OSKILLOSKOOPPIMITTAUKSIA

OSKILLOSKOOPPIMITTAUKSIA
1 OSKILLOSKOOPPI
1.1 Katodisädeputki
Katodisädeputkioskilloskooppi on elektroninen mittauslaite, jonka avulla voidaan tutkia ajan
suhteen muuttuvia sähköisiä ilmiöitä. Oskilloskoopin keskeisin osa on katodisädeputki, jonka
kuvapinnalle tarkasteltavana oleva ilmiö saadaan näkyviin. Periaatteessa samanlaisia laitteita
ovat myös mm. television ja tutkan kuvaputket. Oskilloskoopin katodisädeputken kaaviokuva
on esitetty kuvassa 1.
Elektronitykki
y-levyt
x-levyt
B
A
Anodi
Fokusointi- Katodi
elektrodi
Kiihdytyselektrodi
y-vahvistin
x-vahvistin
Kuvapinta
Ohjaushila
Kuva 1. Katodisädeputken perusrakenne.
Katodisädeputken perusosat ovat:
-
elektronitykki, jonka muodostaa katodi, ohjaushila, kiihdytyshila, fokusointielektrodi ja anodi,
poikkeusjärjestelmä (vaaka- ja pystypoikkeutuslevyparit eli X- ja Y-levyt) ja
valaiseva kuvapinta. Elektronisuihku, joka on fokusoitu hyvin kapeaksi, törmää fluoresoivalle
kuvapinnalle, mihin muodostuu selvästi havaittava valopiste. Täten tulee mahdolliseksi tutkia
elektronisuihkun kulkua poikkeutusjännitteen ohjaamana.
Elektronitykin tehtävänä on synnyttää terävä elektronisuihku eli säde, joka kulkee kahden
toisiaan vastaan kohtisuoran levyparin X ja Y välistä kuvapinnalle. Osuessaan kuvapinnalle säde
synnyttää kirkkaan valopisteen A.
Kuvapinnalle syntyy varsinainen kuva vasta, kun pistettä voidaan liikuttaa eli suihkua
poikkeuttaa alkuperäisestä suunnasta. Tätä varten oskilloskoopissa on sähköinen
poikkeutusjärjestelmä. Jos esimerkiksi levyparin X levyjen välille kytketään tasajännite, niin
suihku kulkee osan matkasta sähkökentässä, joka poikkeuttaa sitä vaakasuorassa suunnassa.
Kuvapiste syntyy nyt esimerkiksi kohtaan B. Siirtymä AB on verrannollinen X-levyjen väliseen
jännite-eroon. Vastaavasti Y-levyille tuotu jännite poikkeuttaa sädettä pystysuorassa
suunnassa.
1.2 Pyyhkäisy
Tutkittaessa ajan mukana jaksollisesti muuttuvaa jännitettä toimii X-akseli tavallisesti aikaakselina, ts. X-levyille johdetaan ajan suhteen tasaisesti muuttuva jännite, ns. pyyhkäisyjännite.
Vastaavasti Y-levyille johdetaan tarkasteltavana oleva jännite. Oskilloskoopin kuvapinnalle
piirtyy tällöin käyrä, joka kuvaa tutkittavan jännitteen muuttumista ajan suhteen (kuva 2).
Pyyhkäisyjännite synnytetään pyyhkäisygeneraattorissa, johon liittyvät tahdistus- ja
liipaisuparit (synkronointi- ja triggeripiirit).
-v2
t0
t1
-v1
0
+v1 +v2
vx
t2
t3
t4
t5
vy
t
t6
t0
t1 t2 t3 t 4
t5
t6
t
Tutkittava jännite
Kuva 2. Kuvan piirtyminen oskilloskoopin kuvapinnalle.
Jotta haluttu osa käyrää saataisiin tarkoituksenmukaisesti osumaan kuvapinnalle, on
pyyhkäisyn alettava oikealla hetkellä ja tapahduttava sopivalla nopeudella. Jaksollista ilmiötä
tarkasteltaessa on pyyhkäisykin toistuva, sen nopeuden ja toistumistaajuuden on samoin
oltava sopiva. Oskilloskoopeissa pyyhkäisyjännite on yleensä sahalaitajännite (kuva 3).
Tahdistus tapahtuu katkaisemalla tahdistuspulssilla pyyhkäisy siten, että piste etenee
määrätyn matkan oikealle ja palaa sitten nopeasti vasempaan reunaan ja lähtee heti uudelleen
liikkumaan oikealle.
vx
t0
t1
t2
t
Kuva 3. Sahalaitajännite.
Pyyhkäisyjännitteen tahdistukseen voidaan käyttää myös erilaista liipaisupulssia. Tällöin piste
odottaa vasemmassa reunassa, kunnes se liipaisupulssin tullessa lähtee oikealle. Määrätyn
matkan kuljettuaan piste palaa nopeasti vasemmalle odottamaan seuraavaa liipaisupulssia. On
selvää, että liipaisun on tavalla tai toisella tapahduttava tarkasteltavan ilmiön tahdissa, jotta
näkyviin saataisiin haluttu osa käyrää ja jotta toistuvasta ilmiöstä aina täsmälleen sama kohta
osuisi kuvaputkelle niin, että saadaan paikallaan pysyvä kuva. Tätä varten on oskilloskoopeissa
liipaisupiirit. Liipaisu voi olla joko ulkoinen tai sisäinen. Edellisellä tarkoitetaan sitä, että
liipaisupiirejä ohjaa jännite, joka on yhteydessä tutkittavaan ilmiöön. Jälkimmäisessä
tapauksessa liipaisupiirien ohjausjännite otetaan oskilloskoopin omasta Y-vahvistimesta, ts.
liipaisu tapahtuu oskilloskoopissa näkyvän käyrän muodon ohjaamana. Myös verkkojännitettä
voidaan käyttää tahdistuksen suorittamiseen.
1.3 Kaksikanavainen oskilloskooppi
YA
YA
Vahvistin
KANAVA
A
Elektronikytkin
Vahvistin
KANAVA
B
Y-vahvistin
Elektronitykki
V/CM
X-vahvistin
X-TULO
LIIPAISU
TIME/CM
A
B
EXT
Pyyhkäisygeneraattori
Kuva 4. Kaksikanavaisen oskilloskoopin lohkokaavio.
Kuva 4 esittää kaksikanavaisen oskilloskoopin rakennetta. Laitteessa on kaksi tulokanavaa (A ja
B tai 1 ja 2), joita vastaavat kuvaajat saadaan samanaikaisesti näkyviin kuvapinnalle. Tämän
mahdollistaa elektroninen kytkin, joka kytkee kanavien tulovahvistimien lähdöt vuorotellen Yvahvistimen tuloon. Vaihtaminen voi tapahtua siten, että kuvapiste ensin piirtää toisen
kanavan signaalin kuvaajan, palaa sitten sammutettuna kuvapinnan vasempaan reunaan ja
piirtää sitten toisen kanavan kuvaajan. Toinen mahdollisuus on, että vaihtaminen tapahtuu niin
nopeasti, että kuvapiste piirtää kummankin kanavan signaalien kuvaajat lyhyinä paloina saman
pyyhkäisyn aikana.
Kuva 5 esittää erään harjoitustöissä käytettävän analogisen oskilloskoopin etupaneelia.
Oskilloskooppi on luonteeltaan tyypillinen yleisinstrumentti ja siksi siltä vaaditaan suurta
monipuolisuutta. Tyypillinen oskilloskoopin aika-akselin pyyhkäisyaika saattaa olla
aseteltavissa yhdestä nanosekunnista kymmeneen sekuntiin ja y-akselin vaatima
poikkeutusjännite sadasta voltista mikrovolttiin.
Katodisädeputken luonteesta johtuu, että sitä on vaikea rakentaa ideaalisen tarkaksi ja
lineaariseksi. Oskilloskoopin käyttötarkoitus on alkujaan ollutkin nimenomaan ilmiöiden
havainnollistaminen mieluummin kuin tarkkuusmittausten suorittaminen. Nykyisillä laitteilla
mittaustarkkuus on 2 – 5 %. Tarkimmat mittaukset edellyttävät oskilloskoopin kalibrointia.
Erityisen sopivia oskilloskoopilla tarkasteltavia ilmiöitä ovat kaikki jaksolliset tai toistuvat
tapahtumat, joita löytyy runsaasti muiltakin tieteen ja tekniikan aloilta kuin pelkästään
sähkötekniikasta.
Kuva 5. Goldstar OS7020A –oskilloskoopin etupaneeli.
Goldstar OS-7020A – oskilloskoopin etulevy
Verkko
Näyttö
Pyyhkäisy
ja liipaisu
1
2
POWER
Virtakytkin
Verkkovirran merkkivalo
3
INTEN
Kirkkauden säädin
4
FOCUS
5
TRACE
ROTATION
SCALE
6
23
24
TIME/DIV
VARIABLE
Terävyyden säädin
25
PULL X 10
MAG
UNCAL
Kuvan kallistuman korjaus
26
POSITION
Asteikkovalon säädin
27
HOLD OFF
28
MODE
Yvahvistin
9
INPUT
Kanavan 1 tulo, x-tulo
AUTO
10
INPUT
Kanavan 2 tulo, y-tulo
NORM
11,12
AC/
Vaihtojännite/
TV-V
Pyyhkäisynopeuden valitsin
Pyyhkäisynopeuden
hienosäätö
Kuvan levitys 10-kertaiseksi
(nuppi ulosvedettynä)
Aika-akselin
kalibroinntin
varoitusvalo
Kuvan sivusuuntaisen paikan
säädin
Pyyhkäisyjen
välisen
ajan
säädin
Liipaisutavan valitsin
Automaattinen
pyyhkäisy
ilman liipaisevaa signaaliakin
Pyyhkäisy
vain
liipaisun
tapahduttua
Videosignaalin
tarkastelu
13,14
GND/DC
VOLTS/DIV
maa/tasajännitevalitsimet
Jännitealueen valitsimet
15,16
VARIABLE
Jännitealueen hienosäätö
17,18
UNCAL
19,20
POSITION
Jännitekalibrointien
varoituskalvot
Kuvan
pystysuuntaisen
paikan säädin
Kanavien 1 ja 2 summan
valitsin (summa saadaan
vetämällä nuppi ulos)
Kanavan 2 napaisuuden
vaihdin
(napaisuus
vaihdetaan
vetämällä nuppi ulos)
Näyttötavan valitsin
Näytössä
kanavan
1
signaali
Näytössä
kanavan
2
signaali
Kanavien 1 ja 2 signaalit
näytetään vuorotellen peräkkäisillä pyyhkäyksillä
Kanavien 1 ja 2 signaalit
PULL ADD
PULL CH2
INV
21
MODE
CH1
CH2
ALT
CHOP
TV-H
29
COUPLING
AC
HF REJ.
LF REJ.
30
DC
Signaalia ei muokata lainkaan
SOURCE
Liipaisevan signaalin valitsin
CH1
CH2
Kanavan 1 tulosignaali
Kanavan 2 tulosignaali
LINE
Liipaisu
tahdistuu
verkkojännitteeseen
EXT TRIG IN –tuloon tuotu
signaali
EXT
31
näytetään samalla
pyyhkäisyllä;
kuvapiste
vaihta kanavaa 250 Hz:n
32
taajuudella
kuvataajuudella
Videosignaalin
tarkastelu
juovataajuudella
Liipaisevan
signaalin
muokkauksen valitsin
Poistetaan
tasajännitekomponentti
Poistetaan
yli
4
kHz:n
taajuudet
Poistetaan alle 4 kHz:n
taajuudet
EXT TRIG
IN
LEVEL
SLOPE
33
TRIG’D
35
36
CAL
Ulkoisen liipaisusignaalin tulo
Liipaisutason säädin
Liipaisukohdan
valinta
nousevalta (+) tai laskevalta (-)
käyrän osalta
Liipaisun merkkivalo
Muuta
Kalibrointijännitteen lähtö
Maadoitusliitin
2 PYYHKÄISYPIIRIT
2.1 Sahalaita-aallon synnyttäminen
Oskilloskoopin vaakapoikkeutusjännitteelle (kuva 3) on ominaista lineaarinen nousu ja
suhteellisen nopea laskun alkuarvoon. Tällaisella sahalaita-aallolla on käyttöä myös esimerkiksi
television vaaka- ja pystypoikkeutusjännitteinä ja monissa säätöjärjestelmissä
ajoitussignaalina.
Sahalaita-aallon synnyttäminen perustuu kondensaattorin lataamiseen ja sitä seuraavaan
varauksen purkamiseen. Koska jännite kasvaa latauksen aikana eksponentiaalisesti, käytetään
usein erilaisia linearisoivia lisäpiirejä.
Tarkastellaan aluksi kuvan 6 esittämää yksinkertaista pyyhkäisypiiriä. Kun kytkin k avataan,
alkaa kondensaattorin C jännite
nousta eksponentiaalisesti kohti arvoa , Kun jännite on
noussut arvoon , kytkin k suljetaan. Silloin kondensaattorin varaus purkautuu vastuksen R 2
kautta, ja
laskee eksponentiaalisesti. Kun se on laskenut arvoon
, avataan kytkin k,
jolloin kondensaattori alkaa taas latautua.
R1
E
R2
I
C
Uc
k
Kuva 6. Yksinkertainen pyyhkäisypiiri.
Latautumis- ja purkautumisaikojen laskemiseksi otetaan lähtökohdaksi yhtälö
(1)
missä
on latauspiirissä kulkeva virta ja
, saadaan
kondensaattoriin varastoitunut sähkömäärä. Koska
(2)
Tästä
(3)
Alkuehdosta
, kun
arvo – . Siten
saadaan vakiolle
(4)
ja
(5)
Käyttämällä kuvassa 7 määriteltyjä ajankohtia
,
, ja
saadaan
(6)
ja
(7)
Siten
(8)
Uc
E
Up
Um
Uo
tm
tp
t1
tm1
c
t2
Kuva 7. Kuvan 6 oskillaattorin aaltomuoto. t1 on lataus- ja t2 purkausaika.
Vastaavanlainen tarkastelu voidaan suorittaa myös tilanteessa, jossa kytkin k on suljettu ja
kondensaattorin jännite laskee kohti arvoa
Tällöin päädytään tulokseen
(9)
Mikäli lataaminen ja purkaminen toistetaan jaksollisesti, on syntyvän pyyhkäisyjännitteen
taajuus
(10)
2.2 Unistorioskillaattori
Unistori eli yksiliitostransistori (unijunction transistor, UJT) eli kaksikantadiodi on
puolijohdekomponentti, jonka aktiiviset osat ovat n-tyyppinen puolijohdesauva ja siihen
diffusoitu p-tyyppinen emitteri (kts. kuva 8). Puolijohdesauvan päihin on kytketty johtimet
kantaelektrodeiksi B1 ja B2. Kun emitterin ja B1-kannan välinen jännite
on pienempi kuin
eräs kynnysjännite , on näiden elektrodien muodostaman diodin vastus hyvin suuri ja sen
läpi kulkeva virta
on pieni (ks. kuva 9). Kun
, emitteristä diffundoituvat
positiivisesti varautuneet aukot hakeutuvat kohti negatiivisempaa kantaa B 1. Aukkojen
muodostama positiivinen varaus vetää puoleensa elektroneja B1:stä. Näin diodin vastus
pienenee. :n kasvaessa vastus pienenee suhteellisesti nopeammin ja differentiaalinen vastus
.
Kynnysjännite
riippuu kantojen B1 ja B2 välisestä jännitteestä
yhtälön
(11)
esittämällä tavalla, missä
on UJT:lle ominainen vakio (luokkaa 0,4 – 0,6).
+
B2
B2
+
emitteri
+
IE
p +
U EB1
+
+
+
E
N
UBB
B1
B1
Kuva 8. Unistorin periaatteellinen rakenne ja piirrosmerkki.
IE
UBB > 0
negatiivisen
resistanssin alue
I B2 = 0
Ip
Up
Kuva 9. Unistorin ominaiskäyrästö.
Kuvassa 10 on katkoviivan sisällä pyyhkäisypiiri, joka on saatu kuvan 6 piiristä korvaamalla
kytkin k unistorilla. Kun unistori on sulkutilassa, kondensaattori C latautuu vastuksen R 1 kautta
kunnes emitterin potentiaali kantaan B1 nähden saavuttaa arvon
. Silloin UJT joutuu
johtavaan tilaan ja kondensaattorin lataus purkautuu sen kautta maahan. Jos vastuksen R 1
kautta kulkeva virta on kyllin pieni, UJT sulkeutuu uudelleen kondensaattorin jännitteen
laskeuduttua kylliksi. Tällöin kondensaattori alkaa taas latautua. Sahalaita-aalto saadaan siten
pisteestä A. Kun UJT:n vastus on kondensaattorin purkautumisen aikana pieni, on pisteen B
potentiaali maahan nähden silloin pienempi kuin kondensaattorin latautumisen aikana. Siksi
pisteestä B saadaan lyhyitä jännitepiikkejä, joista oskillaattorin taajuus voidaan mitata
taajuuslaskimella.
+
R1
Oskilloskoopin
tuloon A
A
RB
B
E
B2
C
Oskilloskoopin tuloon
B ja laskimeen
V
B1
Kuva 10. Unistorioskillaattori.
3 MIKROPIIRIVAHVISTIN
3.1 Mikropiireistä
Mikropiiri on pieneen kokoon määrätyillä menetelmillä pakattu kytkentä, jossa on joukko
komponentteja (transistoreita, vastuksia ja kondensaattoreita) sähköisesti toisiinsa
kytkettyinä. Mikropiirejä sanotaan myös integroiduiksi piireiksi eli IC-piireiksi ja ne jaetaan
kahteen luokkaan, lineaarisiin ja digitaalisiin piireihin.
Lineaariset mikropiirit voivat olla monikäyttöisiä tai tiettyyn tarkoitukseen suunniteltuja
erikoispiirejä. Monikäyttöiset piirit ovat ns. operaatiovahvistimia, joilla voidaan suorittaa
monenlaisia piiritoimintoja erilaisia takaisinkytkentöjä käyttäen. Erikoispiirit on suunniteltu
tiettyä erikoistoimintaa varten. Tällaisista piireistä mainittakoon jännitteen vakavointipiirit ja
välitaajuusvahvistinpiirit. Tässä työssä on tarkoitus tutustua operaatiovahvistimeen.
3.2 Operaatiovahvistin
Ideaalista operaatiovahvistinta kuvataan seuraavalla sivulla olevan symbolin ja piirimallin
avulla.
E
Ao ∙ein
-
1
Zin
ein
Ao
+
3
Zout
3
2
-
eout
+
+
Kuva 11. Operaatiovahvistimen symboli ja piirimalli.
Operaatiovahvistimen piirimallissa
= avoimen piirin jännitevahvistus,
= sisäänmenojännite,
= ulostulojännite,
= sisäänmenoimpedanssi (-resistanssi) ja
= ulostuloimpedanssi (-resistanssi).
Ideaalinen operaatiovahvistin määritellään seuraavasti:
1o
2o
3o
4o
5o
=

=

=
0
napojen 1 ja 2 läpi ei kulje virtaa
jos
, niin myös
.
Todellinen operaatiovahvistinpiiri pyritään valmistamaan niin, että lähestytään edellä
mainittuja ehtoja. Siis operaatiovahvistinpiirille on ominaista hyvin suuri vahvistus , hyvin
suuri sisäänmenoresistanssi
ja hyvin pieni ulostuloresistanssi
.
Koska
eli
on hyvin pieni, niin avoin operaatiovahvistinpiiri vahvistaa sisäänmenojännitteen
(12)
3.3 Takaisinkytketty operaatiovahvistin
Operaatiovahvistinta käytetään yleensä takaisinkytkettynä eli ulostulojännitteestä viedään
määrätty osa potentiometrisesti sisäänmenoon. Jos takaisinkytketty jännite on
vastakkaismerkkinen vahvistettavan jännitteen kanssa, on takaisinkytkentä negatiivinen ja
takaisinkytketyn vahvistimen vahvistus
on pienempi kuin avoimen piirin vahvistus
.
Positiivisessa takaisinkytkennässä, jossa takaisinkytketty ja vahvistettava jännite ovat
samanmerkkiset,
kytkentää.
on suurempi kuin
. Oskillaattoreissa käytetään positiivista takaisin-
Negatiivisesti takaisinkytketty operaatiovahvistin nähdään kuvassa 12, jossa
on
vahvistettava jännite,
on ulostulojännite,
ja
ovat operaatiovahvistimen
käyttöjännitteet,
ja
muodostavat takaisinkytkentäpotentiometrin ja
on ulkoinen
kuormavastus.
2
+
+Us
Iout
3
ein
1
-
–Us
Iout-I
Zf
I
es
es - ein
eout
ZL
Zo
I
Kuva 12. Negatiivisesti takaisinkytketty operaatiovahvistin.
Yllä olevassa kytkennässä
:n läpi kulkee Ohmin lain mukaan virta
(13)
Samansuuruinen virta kulkee myös :n läpi, koska operaatiovahvistimen + ja –napojen läpi
ei kulje virtaa. Yhtälöitä (12) ja (13) käyttäen saadaan kuvasta 12
ja siirtämällä ulostulojännitteen
edelleen
sisältävät termit yhtälön samalle puolelle saadaan
(14)
Jos
(15)
niin yhtälössä (14)
ja
(16)
Siis negatiivisesti takaisinkytketyn operaatiovahvistimen jännitevahvistus
(17)
yhtälön (16) mukaisesti, jos epäyhtälö (15) on voimassa. Takaisinkytkentävastukset
ja
voidaan helposti valita niin, että epäyhtälö (15) on voimassa, koska operaatiovahvistinpiirillä
on hyvin suuri. Epäyhtälö (15) voidaan myös kirjoittaa muotoon
(18)
Yhtälöstä (16) havaitaan, että negatiivisesti takaisinkytketyn operaatiovahvistimen vahvistus
riippuu vain ulkoisista komponenteista ( ja ), mutta ei riipu itse piiristä, kun epäyhtälö
(15) tai (18) on voimassa.
Jotta yhtälö (17) olisi voimassa todelliselle operaatiovahvistinpiirille, on lisäksi oletettava, että
(19)
Oleellista operaatiovahvistimelle on se, että + ja - -napojen potentiaalit ovat käytännössä
samat, koska
(20)
ja sama virta
kulkee
:n ja
:n läpi. Tällöin saadaan yhtälö (17) lyhyesti:
4 MITTAUKSET
4.1 Jännite- ja taajuusmittauksia
Mitataan äänitaajuusoskillaattorista G (kuvassa 13a) saatavan sinimuotoisen vaihtojännitteen
suuruus ja taajuus oskilloskoopilla. Käytetään erilaisia jännitteen ja taajuuden arvoja, jotka
valitaan siten, että joudutaan käyttämään oskilloskoopin eri mittausalueita. Jännitteet
mitataan myös digitaalimittarilla V ja taajuudet taajuuslaskijalla f.
4.2 Virtamittauksia
Oskilloskooppi on luonteeltaan jännitemittari ja kaikki muut suureet on muutettava
jännitteeksi, jotta ne voitaisiin sillä mitata. Virran mittaamiseksi kytketään piiriin pieni
tunnettu sarjavastus R ja mitataan jännitehäviö sen yli. Virta voidaan sitten laskea Ohmin
laista. Työssä tätä menetelmää sovelletaan äänitaajuusoskillaattorista G (kuvassa 13b)
saatavan sinimuotoisen vaihtovirran mittaamiseen. Tulosta verrataan virtamittarin A
lukemaan.
A
G
f
R
G
Osk.
V
Osk.
a
b
Kuva 13. (a) Vaihtojännitteen, taajuuden ja (b) vaihtovirran mittauksissa käytettävät kytkennät.
4.3 Unistorioskillaattori
Asetetaan oskilloskoopin tulonvalintakytkimet asentoon DC. Kytketään tulot A ja B maahan ja
asetetaan kuvassa näkyvät vaakasuorat janat sopivaan kohtaan kuvapinnan alaosaan (ysuuntainen paikan säätö). Näin saadaan kuvapinnalle jännitteen nollataso. Kytketään tulot A
ja B sitten pisteisiin A ja B kuvan 10 mukaan. Piirretään syntyvät kuvaajat ja em. nollataso
millimetripaperille assistentin määräämillä käyttöjännitteen ja resistanssin
arvoilla.
Työssä määritetään sahalaita-aallon taajuus seuraavilla menetelmillä:
1) Luetaan jakson pituus em. kuviosta ja lasketaan taajuus yhtälöstä
.
2) Luetaan kuviosta jännitteet
ja
(ks. kuva 7) ja lasketaan taajuus yhtälöistä (8) ja (10).
Purkausaika jätetään huomiotta, koska
.
3) Mitataan taajuus suoraan laskimella pisteestä B.
4) Mitataan taajuus äänijaksogeneraattorista saatava sinimuotoinen jännite oskilloskooppiin siten,
että se poikkeuttaa kuvapistettä vaaka-akselin suunnassa. Tutkittava sahalaita-aalto viedään
edelleenkin oskilloskoopin pystypoikkeutuslevyille. Jos X-levyille kytketty jännite tekee
sinivärähdystä sahalaita-aallon jakson
aikana, jolloin tämä Y-levyille kytketty jännite kasvaa
lineaarisesti, kuvapiste piirtää jännitteiden yhteisvaikutuksesta sinikäyrän, jossa on
jaksoa.
Sahalaita-aallon laskevalla osalla kuvapiste palaa lähtökohtaansa ja piirtää sitten uuden sinikäyrän.
Jos äänijaksogeneraattorin taajuus
säädetään sellaiseksi, että oskilloskoopissa nähdään
paikallaan pysyvä kuva sinikäyrän :stä jaksosta, saadaan sahalaita-aallon taajuus yhtälöstä
(21)
Varjostimella näkyvä kuva ei täysin vastaa sinikäyrää. Se johtuu sahalaita-aallon
epälineaarisuudesta.
Sahalaita-aalto piirretään aika-jännite-koordinaatistoon ja oskillaattorin taajuus määritetään
edellä esitetyillä menetelmillä eri :n arvoilla.
4.4 Operaatiovahvistin
Työssä käytetään valmista kytkentää, jossa on takaisinkytketty operaatiovahvistin. Sen
ominaisuudet ilmoitetaan työpaikalla.
Kytkennässä
:ksi voidaan valita katkaisijalla yksi neljästä vastuksesta.
1) Tasajännitteen vahvistaminen
Tasajännitelähteestä syötetään vahvistimen sisäänmenonapoihin jännite
, joka mitataan
esim. digitaalivolttimittarilla. Vahvistimen ulostulonavoista mitataan vahvistettu jännite
. Katkaisijan ollessa samassa asennossa (eli samalla :n arvolla) mitataan vastaavasti
ainakin toinen arvopari
. Toistetaan samat mittaukset kahdesta neljään
:n
arvolla. Saadut arvoparit sijoitetaan
–koordinaatistoon. Suoran kulmakerroin on
vahvistus
(ks. kuva 14). (Kahta arvoparia käytetään sen takia, että todellisella
operaatiovahvistimella voi olla pieni
vaikka
. Kuvassa 14 kuvattu suora ei
välttämättä kulje origon kautta, jolloin yhden pisteen avulla laskettu kulmakerroin ei anna
oikeaa tulosta.)
eout
Us
eout2
eout1
es1
es2
es
Kuva 14. Operaatiovahvistimen vahvistuksen määrittäminen.
2) Vaihtojännitteen vahvistaminen
Vaihtojännitegeneraattorista syötetään vahvistimen sisäänmenonapoihin vaihtojännite
(
kHz). Se ja vahvistettu jännite
mitataan oskilloskoopilla kahdesta neljään :n
arvolla.
3) Vahvistuksen teoreettinen laskeminen
Työssä annetaan :n ja neljän
arvot yhtälön (17) avulla.
:n arvot suoraan. Lasketaan vahvistuksen
Työselostuksessa lopputuloksina ilmoitetaan taulukon muodossa vahvistuksen
arvot kohdista 1) ja 2) sekä teoreettiset arvot kohdassa 3).
teoreettiset
mitatut
Piirretään kohdassa 1) mm-paperille
ja :n funktiona eri :n arvoille. Lisäksi on
todettava, että epäyhtälöt (16) ja (20) ovat hyvin toteutuneet.
:nä on kohdassa 1)
digitaalivolttimittarin sisäinen resistanssi, joka on suuruusluokkaa 10 M ja kohdassa 2)
oskilloskoopin sisäinen resistanssi, jota voidaan pitää äärettömän suurena.
HUOM! Ulostulojännite
ei voi olla välin
ulkopuolella.