DENEY 5: OSİLOSKOP UYGULAMALARI 1. AMAÇ Osiloskop kullanımını kavramak Osiloskop kullanarak genlik, frekans ve faz açısı ölçümlerini gerçekleştirmek 2. KURAM Osiloskop, elektriksel işaretlerin gerilim değişmelerini ekran üzerine çizen bir elektronik aygıttır. Osiloskopun ön paneli dikey (vertical), yatay (horizontal) ve tetikleme (trigger) olmak üzere üç ana bölüme bölünmüştür. Osiloskopun giriş bağlantıları (ya da giriş kanalları), ölçüm uçlarının (probların) bağlanabileceği BNC (Bayonet Nut Connector) bağlantı noktalarıdır. Çoğu osiloskop CH1 ve CH2 olmak üzere en az iki giriş kanalına sahiptir ve her bir kanal kendilerine uygulanan giriş sinyallerinin dalga şeklini ekran üzerinde gösterebilir. Çoklu kanallar dalga şekillerini karşılaştırmak için kullanılabilir. 2.1 Osiloskop Ayarları Anahtar ve düğme numaraları ön ve arka yüz görünümleri sırasıyla, Şekil 2.1 ve 2.2 de gösterilen AA TECH ADS3072B model çift izli (dual trace) dijital osiloskopa aittir. Osiloskopun sol üstte bulunan POWER (güç) anahtarı açılır. Gerekiyorsa INTENSITY/Adjust (şiddet) anahtarı ile ekranda görülen izin şiddeti ayarlanır.
Şekil 2.1 AA TECH ADS3072B osiloskobunun ön yüzü
Şekil 2.2 AA TECH ADS3072B osiloskobunun arka yüzü
Ekran Kontrolleri:
Menü ve Denetim Butonları:
Konektör: 1 Nolu CAL ucu
Otomatik Kurulum: 2.2 Prob Kalibrasyonu Osiloskopların giriş empedansları oldukça yüksektir; genellikle, 1 MΩ luk direnç ve 20 pf'lık kapasitanstan oluşan bir giriş empedansına sahiptirler. Şekil 2.4 de osiloskobun prob (probe) adı verilen ölçüm ucu gösterilmiştir. Osiloskop probunda x1 ve x10 seçenekleri olan bir anahtar bulunur. Anahtarın x1 konumu DC gerilim ya da düşük frekanslı işaretlerin gerilim ölçümlerinde kullanılır. Bu konumda ölçüm yapıldığında, ölçülen elektriksel işaret zayıflamaya uğratılmadan osiloskop girişine uygulanmış olur. Ölçülen gerilimin değeri, ekrandaki bölme (division) sayısı ile VOLT/DIV anahtarının gösterdiği sayının çarpımına eşittir. Prob anahtarı x10 konumunda iken, Şekil 2.5 de gösterildiği gibi, paralel bir R1C1 devresi prob kablosu ile seri olarak devreye girer. Bu durumda, R1=9 MΩ ve R2=1 MΩ olduğundan, giriş gerilimi 10 kat zayıflatılarak osiloskop girişine uygulanmış olur. Bu konumda ölçüm yapıldığında, ölçülen gerilimin değeri ekrandaki bölme (division) sayısı ile VOLT/DIV anahtarının gösterdiği sayının çarpımının 10 katına eşittir. Prob anahtarı x10 konumunda iken, probun R1C1 devresi osiloskop girişindeki C2 ile gösterilen kapasitif etkinin yüksek frekanslarda yarattığı zayıflatmayı telafi eder. Başka bir ifadeyle, R2C2 empedansının alçak geçiren süzgeç gibi davranarak yüksek frekanslarda yarattığı olumsuz etki yüksek geçiren filtre özelliği gösteren R1C1 devresi ile telafi
edilmiş olur. Burada R1C1 devresine telafi edilmiş zayıflatıcı (compansated attenuator) da denir. Yüksek frekanslardaki bu zayıflatmayı telafi etmek için koşulunun sağlanması gerekir. R1C1=R2C2 (2.1) Şekil 2.4 Osiloskop probunun parçaları C2 değeri tam olarak bilinmediğinden eşitliği sağlamak için C1 i ayarlamak gereklidir. Her osiloskop için ve bu osiloskoba bağlı her bir prob için bu ayarlama mutlaka yapılmalıdır. C1 i ayarlamak için osiloskop çalıştırıldıktan sonra, probun BNC konektörü osiloskobun CH 1 girişine takılır, probun kancalı ucu ise osiloskop üzerindeki CAL ucuna (1 no.lu uç) bağlanır. CAL Şekil 2.5 Osiloskobun giriş empedansı ve probun RC devresi ucu tepeden-tepeye genliği 3 volt ve frekansı 1 khz olan bir kare dalga üretir. Prob anahtarı x10 konumuna getirilir ve prob üzerinde bulunan bir vida ile ayar yapılır. Ekrandaki kare dalga Şekil 2.6 (c) deki düzgün kare dalga biçiminde elde edildiğinde kullanılan osiloskop ve kullanılan prob için prob kalibrasyonu yapılmış olur.
Not: Telafi (compansation) yalnızca prob anahtarının x10 konumunda yapılır. Bu nedenle yüksek frekanslı işaretler yalnızca telafili x10 probu kullanılarak yapılabilir. (a) Aşırı telafi (b) Yetersiz telafi (c) Doğru telafi (over compansation) (under compansation) (correct compansation) C1R1 > C2R2 C1R1 < C2R2 C1R1 = C2R2 2.3 Basit Ölçüm İşlemleri Şekil 2.6 Prob kalibrasyonunda yanlış ve doğru ayar durumları
3. ÖN ÇALIŞMA 3.1 Şekil 3.1 de bir osiloskobun ekranında 10 probu kullanılarak elde edilen kare dalga gösteriliyor. VOLT/DIV anahtarı 50 mv konumunda, TIME/DIV anahtarı 20 ms konumunda ve AC-GND-DC anahtarı DC konumunda ise, kare dalganın a) Tepeden-tepeye gerilim değerlerini (Vpp), b) Frekansını (f) ve c) DC gerilim seviyesini (VDC) bulunuz. 3.2 Bir osiloskobun CH 1 ve CH 2 girişlerine frekansları aynı olan iki sinüzoidal işaret uygulanıyor. VOLT/DIV anahtarı 20 mv konumunda, TIME/DIV anahtarı 50 ms konumunda ve AC-GND-DC anahtarı AC konumunda ise, Şekil 3.2 de osiloskop ekranında gösterilen bu işaretlerin, a) Tepe gerilim değerlerini (peak voltage values), b) Frekanslarını (frequency) bulunuz. c) Bu iki sinüzoidal işaret arasındaki faz farkını (phase difference) derece türünden bulunuz. [Φ=(360 o /T)td] b) prob anahtarı x1 konumunda ise, CH 1 ve CH 2 ye uygulanan sinüzoidal işaretlerin tepe gerilim değerlerini (peak voltage values) bulunuz. 4. KULLANILACAK CİHAZLAR VE MALZEMELER Osiloskop Sayısal multimetre (digital multimeter) Deney tahtası (breadboard) Malzemeler: 390Ω luk direnç, 100 nf lık kapasitör Fonksiyon Üreteci 5. DENEY 5.1 Osiloskobu güç anahtarını açmadan önce, Paragraf 2.1 de açıklanan osiloskop ayarlamalarını ve kontrollerini yapınız. 5.2 Paragraf 2.2 de açıklandığı şekilde prob kalibrasyonunu gerçekleştiriniz: Osiloskobun CAL çıkışına x10 prob bağlantısını yapın. TIME/DIV ve VOLT/DIV anahtarlarını ekranda uygun bir kare dalga elde edecek biçimde ayarlayın. Daha sonra, tornavida kullanarak telafi kapasitörünü ayarlayarak ideal bir kare dalga elde etmeyi deneyiniz. 5.3 Breadboard üzerindeki sabit 5 V luk DC güç kaynağı çıkışını sayısal multimetre ile ölçünüz ve kaydediniz. (1) 5.4 Osiloskopta ekranda görülen izin sıfır seviyesini x-ekseni üzerine gelecek şekilde ayarlayınız. Ekrandaki izin önceki konumuna göre kaç bölme yer değiştirdiğini ve VOLTS/DIV anahtarının konumunu kaydediniz. (2) DC gerilimin değerini hesaplayınız ve kaydediniz. (3) 5.5 Osiloskobun CH1 girişine, x1 probunu kullanarak, deney seti ana ünitesi üzerindeki fonksiyon üretecinden aldığınız 1kHz lik sinüs dalgasını uygulayınız. Yaklaşık bir tam periyot elde edebilmek için Position(yatay) anahtarını ayarlayınız, ekranda tepeden tepeye 5V genlik elde edecek şekilde CH1 kanalının VOLT/DIV ve TIME/DIV anahtarlarını aşağıdaki konumlara ayarlayınız:
5 VOLT/DIV ve 0.5 ms/div konumları için işaretin tepeden-tepeye genlik bölme sayısını ve genlik değerini kaydediniz. (4) Sinüzoidal işaretin periyot bölme sayısını, periyodunu ve frekansını kaydediniz. (5) 2 VOLT/DIV ve 0.2 ms/div konumları için sinüzoidal işaretin tepeden-tepeye genlik bölme sayısını ve genlik değerini kaydediniz. (6) İşaretin periyot bölme sayısını, periyodunu ve frekansını kaydediniz. (7) 1 VOLT/DIV ve 0.2 ms/div konumları için sinüzoidal işaretin tepeden-tepeye genlik bölme sayısını ve genlik değerini kaydediniz. (8) İşaretin periyot bölme sayısını, periyodunu ve frekansını kaydediniz. (9) 5.6 Digital multimetre kullanarak (DC/AC anahtarı AC konumunda iken) fonksiyon üreteci çıkışının RMS değerini ölçünüz. (10) Tepeden tepeye genlik (V pp) değerini hesaplayınız ve kaydediniz. (11). V = 2 2V pp rms B R A Osiloskop Fonksiyon üreteci ~ C CH1 GND CH2 GND Şekil 5.1 5.7 Şekil 5.1 de gösterilen devreyi, R=390Ω and C=100nF kullanarak, deney tahtası üzerine kurunuz. Deney seti ana birimi üzerindeki fonksiyon üreteci çıkış uçlarından elde edeceğiniz V pp = 5 V ve f = 1 khz lik sinüzoidal işareti devrenin B-GND uçlarına uygulayınız. Problar x1 konumunda iken, A düğümünü CH1 girişine ve B düğümünü CH2 girişine bağlayınız. Her iki girişi de ekranda aynı anda izleyebilmek için CH1/CH2/düğmelerine basıp yeşile döndüklerini sağlayınız.. CH1 ve CH2 kanallarının VOLT/DIV anahtarlarını ve TIME/DIV anahtarını ekranda uygun görüntü elde edecek şekilde ayarlayınız. Dalga şekillerinin tepe noktaları arasındaki (ya da sıfır geçiş noktaları arasındaki) zaman farkını bölme sayısı (DIV) türünden ölçünüz ve faz farkını, (a) f=1 khz (12) ve (b) f=5 khz (13) değerleri için hesaplayınız ve kaydediniz. 6. ELDE EDİLEN SONUÇLAR Ölçülen/Hesaplanan Nicelik Ölçüm/Hesaplama Sonucu ve Birimi DC Gerilim Ölçümü 1 Multimetre ile ölçülen DC gerilimi 2 Osiloskop Ölçülen DC gerilimi bölme sayısı, VOLTS/DIV konumu 3 Ölçümü Ölçülen DC gerilimi AC Gerilim Ölçümü 5VOLT/DIV ve 0.5 ms/div konumları için 4 Vpp nin bölme sayısı ve değeri 5 Periyot bölme sayısı ve değeri; frekansı (hesaplanan)
2VOLT/DIV ve 0.2 ms/div konumları için 6 Vpp nin bölme sayısı ve değeri 7 Periyot bölme sayısı ve değeri; frekansı (hesaplanan) 1VOLT/DIV 0.2 ms/div konumları için 8 Vpp nin bölme sayısı ve değeri 9 Periyot bölme sayısı ve değeri; frekansı (hesaplanan) 10 Multimetre Ölçümü Vrms 11 Vpp Zaman Farkı Yöntemi ile Faz Farkı Ölçümü: [Φ = (360 o /T)td] 12 f=1 khz için faz farkı (ölçülen) 13 f=5 khz faz farkı (ölçülen) Lissajous Yöntemi ile Faz Farkı Ölçümü: [Φ = sin -1 (Y1/Ymax)] 14 f=1 khz için faz farkı (ölçülen) 15 f=5 khz için faz farkı (ölçülen) 7. SONUÇLARIN İRDELENMESİ 7.1 (5.3) ve (5.4) de elde ettiğiniz sonuçları karşılaştırınız. Uyuşmazlık varsa nedenlerini belirtiniz. 7.2 (5.5) ve (5.6) da elde ettiğiniz sonuçları karşılaştırınız. Uyuşmazlık varsa nedenlerini belirtiniz. 7.3 (5.7) ve (5.8) de elde ettiğiniz sonuçları karşılaştırınız. Uyuşmazlık varsa nedenlerini belirtiniz. Ek A Paragraf 5.7 de Ölçülen Faz Farklarının Kuramsal Yoldan Hesaplanması B R A A + V B ~ 1/jwC Şekil B.1 V A Şekil 5.1, kolaylık amacıyla Şekil B.1 olarak tekrar çizilmiştir. VB=1 0 volt varsayalım. VA nın genliğini ve faz açısını elde
etmek için Şekil B.1 deki devrede gerilim bölücü yöntemini uygulayalım: 1 jwc V V V ( ) tan 1 R + 1+ jwc 1 + ( wrc) tan wrc 1 + ( wrc) jwc VB VA nın genliği: VA = 2 1 + (2 π frc) B B B 1 VA = VB = = = wrc 2 1 2 VA ve VB gerilimleri arasındaki faz farkı (VA fazörü VB den geride): 1 1 (tan wrc) (tan 2 frc) φ = = π f = 1000 Hz için V A VB VB = = = 0,97 V 2 9 2 1 + (2 π frc) 1 + (2π 1000 390 100 10 ) B φ 1 9 1 = tan (2π 1000 390 100 10 ) = tan 0, 245 = 15,30 f = 5000 Hz için V A VB VB = = = 0,63V 2 9 2 1 + (2 π frc) 1 + (2π 5000 390 100 10 ) B φ 1 9 1 = tan (2π 5000 390 100 10 ) = tan 1, 225 = 56, 42 Şekil B.2 de VA ve VB fazörlerinin 1000 Hz ve 5000 Hz frekans değerleri için fazör diyagramı gösterilmiştir. Sanal eksen VB = 1 volt 0 VA = 0,97 volt f = 1000 Hz için VA = 0,63 volt f = 5000 Hz için Gerçel eksen Şekil B.2 VA ve VB gerilimlerinin f=1 khz ve 5 khz için fazör diyagramı Şekil B.3 ve B.4 de, sırasıyla, 1000 Hz ve 5000 Hz frekans değerleri için VA ve VB fazörlerinin saatin ters yönünde dönerken gerçel eksen üzerindeki izdüşümlerine karşı gelen osiloskop ekranı görüntüleri gösterilmiştir ve iki gerilim fazörü arasındaki faz farkı belirtilmiştir.
Sanal eksen Fazör diyagramı 0 V B Gerçel eksen V A VA = 0,97 V v B(t): CH 1 (ileride) v A(t): CH 2 (geride) Gerilim 0,17 DIV 0,17 DIV 1 DIV Zaman Şekil B.3 f=1 khz için VB ve VA gerilimleri arasındaki faz farkının osiloskop ekranındaki görüntüsü ( için)
DENEY SONUÇLARI ÇİZELGESİ (Deney bitiminde bu çizelgeyi laboratuvar sorumlusuna onaylatılıp teslim ediniz) Deney 9: Osiloskop Uygulamaları Lab. Grup No.: Hazırlayanlar :.................... ;.................... :.................... Çizelge 1: Ölçüm ve hesaplama sonuçları Ölçülen/Hesaplanan Nicelik Ölçüm/Hesaplama Sonucu ve Birimi DC Gerilim Ölçümü 1 Multimetre ile ölçülen DC gerilimi 2 Osiloskop Ölçülen DC gerilimi bölme sayısı, VOLTS/DIV konumu 3 Ölçümü Ölçülen DC gerilimi AC Gerilim Ölçümü 5VOLT/DIV ve 0,5 ms/div konumları için 4 Vpp nin bölme sayısı ve değeri 5 Periyot bölme sayısı ve değeri; frekansı (hesaplanan) 2VOLT/DIV ve =0,2 ms/div konumları için 6 Vpp nin bölme sayısı ve değeri 7 Periyot bölme sayısı ve değeri; frekansı (hesaplanan) 1VOLT/DIV 0,2 ms/div konumları için 8 Vpp nin bölme sayısı ve değeri 9 Periyot bölme sayısı ve değeri; frekansı (hesaplanan) 10 Multimetre Ölçümü Vrms 11 Vpp Zaman Farkı Yöntemi ile Faz Farkı Ölçümü: [Φ = (360 o /T)td] 12 f=1 khz için faz farkı (ölçülen) 13 f=5 khz faz farkı (ölçülen) Lissajous Yöntemi ile Faz Farkı Ölçümü: [Φ = sin -1 (Y1/Ymax)] 14 f=1 khz için faz farkı (ölçülen) 15 f=5 khz için faz farkı (ölçülen)