Studiul cerintei 3.3

Masurarea amplitudinii unor semnale sinusoidale si dreptunghiulare in domeniul 0 - 10 V

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.

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 stanga 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. 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).

III. Mod de lucru:

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 TRASA', pina cind se realizeaza o suprapunere a direi luminoase peste una din liniile orizontale ale caroiajului din fata ecranului tubului catodic.

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 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 DECLANSAT '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'.

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.

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.

IV Rezultate experimentale

Nr. crt

Tip semnal

Parametri generati

Rezultate obtinute la osciloscop

Erori

f (Hz) Referat: Detergenti .Sapunuri. Substante tensio-active - clasificare Referat: Identificarea C,H,N,S,X - identificarea carbonului si hidrogenu= lui - practica chimiei organice

Uef [V]

CY [V/div]

Nr div [div]

2Um [V]

Uef [V]

Nr div/per [div/per]

CVX [timp /div]

Timp [ms]

f (Hz)

eU

ef

Sinusoidal A

Sinusoidal A

Sinusoidal B

Sinusoidal D

Sinusoidal E

Sinusoidal B

Sinusoidal D

Dreptunghiular A

Dreptunghiular B

Forma semnalului