Oskilloskooppi ja mittapää

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Voisiko joku selventää miten mittapää vaikuttaa esim. seuraavissa tilanteissa. Ei tarvitse laskea mitään enkä sitä haluakaan. Oskilloskooppi (1Mohm, 15pF) johon on kytketty 1:10 vaimentava mittapää suojatulla johdolla jonka kapasitanssi on 120pF.
Kysytään johdon ja skoopin muodostamaa impedanssia 5kHz 15MHz taajuuksilla. Ja jatkokysymyksenä että mikä on impedanssi em. mittapään kanssa?
Olen laskenut mittapään vastukselle ja kondensaattorille arvot sekä kysytyt impedanssit ilman mittapäätä, mutta en tiedä miten lasketaan impedanssit mittapään kanssa.

Toisessa tapauksessa mitataan 1 mikrofaradin kondensaattorin ja 1Mohm:n vastuksen sarjaankytkennän kondensaattorin latautumisen aikavakiota. Kytkennän yli kytketään 10V tasajännite. Kysytään mihin arvoon kondensaattorin yli oleva jännite nousee kun mitataan a) mittapään kanssa b) ilman mittapäätä. Jos ymmärsin oikein niin ilman mittapäätä kondensaattorin yli oleva jännite nousee tuohon 10V. Mutta miten käy mittapään kanssa? jakaako se jännitten jotenkin ja kondensaattorin yli oleva jännite pienenee?

Kiitoksia vastauksista!

edit: typoja

Kommentit (15)

ovolo
Seuraa 
Viestejä5368
Liittynyt7.7.2007

En nyt tarkkaan oivaltanut, mitä ajat takaa, mutta vaimentavassa mittapäässä tulee olla 9Mohmin vastus ja noin 15pF ( (120pF + 15pF)/9)kondensaattori 9Mohmin vastuksen rinnalla.
Tuo kondensaattori on yleensä trimmeri, joka trimmataan skoopin etuseinästä saatavalla suorakulma-aallolla siten, että oskilloskoopin kuva näyttää suorakulma-aallolta.

Sisäänmenon tasavirtavastus on 10Mohmia shuntattuna 15pF ja 135pF sarjakytkennällä. Siitä voit laskea impedanssit eri taajuuksille.

Vierailija

Mittapää muodostaa ohmisen ja kapasitiivisen jännitteen jakajan. Kun skoopin resistanssi on 1 Mohm on mittapäässä 9 Mohmin vastus. Tämän rinnalla on kondensaattori, jonka kapasitanssi on (120 + 15)/9 pF.
Mitattaessa kondensaattorin latautumista ilman mittapäätä, skooppi kuormittaa kondensaattoria 1 Mohm vastuksella eli jänite nousee vain 5 volttiin. Mittapään kanssa kuormitus on 10 Mohm jolloin jännite nosee 10V * 10 Mohm / 11 Mohm = 9,09 V.

Vierailija
ovolo
En nyt tarkkaan oivaltanut, mitä ajat takaa, mutta vaimentavassa mittapäässä tulee olla 9Mohmin vastus ja noin 15pF ( (120pF + 15pF)/9)kondensaattori 9Mohmin vastuksen rinnalla.
Tuo kondensaattori on yleensä trimmeri, joka trimmataan skoopin etuseinästä saatavalla suorakulma-aallolla siten, että oskilloskoopin kuva näyttää suorakulma-aallolta.

Sisäänmenon tasavirtavastus on 10Mohmia shuntattuna 15pF ja 135pF sarjakytkennällä. Siitä voit laskea impedanssit eri taajuuksille.




Kiitoksia. Oli jotenkin vaikeuksia hahmottaa miten kondensaattorit sijaitsevat toisiinsa nähden. Luulisin ymmärtäneeni nyt ja impedanssikin näyttäisi 10-kertaistuvan mittapäällä mitattaessa, niinkuin ilmeisesti 1:10 mittapäällä pitääkin.

o_turunen
Seuraa 
Viestejä10598
Liittynyt16.3.2005

Tähän kohtaan sitten kuuluu näsäviisas vastaus:
RC-kytkennässä ei kondensaattorin jännite ikinä saavuta ns. loppuarvoaan.
Voitaisiin ajatella, että otettaisiin huomioon mittapään kapasitanssi ja tarkasteltaisiin jännitteen nousunopeutta. Tosiasiassa tuommoinen 15 pF tms. ei vaikuta yhtään mitään oskilloskoopilla havaittavaa jännitteen nousunopeuteen kun rinnalla on 1 uF kondensaattori.

15 MHz taajuudella mittapään kapasitanssin reaktanssi on niin pieni, että tuon 10 Mohm voi unohtaa. Reaktanssi on pikaisen päässälaskun mukaan jotain 707 ohm. Ilman mittapäätä tilanne on hiukan hankalampi, koska oskilloskoopeissa on tulonavan kapasitanssi 30 pF tai sitten jotain muuta. Suuruusluokka ei paljon heitä, jos arvataan, että käytämme koaksiaalikaapelia mittajohtona. 1,2 m pituisen kaapelin kapasitanssi on suunnilleen 120 pF, ja kokonaiskapasitanssi on arviolta 150 pF, eli impedanssi on suunnilleen kymmenesosa mittapään impedanssista, niinkuin arvata saattoikin.

Tuon 5 kHz tapauksen jätän lukijalle harjoitustehtäväksi.

Korant: Oikea fysiikka on oikeampaa kuin sinun klassinen mekaniikkasi.
Korant: Jos olet eri mieltä kanssani olet ilman muuta väärässä.

Vierailija
korant
Mittapää muodostaa ohmisen ja kapasitiivisen jännitteen jakajan. Kun skoopin resistanssi on 1 Mohm on mittapäässä 9 Mohmin vastus. Tämän rinnalla on kondensaattori, jonka kapasitanssi on (120 + 15)/9 pF.
Mitattaessa kondensaattorin latautumista ilman mittapäätä, skooppi kuormittaa kondensaattoria 1 Mohm vastuksella eli jänite nousee vain 5 volttiin. Mittapään kanssa kuormitus on 10 Mohm jolloin jännite nosee 10V * 10 Mohm / 11 Mohm = 9,09 V.



Voisitko selventää hieman. Itse ajattelin kondensaattorin yli olevaa jännitettä kaavalla U_c = U(1-e^(-t/RC)), missä U on se 10V jännite. Tuosta seuraisi, että kondensaattorin jännite saa arvon 10V kun t kasvaa. Ilmeisesti kuitenkin tehtävässä pitää miettiä eri tavalla...
Kyseessä ei muuten ole kotitehtävä eli en teetä niitä täällä
Labraan valmistavia tehtäviä...

Vierailija
o_turunen

15 MHz taajuudella mittapään kapasitanssin reaktanssi on niin pieni, että tuon 10 Mohm voi unohtaa. Reaktanssi on pikaisen päässälaskun mukaan jotain 707 ohm. Ilman mittapäätä tilanne on hiukan hankalampi, koska oskilloskoopeissa on tulonavan kapasitanssi 30 pF tai sitten jotain muuta. Suuruusluokka ei paljon heitä, jos arvataan, että käytämme koaksiaalikaapelia mittajohtona. 1,2 m pituisen kaapelin kapasitanssi on suunnilleen 120 pF, ja kokonaiskapasitanssi on arviolta 150 pF, eli impedanssi on suunnilleen kymmenesosa mittapään impedanssista, niinkuin arvata saattoikin.

Tuon 5 kHz tapauksen jätän lukijalle harjoitustehtäväksi.




Juurikin niin. Kiitoksia vain vastauksesta vaikka ehdinkin ymmärtää tehtävän ennen kuin luin tämän

o_turunen
Seuraa 
Viestejä10598
Liittynyt16.3.2005

Lainaus:
"Tuosta seuraisi, että kondensaattorin jännite saa arvon 10V kun t kasvaa. Ilmeisesti kuitenkin tehtävässä pitää miettiä eri tavalla..."

Niin, tosiasiassa kondensaattorin jännite ei saavuta mitään lopullista jännitettä koskaan. Usein käytetään tuota aikavakiota t = RC, jossa ajassa kondensaattorin jännite saavuttaa suunnilleen 63 % "loppujännitteestä". Oskilloskoopilla voi havaita tuommoisen muutaman prosentin jännitepoikkeaman, ja siitä voi laskea, monenko aikavakion verran kannattaa odottaa ennenkuin todetaan, että ei kannata odottaa pitempään jännitteen asettumista.

Korant: Oikea fysiikka on oikeampaa kuin sinun klassinen mekaniikkasi.
Korant: Jos olet eri mieltä kanssani olet ilman muuta väärässä.

Vierailija
fsn
Itse ajattelin kondensaattorin yli olevaa jännitettä kaavalla U_c = U(1-e^(-t/RC)), missä U on se 10V jännite.

Kaava on oikea, mutta siinä U = 5 V ja R = 0,5 Mohm. 5 V tulee siitä, että ilman mittapäätä skoopin kuormitus on 1 Mohm ja kun jännite tuodaan 1 Mohm vastuksen kautta se puoliintuu kondensaattorissa. 0,5 Mohm tulee taas siitä, että kondensaattoriin on liitettynä toisaalta sarjavastus 1 Mohm ja toisaalta skoopin kuormitus 1 Mohm jotka ovat kondensaattoriin nähden rinnakkaisia (siis kun ajatellaan kondensaattoriin tulevaa virtaa).
o_turunen on viisastellut aivan oikein eli jännite ei koskaan saavuta tuota loppuarvoa 5 V mutta tässä käytännössä se saavuttaa sen parissa sekunnissa. Jännite saavuttaa loppuarvon puolen promillen tarkkuudella 7 aikavakion kuluessa ja tässä aikavakio on 0,5 s. Skoopin tarkkus on tuskin prosenttiakaan joten riittää neljän aikavakion aika.

Vierailija
korant

Kaava on oikea, mutta siinä U = 5 V ja R = 0,5 Mohm. 5 V tulee siitä, että ilman mittapäätä skoopin kuormitus on 1 Mohm ja kun jännite tuodaan 1 Mohm vastuksen kautta se puoliintuu kondensaattorissa. 0,5 Mohm tulee taas siitä, että kondensaattoriin on liitettynä toisaalta sarjavastus 1 Mohm ja toisaalta skoopin kuormitus 1 Mohm jotka ovat kondensaattoriin nähden rinnakkaisia (siis kun ajatellaan kondensaattoriin tulevaa virtaa).



Ymmärsin tämän tapauksen. Annoin tosin tehtävän hieman väärin Eli tässä tehtävässä ei annettu oskilloskoopin arvoja, mitkä tuossa ensimmäisessä olivat 1Mohm ja 15pF. Pakkohan tosin sen skoopin on kuormittaa sitä piiriä ja vastauksista tulee vähän typeriä jos ne skoopin arvot pitää tuntemattomina.
Eikö aikavakioksi muuten tule 1s? Vai pitääkö sitä laskiessa ottaa huomioon myös se oskilloskoopin aiheuttama kuorma?
Itse oletin kyseessä olevan vain teoreettinen vakio joka lasketaan kondensaattorin arvoilla 1uF*1Mohm=1s. No tässä tapauksessahan sillä ei oikeastaan ole merkitystä kun kysytään sitä "lopullista" arvoa jännitteelle.

Vierailija
fsn

Eikö aikavakioksi muuten tule 1s? Vai pitääkö sitä laskiessa ottaa huomioon myös se oskilloskoopin aiheuttama kuorma?
Itse oletin kyseessä olevan vain teoreettinen vakio joka lasketaan kondensaattorin arvoilla 1uF*1Mohm=1s. No tässä tapauksessahan sillä ei oikeastaan ole merkitystä kun kysytään sitä "lopullista" arvoa jännitteelle.

Aikavakio määräytyy kondensaattorin navoista näkyvän kokonaisresistanssin mukaan ja siinä on todellakin huomioitava skoopin kuormittava vaikutus siten, että skoopin sisäinen resistanssi on sarjavastuksen rinnalla. Aikavakio ilman mittapäätä jää siis 0,5 sekuntiin ja mittapään kanssa se on lähellä tuota yhden sekunnin arvoa eli on 0,909 s. Tässä onkin oiva esimerkki kuinka mittalaite vaikuttaa mittaustuloksiin aika rankasti.

o_turunen
Seuraa 
Viestejä10598
Liittynyt16.3.2005

Lainaus:
"Vai pitääkö sitä laskiessa ottaa huomioon myös se oskilloskoopin aiheuttama kuorma?"

Oskilloskoopn mittapää on olemassa juuri siksi, että oskilloskoopin ominaisuuksia ei tarvitse ottaa huomioon.
10 Mohm ja 15 pF tai jotain ovat mitä ovat ja pysyvät. Oskilloskoopista ei sitten tarvitse välittää muuta kuin että virta on päällä. Edellyttäen tietysti että se mittapään kondensaattori on oikein säädetty. Sitä varten on naamataulussa semmoinen kosketin, josta saa kanttiaaltoa.

Jännäjuttu muuten. Ostin Vellemanin oskilloskoopin. Eipä ollutkaan mitään kanttia tyrkyllä etupuolella. Ihmettelin hetken, kalibroin mittapäät funktiogeneraattorilla ja huomasin hetken kuluttua että tässä oskilloskoopissa kanttilähtö onkin piilotettu takaseinään.

Muoks.
Mittapään 10:1 vaimennus hävittää oskilloskoopin näkyvistä. Jos käytät 1:1 kytkentää, niin näet suunnilleen 120 pF ja 100 ohm kaapelissa (kaapelin sisäjohdin on vastuslankaa) ja sitten 1 Mohm oskilloskoopissa.

Korant: Oikea fysiikka on oikeampaa kuin sinun klassinen mekaniikkasi.
Korant: Jos olet eri mieltä kanssani olet ilman muuta väärässä.

Vierailija
o_turunen

Oskilloskoopn mittapää on olemassa juuri siksi, että oskilloskoopin ominaisuuksia ei tarvitse ottaa huomioon.

Hieman täsmennettynä: Mittapäätä käytetään vaimentamaan oskilloskoopin kuormittavaa vaikutusta mitattavaan signaaliin. Tässä tapauksessa skoopin 1 Mohm vastuksen tilalle tulee 10 Mohm. Ilman mittausta kondensaattorin jännitteeksi tulisi 10 V, mitattuna ilman mittapäätä 5 V ja mittapään kanssa 9,09 V. Vastaavasti aikavakio olisi 1 s, 0,5 s ja 0,909 s.
Suurilla taajuuksila mittajohdon ja skoopin kapasitiivinen kuormitus vaimenee mittapään ansiosta myös kymmenesosaan.

o_turunen
Seuraa 
Viestejä10598
Liittynyt16.3.2005

Jännitteen mittaus 15 MHz taajudella on aivan arpapeliä, jos silmämääräisesti säädetään kalibrointilähdön mukaan mittapään kompensointi.
Nojoo 15 MHz taajuudella ei mitään 10 Mohm resistansseja etsitäkään, 50 ohm voisi olla realistisempi. Jos jännitteitä halutaan mitata suuri-impedanssisista suurtaajuuspiireistä (upea sanayhdistelmä tuo edellinen, kurat), niin 1:100 mittapää voisi olla käyttökelpoinen tai sitten ei.

Korant: Oikea fysiikka on oikeampaa kuin sinun klassinen mekaniikkasi.
Korant: Jos olet eri mieltä kanssani olet ilman muuta väärässä.

Vierailija

Yksi varoituksen sana oskilloskoopeista.

Ennen vanhaan hiton kalliissa HP:n skoopeissa ei ollut varoitusta siitä, että kuinka suureen jännitteeseen 1:1 suhteen maadoitetun mittapään saa kytkeä mitattavaan laitteeseen niin, että skooppi eikä mitattava laite vahingoitu.

Kun sisääntulokanavan jännitteen askeilta valitsee napsuttelemalla oikeaan (kaakkoon) päin, niin saattaapa käydä niin, että valitsee jännitealueita 0,02 - 0,2 - 2 - 20 -200.

Nyt kun ollaan jännitealueella 20-200, niin saattaa tuntua siltä, että skooppin voi kytkeä tuon suuruiseen jännitteeseen, mutta eipä monikaan tiedä, että pienillä kirjaimilla skoopin kylkeen on merkitty jännitteen alueenvalitsimen viereen, että skoopin sisään tulo-max-jännite on vaikkapa 20 volttia ac/dc-alueilla.

Että vaimentavaa mittäpäätä pitää käyttää kun mennään tuon pienellä, punaisella merkinnällä mainitun jännitealueen yläpuolelle.

Skoopin maadoitus mitattaessa suurjännitepuolta olisikin sitten oma lukunsa. Milloinka maadoitusta tulee käyttää ja milloinka maadoitusta ei tule käyttää oman turvallisuutensa nimissä, olisi varmaankin oma juttunsa.

Siis, ongelmahan oskilloskoopilla mitattaessa on se, että vaihe on skoopin kuoressa, ja kun skooppi ei ole maadoitettu maahan, ja kun mittaaja on maadoitettu jalkojensa kautta "maahan" ja maatasoon.

Uusimmat

Suosituimmat