Amasya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği ELEKTRİK DEVRELERİ-II LABORATUVARI DENEY FÖYÜ Hafta : 1 Deneyin Yapılış Tarihi : 06.10.2016 Deneyin Adı : Osiloskop Kullanımı Yrd. Doç. Dr. Canan ORAL Arş. Gör. Alişan Ayvaz alisan.ayvaz@amasya.edu.tr Arş. Gör. Merve Şen Kurt merve.sen@amasya.edu.tr Arş. Gör. Birsen B. Ayvaz birsen.boylu@amasya.edu.tr Öğrenci Adı : Öğrenci No : Deney Grubu : Ön Hazırlık Deney Çalışması Deney Aktiflik Deney Raporu Toplam Puan
Deneyin Amacı Osiloskop yapısının ve kullanımının öğrenilmesi A.Önbilgi Deney 1: Osiloskop Kullanımı Bir elektrik devresindeki temel büyüklükler devre elemanları üzerindeki akım ve gerilim değerleridir. Bu büyüklükleri ölçmek için, aslında kendileri de elektrik devreleri olan ölçü aletlerini kullanırız. Yani, akım ölçmek istiyorsak ölçeceğimiz akımı, üzerinden geçen akımın değerini bize bildirecek olan bir devreden (ölçü aletinden) geçirmemiz gerekir. Yani; ölçü aletini devreye seri olarak bağlamalıyız. Gerilim ölçmek istiyorsak, uçlarına uygulanan gerilim değerini gösteren bir devreye (ölçü aletine) ölçülmesini istediğimiz gerilimi uygulamamız lazımdır. Yani; ölçü aletini devreye paralel olarak bağlamalıyız. Bu ölçü aletleri avometre ve osiloskop tur. Bu deney kapsamında osiloskop ile ölçüm uygulamaları yapacağız. Osiloskop yalnızca gerilim ölçen ve girişine uygulanan gerilimin zamanla değişimini ekranında ayrıntılı olarak gösterebilen bir ölçü aygıtıdır. Günümüzde analog ve dijital olarak iki çeşit olarak kullanılmaktadırlar. Yapısal ve işlevsel açıdan osiloskop 4 ana kattan oluşur. Bunlar; görüntü birimi, yatay saptırma katı, düşey saptırma katı ve tetikleme katı dır. Şekil 1 - Osiloskop Yapısı Görüntü Birimi: Osiloskop ta ölçüm yapılabilmesi için gerekli görüntüyü sağlayan kısımdır. Çalışması; Şekil 1 de katot ışınlı tüpün katodu bir flaman yardımıyla ısıtılarak, atomik yapısında yer alan serbest elektronların kolayca kopması sağlanır. Bu serbest elektronlar anota uygulanan yüksek (+) potansiyelli gerilim yardımıyla anota (dolayısıyla ekrana) doğru büyük bir hızla çekilirler. Yukarıdaki yapıda gösterilmemiş olan ve yine katota göre (+) potansiyele sahip olan hızlandırma ve odaklama ızgaraları yardımıyla elektronlar anotta yer alan ekran yüzeyinin tam orta noktasına gönderilir. Ekranın iç yüzeyine kaplanmış olan floresans madde, üzerine elektronlar çarptığında ışıma yapar ve ekranı izleyen kişi tarafından parlak bir nokta olarak görülür. Girişe uygulanan sinyalimize göre bu parlak nokta ekran yüzeyinde sürekli hareket ederek belirli bir görüntü oluşur. Bu oluşan görüntü sayesinde de osiloskop ta ölçüm yapabiliriz. Sayfa - 2 - Toplam Sayfa -9 -
Düşey ve Yatay Saptırma: Düşey ve yatay saptırma levhalarının işlevleri, her bir çiftin kendilerine uygulanan farklı elektriksel potansiyeller sonucu aralarında oluşacak olan elektrik alanı yardımıyla, tam ortalarından geçen elektronları uygun yönde ve uygun oranda saptırarak ekranda belirli bir noktaya yönlendirmektir. Her iki levha çiftine de herhangi bir gerilim uygulanmadığında, elektron beneği ekranın tam ortasında sabit olarak görülecektir. (Ekranın ortasında bu şekilde görüntünün oluşması ekran kimyasalının zarar verdiği için sabit nokta olarak ayarlanmamalıdır). Şekil-2 de, düşey ve yatay saptırma levha çiftlerinin birine ya da her ikisine ve farklı yönlerde zamanla değişmeyen gerilimler uygulandığında, ekranda görülecek olan görüntüler verilmiştir. Şekil 2 - Yatay ve Düşey Saptırma Levhalarına Uygulanan Gerilimlerin Elektron Beneğini Saptırması Düşey saptırma levhalarına herhangi bir gerilim uygulanmadığını, sadece yatay saptırma levhalarına gerilim uygulandığını düşünelim. Örneğin, ekrana önden bakıldığında sağda yer alan levhaya, soldakine göre daha (+) olacak biçimde sabit (zamanla değişmeyen) bir gerilim uygulandığında, oluşacak elektrik alanı, elektron beneğini ekranın tam ortasına değil, biraz daha sağa doğru yönlendirir. Bu durum Şekil-2 (a) da görülebilmektedir. Belirtilen yönde, yatay saptırma levhaları arasına uygulanan gerilimin şiddeti arttırıldığında sapma oranı da aynı yönde ve biraz daha fazla olacaktır. Yatay saptırma levhalarına gerilim uygulanmayıp, sadece düşey saptırma levhalarına gerilim uygulanırsa, uygulanan gerilimin yönüne ve şiddetine bağlı olarak elektron beneği düşey doğrultuda yer değiştirir. Bu durum Şekil-2 (b) de görülmektedir. Eğer her iki levha çiftine de gerilim uygulanırsa, yine yön ve şiddetlerine bağlı olarak, elektron beneği ekran düzleminde farklı bir yer alır. Bu durum Şekil-2 (c) de görülebilmektedir. Şekil 3 - Yatay Saptırmaya Uygulanan Testere Dişli Gerilimin Görüntüye Etkisi Eğer düşey saptırma levhalarına herhangi bir gerilim uygulanmamışken, yatay saptırma levhalarına zamanla değişimi Şekil-3 (a) da verilen testere dişi biçimli bir gerilim uygulanırsa, levhalar arasındaki Sayfa - 3 - Toplam Sayfa -9 -
gerilim her an farklı olacağından, katottan fırlayarak ekrana doğru ilerleyen ve birbirini izleyen elektronları etkileyen elektrik alanı da zaman içinde farklı olacaktır. Bu durum, farklı anlarda ekrana ulaşan elektronların farklı noktalara çarpmalarına neden olur. Eğer uygulanan gerilimin zamanla değişim hızı çok küçük ise, bu durum ekranda yatay yönde ilerleyen bir nokta olarak gözlenir. Bu durum Şekil-3 (b) de görülebilmektedir. Ancak işaretin sıklığı (frekansı) gözün izleyebileceğinden daha hızlı ise, ekrana ulaşan elektronlar ekranda yatay bir çizgi olarak görülür. Bu durum Şekil-4 (c) de görülmektedir. Yatay saptırmaya uygulanan testere dişi gerilimin sıklığı, Tarama Frekansı ya da Tarama Hızı olarak da anılır. Tarama frekansı değiştirilerek ekrandaki görüntünün daha geniş ya da daha dar bir yatay uzunluk kaplaması sağlanabilir. Tetikleme Katı: Osiloskop ekranında elde edilen görüntünün sürekli aynı kalabilmesi için, her tarama işaretinin başlangıç noktasında girişe uygulanan gerilimin belirli bir anlık değerde olması gerekir. Aksi durumda her taramada giriş işareti farklı bir anlık değerden başlayacağından, ekranda durağan değil, kayan bir görüntü elde edilir. İşte tetikleme biriminin işlevi, giriş işaretinden örnekler alarak, her tarama başlangıcında yatay saptırma levhalarına uygulanan testere dişi biçimli işaretin en küçük değerinden başlatılmasını sağlamaktır. Aşağıda yatay saptırma levhalarına uygulanan senkronlanmış ve senkronlanmamış testere dişli işaret durumunda ekrandaki görüntüler verilmiştir; Şekil 4 - Yatay Saptırmaya Uygulanan Testere Dişli Gerilimin Senkronlanmış ve Senkronlanmamış Hali ve Ekranda Oluşan Görüntü Anlaşıldığı gibi, ekranda kararlı bir görüntü elde edebilmek için, süpürme işaretinin frekansının bir şekilde giriş işaretine bağımlı kılınması gerekmektedir. Eğer bağımlı kılınmazsa ekranda sağa veya sola kayan görüntü oluşacaktır. Sayfa - 4 - Toplam Sayfa -9 -
Lissajous Eğrileri Yardımıyla Faz ve Frekans Ölçme İki işaret arasındaki faz farkı veya bilinmeyen işaret frekansı Lissajous eğrileri kullanılarak ölçülebilir. Bu işlem çok hassas kalibrasyon gerektirmemesi nedeniyle avantajlıdır. Aralarında faz farkı bulunan iki işaretten biri düşey işaret girişine ve diğeri de yatay işaret girişine uygulanır. Burada dahili süpürme işareti kullanılmamaktadır. Ekran üzerinde meydana gelen eğri yardımıyla iki işaret arasındaki faz farkı kolayca belirlenir. Ekranda meydana gelecek şekil bir doğru, bir daire veya bir elips olacaktır. Şekil 5 Lissajous Eğrileri ile Faz Farkı Ölçülmesi Yatay girişe uygulanan işaretin Y m.sin(wt) ve düşey girişe uygulanan işaretin ise Y m.sin(ωt ϕ) olduğu düşünülsün. Ekranda Şekil 6 ya benzer görüntü elde edilecektir. t= 0 anında düşey giriş işaretinin aldığı değer Y=Y m.sinϕ olacaktır. Buradan hareketle; çıkarımından gerilimler arasındaki faz farkı bulunmuş olur. Aynı işlem X ekseni için de yapılabilir sonuç aynı çıkacaktır. Yani bulunan faz farkları aynı değer olacaktır. Şekil 6 Lissajous Eğrileri ile Faz Farkı Ölçülmesi Sayfa - 5 - Toplam Sayfa -9 -
Dijital Osiloskop Dijital osiloskop, analog osiloskop a benzerdir ama girişten alınan verinin işlenip sonradan ekrana uygulanması, ekran görüntüsünün USB bellek aracılığıyla alınabilmesi, verinin saklanması vb. gibi farklılıkları vardır. Her dijital bellekli osiloskop ta analog giriş işareti prop, bölücü ve kuvvetlendiriciler üzerinden bir A/D çeviriciye uygulanır, ardından nicelendirilir, dijitalise edilir ve örnekleme saat frekansına göre nokta nokta belleğe yerleştirilir. Bellek dolduktan sonra içeriği bir D/A çeviriciye uygulanır, ardından kuvvetlendirilir ve ekrana getirilir. Ekran, dijital bellek ve analog çalışma konumuna sahip DSO(Digital Storage Oscilloscope)'larda alışılagelmiş bir osiloskop resim tüpü, saf dijital osiloskoplarda ise bir "raster-scan" (satır satır tarama) tüpüdür. Dijital Osiloskop Ön Panelinde Yer Alan Düğme ve Anahtarların İşlevleri Power:Osiloskobun açma/kapama işlevini yerine getirir. Osiloskoptan osiloskopa konumu değişken olup laboratuarlarımızda bulunanlarda üst kısımdadır. Menü Birimi:Bu birimde osiloskop genel kullanım ve ayarlamaları için oluşturulmuş kısımlar bulunmaktadır. Measure:Ölçümle ilgili ayarlamaları içerir. Acquire:Sinyali yakalama ayarlarının yapıldığı kısımdır. Örnekleme modu değiştirme, tepe noktaları saptama ile yakalama gibi özelliklerin bulunduğu kısımdır. Storage:Sinyalin veya ilgili verilerin kayıdı, saklanması ile ilgili ayarlamaları içerir. Cursor:Osiloskop ekranında dikey olarak bulunan ve genellikle kesikli olan çizgilerin ayarlamalarını içerir. Bu çizgiler ile düşey ve yatay ölçümler, iki sinyal arası fark değerleri gibi ölçümler yapılmasına kolaylık sağlamaktadır. Display:Görüntüleme, ekran ayarlamalarını içerir. Utility:Osiloskop kullanım sistemi ile ilgili; dil ayarları, ses ayarları gibi düzenlemeleri içerir. Sayfa - 6 - Toplam Sayfa -9 -
Çalışma Kontrol Birimi: Bu birimde sinyalin çalışma anında kontrolü ilgili işlemler gerçekleştirilir. Auto: Bir nevi tetikleme işlemi gibi çalışır. Sinyalin ekranda net olarak görülebilmesi için tetiklemeyi otomatik ayarlayarak yarar sağlar. Run/Stop: Sinyalin ekrana yansıması sırasında ekranda sabit bir görüntü oluşmasını veya sinyalin sürekliğini sağlar. Düşey Saptırma Katı: Düşey saptırma (Giriş) katına ilişkin ayarlamalarda aşağıdaki düğme ve anahtarlar kullanılır. Çok kanallı (girişli) osiloskoplarda (CH1, CH2), her giriş için aşağıdaki düğme ve anahtarlar ayrı ayrı bulunmalıdır. CH1/CH2/MATH/REF/OFF: Bu düğmeler ilgili kanalın menüsünü, işaretini, dalga şeklini gibi özelliklerini ekranda görmek için kullanılır. OFF düğmesi ise ilgili kanalı ekrandan kaldırmak, kapatmak için kullanılır. VOLTS/DIV(SCALE):Bu çok konumlu seçici anahtar, düşey saptırma katında yer alan kuvvetlendiricinin kazancını kademeli olarak değiştirir. Anahtarların gösterdiği değer, elektron beneğinin düşey eksende bir kare (Div) sapmasının gerilimsel karşılığıdır. Örneğin; Ekranda Volts/div sekmesinin 1 Volt olması, ekranın düşey ekseninde 1 Div(1 cm) uzunluğundaki sapmasının 1 Volt gerilime karşılık olduğunu gösterir. Position: İlgili girişe uygulanan gerilim üzerine (+) ya da (-) işaretli bir DC gerilim eklenerek, ekrandaki o girişe ilişkin görüntünün tümüyle yukarıya ya da aşağıya doğru kaydırılması sağlanır. Yatay Saptırma Katı: Yatay saptırma ile ilgili olarak aşağıda ad ve işlevleri sıralanan anahtar ve düğmeler kullanılır: TIME/DIV(SCALE):Bu çok konumlu seçici anahtar, yatay saptırma uygulanan tarama işaretinin sıklığını kademeli olarak değiştirir. Anahtarın gösterdiği değer, elektron beneğinin yatay eksende bir kare (Div) sapmasının karşılığıdır. Örneğin; Ekranda Time/Div sekmesinin 1 ms olması, elektron beneğinin yatay ekseninde 1 Div (1 cm)uzunluğundaki ilerlemesinin 1 ms sürdüğünü gösterir. Position:Yatay saptırma levhalarına uygulanan gerilim üzerine (+) ya da (-) işaretli bir DC gerilim eklenerek, ekrandaki görüntünün tümüyle sağa ya da sola doğru kaydırılması sağlanır. Tetikleme Birimi: Tetikleme birimi ve Tarama Modu ile ilgili olarak aşağıda ad ve işlevleri sıralanan anahtar ve düğmeler kullanılır: Level: Ekranda görülmek istenen görüntünün, ekranın sol yanında, girişe uygulanan işaretin hangi anlık değerinden başlaması gerektiğini ayarlar. Giriş işareti ile tarama işaretinin eşzamanlılığının (senkronizasyonunun) olmaması, ekrandaki görüntünün durağan olmamasına, yani ekranda kayan bir görüntü olmasına neden olur. %50:Bu düğme tetikleme seviyesini sinyalin yarı seviyesi kadar düzeye ayarlar. Yani iki tepe nokta arasının tam orta noktasına tetikleme seviyesini çeker. Force: Normal ve Single tetikleme modlarında bir tetikleme sinyali ve fonksiyonu yaratma işlemini gerçekleştirir. Sayfa - 7 - Toplam Sayfa -9 -
B.ÖN HAZIRLIK 1. Osiloskopun yatay saptırma levhalarına bir işaret uygulanırken, düşey saptırma levhalarına herhangi bir işaret uygulanmazsa veya tam tersi durumda ekranda nasıl bir görüntü oluşur? 2. Aşağıdaki şekilde 2 farklı sinyalin osiloskop çıktısı görülmektedir. Buna göre; Time/Div=2ms, Volt/Div=5V a)kanal 1 ve Kanal 2 nin genlik ve periyotlarını hesaplayınız. b)iki sinyal arasındaki faz farkı kaç derecedir? C.DENEYİN YAPILIŞI 1. Osiloskopun düşey işaret girişine fonksiyon jeneratörü yardımıyla istenilen genlik ve frekans değerinde sinüzoidal bir işaret uygulayınız. Osiloskopun tetikleme, senkronizasyon ve pozisyon ayarlarını kullanarak ekranda duran ve yatay eksene göre simetrik bir görüntü elde etmeye çalışınız. Duran bir görüntü elde ettikten sonra, bu işarete ait büyüklükleri (genlik, periyot, frekans, etkin değer, ortalama değer) belirleyiniz. Aşağıdaki kısma oluşan sinyali ölçekli olarak çizip üzerinde yukarıdaki değerleri gösterip yazınız. Volt/Div= Time/Div= Sayfa - 8 - Toplam Sayfa -9 -
2. Osiloskopun girişindeki işaretin frekansını 1 khz e ayarlayınız (Giriş işaretinin genliğini istediğiniz değerde alabilirsiniz). Daha sonra bu işareti, R = 10kΩ ve C = 10nF elemanlarından oluşan bir alçak geçiren süzgeç (AGS) girişine uygulayınız. Osiloskobun 2 kanalından birini Vin ucuna (CH1=Vin), diğerini Vout (CH2=Vout) ucuna bağlayınız. a)iki işaretin osiloskop görüntüsünü aşağıdaki boş alana çiziniz. Ve AGS nin girişindeki ve çıkışındaki işaretler arasındaki faz farkını bulunuz. Volt/Div(CH1)= Volt/Div(CH2)= Time/Div= Faz Farkı (derece)= b)10nf değerindeki kapasitör üzerinden geçen akım değerini, osiloskoptan okuduğunuz genlik değerini kullanarak hesaplayınız. Sayfa - 9 - Toplam Sayfa -9 -