Amplitudi, taajuus ja jaksonaika

Kuva 2.1. Oskilloskoopin kuvaputki

Yleismittarilla voidaan tutkia hitaasti muuttuvia signaaleja, mutta kun signaali muuttuu satoja, tuhansia tai miljoonia kertoja sekunnissa, tarvitaan oskilloskooppia. Oskilloskoopilla voidaan piirtää jännitteen vaihtelu ajan suhteen ruudulle (kuva 2.1). Aloittakaamme tutustumalla oskilloskooppiin.

Tehtävä 2.1: Kytke funktiogeneraattorin MAIN OUT oskilloskoopin kanavaan 1. Yritä saada signaali näkymään ruudulla.

Kuva 2.2. Liipaisusäätimet

Tehtävää 2.1 varten oskilloskoopin liipaisu (trigger) sekä amplitudi- ja taajuusalueet tulee säätää kohdilleen. Aloita kääntämällä liipaisutasonuppia (kuva 2.2) edestakaisin, kunnes signaali on näkyvissä ja paikallaan. HUOM: varmista, että oskilloskoopissa on valittuna oikea kanava (ks. kuva 2.4), ja että sama kanava on myös liipaisulähteenä (source). Lisäksi kannattaa panna triggeröinti auto-tilaan, jolloin signaali on näkyvissä vaikka liipaisua ei tapahtuisi.

Kuva 2.3. Pyyhkäisysäätimet

Säädä seuraavaksi taajuusalue kohdilleen pyörittämällä taajuusalueen valintanuppia (kuva 2.3). Nupin TIME/DIV-teksti tarkoittaa sitä ajanjaksoa, jota yksi oskilloskoopin näytön viivaväli (kuva 2.1) vastaa. Jos signaali näyttää vaakasuoralta viivalta, käännä nuppia vastapäivään (kohti pienempiä taajuuksia); jos se liikkuu ylösalaisin niin nopeasti, että se muodostaa palkin, käännä nuppia myötäpäivään. Jos signaali on vieläkin vaakasuora viiva, on amplitudialue todennäköisesti väärä — käymme sen läpi seuraavaksi.

Kuva 2.4. Kanavasäätimet

Amplitudialueen valinta tapahtuu siihen tarkoitetulla nupilla (kuva 2.4). Nupin yhteydessä oleva teksti VOLTS/DIV tarkoittaa sitä jännite-eroa, jota yksi viivaväli oskilloskoopin ruudulla vastaa. Jos signaali näyttää suoralta viivalta, on amplitudialue liian suuri, joten käännä nuppia myötäpäivään. Jos signaali leikkautuu ylä- ja alareunoihin, on alue liian pieni, joten nuppia käännetään vastapäivään. Kanavan valintasäätimellä voidaan valita ruudulla näytettävä kanava (tai kanavat); tässä tehtävässä käytämme kanavaa A. DC-erotus –säätimellä voidaan suodattaa tasavirtakomponentti pois signaalista, jolloin signaalia ei tarvitse erikseen käsin asemoida.

Kuva 2.5. Funktiogeneraattori

Tehtävä 2.2: Aseta funktiogeneraattorin (kuva 2.5) taajuudeksi (frequency) 1MHz ja peak-to-peak amplitudiksi (amplitude) 1V käyttäen generaattorin säätimiä ja näyttöä. Käytä aaltomuotona siniaaltoa (∿). Tarkista arvot mittaamalla ne oskilloskoopilla.

Taajuus kuvaa signaalin jaksojen ajallista tiheyttä - suuritaajuuksisessa signaalissa on enemmän jaksoja samalla aikajaksolla kuin pienitaajuuksisessa signaalissa. Taajuuden yksikkö on hertsi (Hz), joka on sekunnin käänteisluku (1/s). Taajuuden symboli on yleensä f.

Jaksonaika kuvaa signaalin yksittäisen jakson kestoa. Sen perusyksikkö on sekunti (s). Jaksonaika ja taajuus kuvaavat samaa asiaa, mutta ovat toistensa käänteislukuja - suuri jaksonaika tarkoittaa pientä taajuutta ja toisinpäin (t = 1/f). Jaksonajan symboli on yleensä t, sama kuin ajan symboli.

Amplitudi kuvaa värähtelyjen laajuutta, eli jännitesignaalin tapauksessa jännitteen vaihteluväliä. Amplitudisuureita on useita: huipusta huippuun-amplitudi on suurimman ja pienimmän jännitearvon välinen erotus, ja sitä käytämme eniten tällä kurssilla. Muut suureet ovat huippuamplitudi, joka on jännitteen suurin arvo, sekä tehollinen amplitudi, joka kuvaa signaalin välittämän tehon määrää. Jännitesignaalin tapauksessa amplitudisuureiden yksikkö on voltti (V). Huipusta-huippuun amplitudin symboli on jännitesignaalien tapauksessa yleensä Vₚ₋ₚ ja huippuamplitudin symboli Vₚ.

Kuva 2.6. Suureet graafisesti kuvattuna

1,2,4) katso kuva 2.6
5) jännitesignaalien tapauksessa

Taulukko 2.1. Muutamia suureita

Amplitudin, taajuuden ja jaksonajan mittaaminen oskilloskoopilla. Ko. suureiden mittaamiseen oskilloskoopilla tarvitaan sekä oskilloskoopin ruudulla näkyvä kuva että TIME/DIV ja VOLTS/DIV asetukset. Mittaus tapahtuu seuraavasti (kuva 2.7):

1. Säädä oskilloskooppi siten, että vähintään yksi jakso näkyy selvästi kokonaisuudessaan ruudulla.
2. Laske vaakasuuntaisten viivavälien (DIV) lukumäärä kahden samassa kohdassa jaksoa olevan pisteen välissä. Pisteinä voivat olla esimerkiksi huiput tai jakson alkukohdat. Huomaa, että viivavälien määrän ei tarvitse olla kokonaisluku - esimerkiksi 3,3 viivaväliä on täysin järkevä arvo.
3. Kerro tämä luku oskilloskoopin TIME/DIV arvolla, jolloin saat jaksonajan.
4. Laske jaksonajan käänteisluku yksiköt huomioiden. Näin saat taajuuden.
5. Laske pystysuuntaisten viivavälien lukumäärä signaalin korkeimman ja matalimman kohdan välillä.
6. Kerro tämä luku oskilloskoopin VOLTS/DIV arvolla. Näin saat huipusta huippuun-amplitudin.

Kuva 2.7. Suureiden mittaaminen oskilloskoopilla

Tehtävä 2.3: opettaja säätää funktiogeneraattorien asetukset ja peittää generaattorit paperilapulla. Mittaa signaaleista amplitudi, taajuus ja jaksonaika.

Tehtävä 2.4: kytke Mystinen Signaalilähde™ oskilloskooppiin ja tulkitse sen tuottamat signaalit. Käytä oskilloskoopin DC-asentoa. Signaalia voi vaihtaa nappia painamalla. Käytä apuna kuvaa 2.8.

Jos signaalin saa näkymään ruudulle, voi sen sisällöstä tulkita monia seikkoja myös kvalitatiivisesti — aaltomuodon, mahdollisen modulaatiotavan (AM/FM), digitaalisen signaalin koodauksen (Manchester, 8b/10b, jne..), ja lukemattomia muita ominaisuuksia. Tehtävässä 2.4 tarkastellaan signaaleja oskilloskoopilla ja tulkitaan niiden sisältöä.

Kuva 2.8. Morseaakkoset ja binääriluvut