeaza in acest fel mai intii pentru semnale sinusoidale, luindu‑se cel putin 2 valori de masurat in fiecare gama a generatorului de masurat, dupa care se procedeaza similar pentru un generator de semnale dreptunghiulare.

Fig.3.8.

4.5. Pentru masurarea frecventelor prin metoda figurilor Lissajous se foloseste montajul din fig.3.8, in care GSS₁ si GSS₂ sint generatoare de semnal sinusoidal.

Pentru desfasurarea lucrarii este necesar ca baza de timp interna a osciloscopului sa fie scoasa din functiune, in acest scop comutatorul TIMP/DIV se pozitioneaza pe 'X EXT' (baza de timp externa). Dupa fixarea amplitudinii generatoarelor sinusoidale la 5 V_ef si a comutatorului V/DIV pe pozitia 1 V/DIV (pentru obtinerea unei imagini suficient de bine incadrate pe ecran), se vor efectua masurari de frecventa considerindu‑se GSS₁ ca generator etalon, iar GSS₂ ca generator de etalonat. Pentru aceasta, se fixeaza GSS₁ la o anumita frecventa si se variaza frecventa celui de‑al doilea pina cind se obtine o figura Lissajous stabila, nedepasindu‑se raportul 1/3, respectiv 3/1 (pentru o interpretare corecta a figurii).

Se va determina clasa de precizie a celui de‑al doilea generator, pentru primele 3 game de frecventa, la fiecare gama luindu‑se in consideratie punctele extreme si 3 puncte intermediare.

Clasa de precizie se calculeaza cu relatia:

in care:

(Δf)_max ‑ abaterea maxima de frecventa a celui de‑al doilea generator fata de frecventa celui considerat etalon,

f_max ‑ f_min ‑ diferenta dintre frecventele extreme ale domeniului pe gama studiata.

4.6. Pentru masurarea abaterii de frecventa a generatorului GSS₂ (etalonarea acestuia) prin metoda elipsei mobile se foloseste acelasi montaj ca pentru figurile Lissajous (fig.3.8). Se fixeaza GSS₁ la o anumita valoare de frecventa,

iar pentru GSS₂ se dau valori ale frecventei in jurul celei a generatorului GSS₁, astfel incit elipsa sa

aiba o miscare observabila pe ecranul osciloscopului si sa se poata cronometra intervalul de timp necesar trecerii acesteia prin pozitia in care degenereaza in dreapta, de aceeasi inclinatie (pentru a se elimina erorile de citire), de un numar suficient de ori (de obicei 10). Pentru obtinerea unor rezultate concludente determinarile se vor face pe prima gama de frecvente a generatorului, in care se considera 5 valori la GSS₁, in jurul fiecarei valori etalon luindu‑se cel putin 4 frecvente distincte ale generatorului de etalonat GSS₂.

4.7. Pentru masurarea defazajelor prin metoda elipsei se va folosi un circuit defazor, ca in

fig.3.9, in care:

GSS ‑ generator de semnale sinusoidale;

C_v ‑ cutie decadica de capacitati;

R_v ‑ cutie decadica de rezistente 0,1 Ω 100 KΩ.

Se vor efectua masurari mai intii cu R_v = ct (= 10KΩ), f=ct (= 1KHz) si C_v variabil (din

Fig.3.9.

0,5 μF in 0,5 μF), apoi cu C_v = ct (=1 μF), f=ct (1 KHz) si R_v variabil (din 10 KΩ in 10 KΩ); valorile date in paranteze sint orientative pentru obtinerea unor rezultate semnificative.

4.8. Pentru ridicarea experimentala a ciclului de histerezis se executa montajul din fig.3.10,

Fig.3.10.

in care:

AT ‑ autotransformator de 220 V_ef c.a., 8 A, 50 Hz;

M ‑ miez magnetic cu parametrii din figura;

V ‑ voltmetru de c.a. clasa 1,5;

A ‑ ampermetru de c.a. clasa 1,5.

Initial cursorul C al autotransformatorului se afla la zero. Se creste progresiv tensiunea de iesire din autotransformator din 10 V in 10 V, desenindu-se la scara curba obtinuta pe osciloscop si notindu-se indicatiile aparatelor. Cresterea tensiunii de alimentare a montajului se va face pina cind curba obtinuta pe ecranul osciloscopului va avea forma ciclului de histerezis conform fig.3.5, adica pina la atingerea valorilor de saturatie ale miezului magnetic. Tensiunea de alimentare nu va depasi cu mai mult de 10 % valoarea tensiunii de saturatie a miezului magnetic. Se va acorda o atentie deosebita modului de alimentare a autotrans-formatorului la retea, urmarindu-se respectarea intocmai a montajului din fig.3.10.

4.9. Pentru ridicarea caracteristicilor curent-tensiune a unei diode redresoare, respectiv a unei diode Zener, se foloseste montajul din fig.3.11, in care:

GSS - generator de semnal sinusoidal (VERSATESTER tip E-0502);

R - rezistenta de limitare a curentului prin dioda;

Fig.3.11.

D - dioda semiconductoare;

DZ - dioda Zener (stabilizatoare);

OSC - osciloscop catodic;

K - comutator bipolar