DENEY 6 OSİLOSKOP 1. Deneyin Amacı Bu deneyde, osiloskopun çalışma prensibinin, eikleme ve senkronizasyonun nasıl yapıldığının ve osiloskop yardımıyla çeşili büyüklüklerin (genlik, faz farkı ve frekans gibi) nasıl ölçülebileceğinin öğrenci arafından anlaşılması amaçlanmışır. 2. Teorik Bilgi 2.1. Osiloskop Osiloskop, elekronike en çok kullanılan ölçü alelerinden biridir. X ve Y kanallarına uygulanan iki işare arasındaki bağınıyı bir ekranda görünüler. Bu işarelerin periyodik fonksiyonlar olması durumunda ve özel şarlar alında ekranda duran şekiller elde edilir. Böylece iki fonksiyon arasındaki zaman bağınısı duran bir şekil üzerinde rahaça izlenebilir. Kısaca osiloskop, elekriksel işarelerin ani değerini ve zamanla değişimini göseren ale olarak anımlanabilir. 2.2. Osiloskopun yapısı 2.2.1. Kao ışınlı üp (CRT) Kao (K) Ön hızlandırma anodu (A 1 ) Hızlandırma anodu (A 3 ) Yaay sapırma levhaları (U) Fosforlu ekran Aquadaq abaka Konrol ızgarası (G) Odaklama anodu (A 2 ) Düşey sapırma levhaları (V) Elekron demei Şekil 1. Kao ışınlı üp Kao ışınlı üp osiloskopun en önemli üniesi olup, görününün oluşmasını sağlar. Tüp üç ana kısımdan oluşur: 1. Elekron abancası ve odaklama-hızlandırma elemanları 1 / 13
2. Düşey ve yaay sapırma levhaları 3. Elekron ışını çarpınca parlayan fosforlu bir ekrana sahip vakumlu muhafaza Kao ışınlı üpün yapısı Şekil 1 de görülmekedir. Oksili bir abaka içeren kao, flaman arafından ısıılır. Bunun sonucunda kao yüzeyinden kopan elekronlar serbes duruma gelirler. Konrol ızgarası, üp içerisine yayılan elekron mikarını ayarlar. Daha sonra odaklama ve hızlandırma anoları elekronları odaklayarak ince bir deme haline geirip hızlandırırlar. Yüksek hızlı bu ince elekron demei iki ayrı sapırma levhaları arasından geçer. Birinci sapırma levhaları elekron demeini düşey doğruluda aşağı-yukarı sapırırlar. Düşey sapırmanın yönünü, sapırma levhalarına uygulanan gerilimin polariesi belirler. Sapma mikarını ise, aynı gerilimin genliği belirler. Elekron demei daha sonra, yaay sapırma levhalarına uygulanan gerilimin polariesine ve genliğine bağlı olarak sağa-sola sapırılır. Böylece, elekron demeinin fosforlu ekran üzerinde hangi nokaya düşeceği belirlenmiş olur. Fosforlu ekran üzerine düşen yüksek enerjili elekron demei fosforun parlamasına neden olur. Görününün ekran üzerinde meydan gelmesi bu şekilde olur. Nikelden yapılmış ve silindirik yapıya sahip kaodun ucu oksi abakasıyla kaplanmışır. Tungsen veya ungsen alaşımından yapılmış olan flaman, üzerinden akım geçirildiğinde kaodu dolaylı olarak ısıır ve elekronların kao yüzeyindeki oksi abakadan ayrılarak serbes kalmalarına sebep olur. Serbes kalan bu elekronlar ekrana doğru değişik açı ve hızlarda harekee başlarlar. Şekil 2. Elekron demeinin ızgaralara uygun gerilimler uygulanarak hızlandırılması ve odaklanması Elekron akışını konrol emek ve biraz da odaklama yapmak amacıyla, kaodun önündeki 2 / 13
konrol ızgarası kullanılmakadır. Konrol ızgarasından geçen elekronlara, kaoda göre 400 V poziif poansiyele sahip ön-hızlandırma anodu yardımıyla, üpün ekranına doğru bir ilk hız verilir. Odaklama anodu ve hızlandırma anodu yardımıyla elekron demei, Şekil 2 de görüldüğü gibi ince bir ışın haline geirilir ve hızlandırılır. İki levha arasından geçen elekron ışını Şekil 3 e görülmekedir. Üs levhanın poansiyeli al levhaya göre daha poziif olduğunda elekron ışını yukarı doğru, ersi olduğunda ise elekron demei aşağı doğru sapar. Şekil 3 eki sapırma levhalarına dışarıdan uygulanan gerilim, düşey doğruluda sapırılmış bir işare oluşuracağından, bu levhalara düşey sapırma levhaları adı verilmekedir. V d λ Sapırma levhaları Sapırılmış elekron ışını Ekran D d L Sapırma mikarı aşağıdaki ifade ile verilir: Bu ifadede, λv d L D = 2 dv a Şekil 3. Elekron ışınının sapırılması λ: Sapırma levhasının uzunluğunu V a : Hızlandırma gerilimini L: Levhaların orasından ekrana uzaklık V d : Sapırma gerilimi d: Levhalar arası uzaklık Yaay sapırma levhaları ise elekron ışınını yaay olarak sapırmaya yaramakadırlar. Buradaki manık düşey sapırmada olduğu gibidir. Yaay sapırma levhaları, düşey sapırma levhalarına dik olarak yerleşirilmişir. Düşey sapırma levhaları, ekrana yaay sapırma levhalarından daha uzak olduklarından, ölçülen işaree düşey duyarlılık yaay duyarlılıkan daha yüksekir. 2.2.2. Kao ışınlı osiloskopun çalışması ve konrolleri Osiloskop ekranında dalga şekillerini izleyebilmek için elekron ışınının yaay olarak sapırılması gerekir. Normal çalışmada ışının yaay sapmasını ekrarlayabilmesi için, ışının sapmaya başladığı nokaya geri döndürülmesi gerekir. Işın soldan sağa doğru sapırılır ve geri 3 / 13
dönüş esnasında ekranda görünmesi engellenir. Ekranda izlenmek isenen işare ise, ışını düşey olarak sapıracak elekronik devrelere uygulanır. Şekil 4 e kao ışınlı osiloskopun blok şeması görülmekedir. Düşey giriş işarei DC AC Düşey işare bölücü Genlik konrolü Düşey yükseleç Yaay giriş işarei Harici senkronlama Zamanlama konrolü Yaay işare bölücü Teseredişi süpürme üreeci Dahili senkronlama Yaay yükseleç Senkronlama işarei Şekil 4. Kao ışınlı osiloskopun blok şeması Ekrandaki görününün kararlı olabilmesi için, süpürme işarei ile izlenecek işarein senkronlanması gerekir. Eğer senkronlanma sağlanmamışsa ekrandaki görününün yaay eksen boyunca kaydığı görülecekir. Kao ışınlı osiloskop ile ölçülecek işareler birkaç vol haa milivol merebesinde olabileceğinden, giriş işareini üpün çalışacağı gerilim seviyesine çıkaracak yükselici devrelere ihiyaç vardır. Bu yüzden ışını hem düşey, hem de yaay olarak sapırabilmek için yükseleç devreleri mevcuur. Yükselilen işarein ekrana sığmaması durumunda da bölücü devreler kullanılır. İzlenecek işare düşey işare bölücüsüne ya doğrudan (DC konumu) bağlanır, ya da bir kondansaörden geçirilerek (AC konumu) bağlanır. DC konumda iken, işarein AC ve DC bileşenlerinin oplamı düşey bölücü girişine uygulanır. Bu durumda işare olduğu gibi ekranda görünülenir. AC konumda iken, bir kondansaörden geçirilen işarein DC bileşeni süzüleceği için, ekranda sadece AC bileşeni görünülenecekir. 4 / 13
2.2.3. Senkronizasyon ve eikleme Ekrandaki görünü, süpürme geriliminin frekansı değişirilerek izlenecek işarein birkaç periyodunu, bir periyodunu veya bir periyodunun belli bir kısmını göserecek şekilde ayarlanabilir. Kararlı bir görünü elde edebilmek için, giriş işarei ile süpürme işareinin frekansları birbiriyle ilişkili olmalıdır. Genellikle süpürme gerilimi ile giriş işareinin frekansı aynı veya oranılı olmaz. Bu durumda süpürme işareinin frekansı bir anahar ile ayarlanarak, giriş işareinin frekansı ile aynı veya en azından oranılı yapılır. Şekil 5 e giriş işarei ile süpürme işareinin senkronlanması halinde elde edilen ekran görünüleri görülmekedir. Düşey giriş işarei Yaay süpürme işarei Ekran görünüleri Şekil 5. Süpürme ve giriş işarelerinin senkronlanması halinde ekranda oluşan görünü Osiloskop ile ölçme yaparken giriş işareinin frekansına eki edilemez. Ancak, süpürme işareinin frekansı rahalıkla değişirilebilir. Eğer süpürme işareinin frekansı giriş işareinin frekansından küçük veya büyük ise (birbirlerinin kaları olmaları durumu hariç), ekrandaki görünü sola veya sağa doğru kayacağından duran görünü elde edilemez. Şekil 6 da, süpürme işarei frekansının giriş işarei frekansından küçük olması nedeniyle görününün sola doğru kaydığı görülmekedir. Eğer ersi olsaydı, yani süpürme işarei frekansı giriş işarei frekansından büyük olsaydı bu defa görününün sağa doğru kaydığı görüleceki. 5 / 13
Düşey giriş işarei Yaay süpürme işarei Ekran görünüleri Şekil 6. Süpürme ve giriş işarelerinin senkronlanmaması halinde ekranda oluşan görünü Anlaşıldığı gibi, ekranda kararlı bir görünü elde edebilmek için, süpürme işareinin frekansının bir şekilde giriş işareine bağımlı kılınması gerekmekedir. Dahili senkronlama (INTERNAL SYNC) olarak adlandırılan bu yönemde, giriş işareinin poziif eğimli sıfırdan geçişleri (INT+) veya negaif eğimli sıfırdan geçişleri (INT-) algılanarak, süpürme işareinin bu nokalarda başlamasını sağlayan bir eikleme işarei üreilir. Böylece süpürme işarei ile giriş işarei birbirine senkronlanmış olurlar. Şebekeden üreilen işarelerin ölçümünde kullanılmak üzere LINE SYNC modu vardır. Bu modda 50 Hz lik eikleme işarei sağlanır. Ayrıca harici bir işare yardımıyla senkronizasyon sağalamaya yarayan harici senkronlama (EXT SYNC) modu vardır. Düşey girişe uygulanan işareen ayrı bir işare harici eikleme girişine uygulanır ve süpürme işareinin eiklenmesinde kullanılır. Tes edilmeke olan bir devrenin herhangi bir nokasından alınan işare harici eikleme işarei olarak kullanılabilir. Böylece, birbirleriyle ilişkili olan işareleri ölçerken kullanılabilecek bir eikleme işarei elde edilmiş olacakır. Senkronizasyon problemi oradan kalkmış olacakır. 6 / 13
Düşey giriş işarei Teikleme işarei Yaay süpürme işarei Şekil 7. Teikleme işareine bağlı olarak süpürme işareinin üreilmesi 2.3. Çok izli çalışma Birden fazla işarein değişimini aynı anda osiloskop ekranında görebilmek için yapılabilecek iki şey vardır. Birincisi, elekron abancası sayısını arırmakır. Bu masraflı bir yönem olduğundan pek ercih edilmez. İkincisi ise, çok izli osiloskop kullanmakır. Bu yönemde, ekranda çok görünü elde emeye yarayan bir elekronik anaharlama devresi kullanılmakadır. Bu ür osiloskoplar çif izli osiloskoplar olarak adlandırılır. Çif iz özelliği alamalı (ALTERNATE) veya kıyımlı (CHOPPER) çalışma ile sağlanır. Alamalı çalışma modunda, süpürme işareinin her bir periyodunda bir kanaldaki işare (A kanalı) anaharlama devresi yardımıyla düşey sapırma levhalarına uygulanır ve dolayısıyla ekrana çizdirilir. Bir sonraki periyoa diğer kanaldaki işare (B kanalı) ekrana çizdirilir. Fosforlu ekranın kalıcılık özelliğinden dolayı, aynı kanala ai işare ekrar çizdirilene kadar önceki görünü kaybolmaz. Böylece iki işare Şekil 8 de olduğu gibi, aynı anda ekranda görünülenmiş olur. Alamalı çalışma modu yüksek frekanslı işarelerin aynı anda görünülenmesi açısından uygundur. Düşük frekanslı işarelerin bu modda görünülenmesinde problem çıkabilir. Şöyleki, ekranın kalıcılık süresi işarein periyodunun yarısından daha küçük olduğunda, işare ekrana ekrar çizdirilene kadar ilk çizdirilen görünü kaybolacakır. Bu yüzden de iki işarei aynı anda ekran üzerinde görmek mümkün olmayacakır. 7 / 13
Kanal A Kanal B 1. durum 2. durum Düşey kuvvelendirme devrelerine Şekil 8. Alamalı çalışma modunda iki işarein aynı anda görünülenmesi Kıyımlı çalışma modunda ise, süpürme işareinin bir periyodu eşi zaman dilimlerine bölünür. Her bir dilimde anahar konum değişirir ve diğer kanaldaki işarein düşey sapırma levhalarına uygulanmasını sağlar. Bu işlem hem çok hızlı, hem de zaman dilimleri çok dar olduğu için kesiklik gözle farkedilemez ve görünü sürekliymiş gibi görünür. Şekil 9 da anlaşılırlığı arırmak için zaman dilimi sayısı düşük uulmuşur. Görününün bir periyoa binlerce ve çok küçük süreli parçalardan oluşuğu düşünüldüğünde, görünülerin kesikli değil de sürekliymiş gibi algılanacağı açıkır. Kıyımlı çalışma modu yüksek frekanslı işarelerden daha çok, düşük frekanslı işareler için uygundur. Kanal A Kanal B 1. durum 2. durum Düşey kuvvelendirme devrelerine Şekil 9. Kıyımlı çalışma modunda iki işarein aynı anda görünülenmesi 2.4. Genlik, frekans ve faz ölçme Şekil 10. Osiloskop yardımıyla bir işarein genlikle ilgili büyüklüklerinin ölçülmesi 8 / 13
Osiloskop ekranı üzerinde işarein duran bir görünüsünü elde eiken sonra genlik ölçme işlemine geçilebilir. Aksi akirde sağlıklı bir ölçme gerçekleşirilemez. Ayrıca, hassas bir ölçüm için işare ekrana mümkün olduğunca açılmalı ve kalibrasyon gözden kaçırılmamalıdır. Şekil 10 da bir işaree ai ölçülebilecek genlik değerleri göserilmekedir. Gerilimin epe değeri, gerilimin epeden epeye değeri ve dolaylı olarak ekin değeri ölçülebilmekedir. Oralaması sıfırdan farklı bir işarein oralama değeri de belirlenebilir. Periyodik bir işarein frekansını belirlemenin en kolay yolu, periyodunu belirlemek ve sonra da bu değerin ersini almakır. Osiloskop yardımıyla periyo belirlemek oldukça basi bir işir. Ekran üzerinde duran görünü elde edildiken ve zamanlama kalibrasyonu yapıldıkan sonra yaay eksen üzerinden bir periyo süresi kolaylıkla okunabilir. Buradan da frekansa geçilir. Genlik düşey eksen üzerinden okunmalıdır Periyo yaay eksen üzerinden okunmalıdır Şekil 11. Osiloskop yardımıyla bir işarein genliğinin ve periyodunun ölçülmesi İki işare arasındaki faz farkından söz edilebilmesi için, frekansları ya eşi olmalıdır, ya da biri diğerinin am kaları olmalıdır. Faz Şekil 12. İki işare arasındaki faz farkının ölçülmesi Periyo ölçümüne benzer şekilde yaay eksen üzerinden iki işarein sıfırdan geçiş anları arasındaki zaman farkı kolaylıkla ölçülebilir. Yine kalibrasyona dikka edilmesi gereklidir. Ölçülen zaman farkı açı cinsinden de ifade edilebilir. 9 / 13
2.5. Lissajous eğrileri yardımıyla faz ve frekans ölçme İki işare arasındaki faz farkı veya bilinmeyen işare frekansı Lissajous eğrileri kullanılarak ölçülebilir. Bu işlem çok hassas kalibrasyon gerekirmemesi nedeniyle avanajlıdır. Aralarında faz farkı bulunan iki işareen biri düşey işare girişine ve diğeri de yaay işare girişine uygulanır. Burada dahili süpürme işarei kullanılmamakadır. Ekran üzerinde meydana gelen eğri yardımıyla iki işare arasındaki faz farkı kolayca belirlenir. Ekranda meydana gelecek şekil bir doğru, bir daire veya bir elips olacakır. Şekil 13 e çeşili faz farkları ve frekans oranlarında elde edilecek Lissajous eğrileri görülmekedir. Faz farkı X:Y Frekans oranı 1:4 1:3 1:2 1:1 Şekil 13. Lissajous eğrileri yardımıyla faz ve frekans ölçülmesi Yaay girişe uygulanan işarein Y m Sinω ve düşey girişe uygulanan işarein ise Sin( ω ϕ) Y m olduğu düşünülsün. Ekranda Şekil 14 e benzer görünü elde edilecekir. = 0 anında düşey giriş işareinin aldığı değer Y = Y Sinϕ olacakır. Buradan harekele m Y Y Sin ϕ = ve ϕ = Sin 1 Y m Y m olarak elde edilecekir. Y ve Y m değerleri ise osiloskop üzerindeki görünüden elde edilecekir. Y değeri ekranda oluşan elipsin Y eksenini kesiği noka, Y m değeri ise elipsin epe nokasından Y eksenine dik çizildiğinde elde edilen nokadır. Bu iki değerin boyulu olarak okunmasına gerek yokur. Aynı faz farkı X eksenini kesiği noka ve X eksenine epeden inilen dikme ile elde edilen noka yardımıyla da hesaplanabilir. 10 / 13
Y = Ym Sin( ω ϕ) ise Y m Y X ω = ϕ olduğunda Y = 0 olacakır. Bu nokada X = X Sinϕ olur. Buradan da m X m X X Sin ϕ = ve ϕ = Sin 1 X olarak m X m elde edilir. Şekil 14. Lissajou eğrisi yardımıyla faz farkının hesaplanması Eğer, zamanlama açısından iyi kalibre edilmiş bir osiloskop yoksa, frekans ölçmek gerekiyorsa ve frekansı okunabilen bir osilaör varsa Lissajous eğrileri yardımıyla frekans ölçmek mümkündür ve kaçınılmazdır. Frekansı bilinmeyen işare düşey girişe uygulanır. Frekansı kalibreli, ayarlanabilen ve okunabilen işare yaay girişe uygulanır. Yaay girişe uygulanan işarein frekansı, ekran üzerinde duran bir görünü elde edilene kadar ayarlanır. Elde edilen şeklin düşey ve yaay eksenlere değme nokalarının sayısı, girişlere uygulanan işarelerin frekanslarıyla ilişkilidir. Buradan harekele bilinmeyen frekansı belirlemek mümkün olacakır. Düşey değme nokaları Yaay değme nokası Şekil 15. Lissajous eğrisi yardımıyla bilinmeyen frekansın belirlenmesi 11 / 13
Bu ilişki f y / f d = Düşey nokaların sayısı / Yaay nokaların sayısı ile verilmekedir. Şekil 15 e örnek olarak verilen görünüde, yaay eksene değme nokası bir, düşey eksene değme nokası üç olarak görülmekedir. Bu durumda, yaay girişeki işarein frekansı düşey girişeki işarein frekansının üç kaı olduğu anlaşılmakadır. Eğer yaay girişeki işarein frekansı okunabiliyorsa, düşey girişeki frekansı bilinmeyen işarein frekansı kolaylıkla espi edilebilir. 3. Hazırlık Soruları Aşağıdaki soruları çizgisiz A4 kâğıda cevaplamış olarak deneye geliniz. a) Osiloskopun yaay sapırma levhalarına bir işare uygulanırken, düşey sapırma levhalarına herhangi bir işare uygulanmazsa veya am ersi durumda ekranda nasıl bir görünü oluşur? b) Yaay sapırma levhalarına uygulanan işarein doğrusal olmasının avanajı veya dezavanajı var mıdır? Açıklayınız. c) Bir ransisörün, baz akımı paramere olmak üzere, kollekör akımı ile kollekör emeör gerilimi arasındaki bağını o ransisörün karakerisiği veya çıkış özeğrisi olarak adlandırılır. Osiloskop yardımıyla bir ransisörün karakerisiği nasıl elde edilebilir? Araşırınız. d) Çok izli çalışma modlarından kıyımlı çalışmanın yüksek frekanslı işarelerin görünülenmesi için neden uygun olmadığını araşırınız. 4. Deney İçin Gerekli Malzemeler 1. C.A.D.E.T. deney sei 2. 2 ade sinyal osilaörü 3. 47 nf kondansaör 4. Yeerli mikarda bağlanı eli 5. Deneyin Yapılışı 1. Osiloskopun düşey işare girişine fonksiyon jeneraörü yardımıyla sinüzoidal bir işare uygulayınız. Osiloskopun eikleme ve senkronizasyon ayarlarını kullanarak ekranda duran bir görünü elde emeye çalışınız. Duran bir görünü elde eiken sonra, bu işaree ai büyüklükleri (genlik, periyo, frekans, ekin değer, oralama değer) belirleyiniz. 2. Teikleme oomaik konumda iken, eikleme darbeleri işarein sıfır geçişlerinden elde edilmekedir. Bu nedenle, görünü ekranın sol kenarından ve sıfır değerinden başlamakadır. Teiklemeyi oomaiken çıkararak, eikleme gerilimini herhangi bir değere ayarlayabilirsiniz. Bu durumda, ekrandaki işare sıfır değerinden değil de, yeni ayarladığınınz eikleme seviyesinden başlayacakır. Teikleme seviyesini değişirerek ekrandaki işarein başlangıç değerindeki değişmeyi inceleyiniz. 3. Osiloskopun girişindeki şarein frekansını 1 khz e ayarlayınız. Daha sonra bu işarei, R = 3.3 kω (bir poansiyomere kullanınız) ve C = 47 nf elemanlarından oluşan bir 12 / 13
alçak geçiren süzgeçin (AGS) girişine uygulayınız. AGS nin girişindeki ve çıkışındaki işareler arasındaki faz farkını, süzgeç çıkışındaki işarein genliğini ekran üzerinden belirleyiniz. Verilen değerleri kullanarak faz farkını hesaplayınız ve osiloskop yardımıyla belirlediğiniz değerle karşılaşırınız. 4. Bağlanıları değişirmeden, süpürme işareinin frekansını değişiren anaharı X/Y konumuna geiriniz. Bu durumda, osiloskopun düşey sapırma levhalarına AGS girişindeki işarei, yaay sapırma levhalarına ise AGS çıkışındaki işarei uygulamış olacaksınız. Elde eiğiniz Lissajous eğrisi yardımıyla faz farkını ekrar belirleyiniz ve bir önceki sonuçlarla karşılaşırınız. Poansiyomerenin değerini değişirerek, direnç ile kapasie üzerindeki gerilimleri kullanarak değişik Lissajous eğrileri elde emeye ve bunlara karşı düşen faz farklarını belirlemeye çalışınız. 5. Osiloskopun iki girişinden birine frekansı bilinmeyen bir işare, diğer girişine ise frekansı okunabilen başka bir işare uygulayınız. Yine süpürme işareinin frekansını değişiren anaharı X/Y konumuna geiriniz. Frekansı okunabilen işarein frekansını, ekran üzerinde duran bir Lissajous eğrisi elde edinceye kadar ayarlayınız. Duran görünü frekansların amsayı kalarında oluşacakır. Ekranda oluşan Lissajous eğrilerinin X ve Y eksenlerine değme sayıları yardımıyla bilinmeyen frekansı hesaplayınız. Bulduğunuz değeri işarein gerçek frekansıyla karşılaşırınız. 6. Değerlendirme Soruları Bu deney sonucunda öğrendiklerinizi birkaç cümle ile beliriniz. 13 / 13