POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, WYDZIAŁ PPT I-21 LABORATORIUM Z PODSTAW ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI 2 Ćwiczenie nr 8. Generatory przebiegów elektrycznych

Transkrypt

1 Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jes zapoznanie sudenów z podsawowymi właściwościami ów przebiegów elekrycznych o jes źródeł małej mocy generujących przebiegi elekryczne. Przewidywane jes również (w miarę możliwości czasowych) uruchomienie i określenie niekórych właściwości prosych, jedno-ranzysorowych ów sygnałów małej częsoliwości. 1. Wprowadzenie w emaykę ćwiczenia Generaor przebiegu elekrycznego jes urządzeniem zamieniającego energię dosarczaną przez źródło zasilania (źródło prądu sałego) na energię drgań elekrycznych (sygnał zmienny). Generaory przebiegów elekrycznych są produkowane jako auonomiczne przyrządy służące między innymi w różnych echnikach pomiarowych. Generaory można podzielić na różne klasy, przy czym podsawowymi kryeriami podziału są; częsoliwość generowanego sygnału, kszał generowanego sygnału i poziom generowanego sygnału (rys. 1). Możliwe są prakyczne wszyskie kombinacje wymienionych pozycji; mocy sygnału sinusoidalnego małej częsoliwości lub sygnałowy wielkiej częsoliwości ip.. Osobną grupę sanowią ak zwane y specjalne. Srukurę ypowego a na poziomie schemau blokowego przedsawia rysunek 2. Generaory - kryeria podziału Generaory specjalne Częsoliwość generowanego sygnału Kszał generowanego sygnału Poziom generowanego sygnału Generaory 1. Małej częsoliwości 2. Wielkiej częsoliwości 3. Mikrofalowe Generaory sygnału 1. sinusoidalnego 2. Prosokanego 3. Funkcyjne 4. Impulsowe Generaory 1. Sygnałowe 2. Mocy 1. Generaory dewiacyjne (wobulaory 2. Wzorce częsoliwości 3. Generaory szumów 4. Generaory obrazu Rys. 1. Podział ów na grupy (jeden z możliwych) Regulacja częsoliwości sygnału wyjściowego (skokowa i płynna) płynna Regulacja poziomu sygnału wyjściowego skokowa Oscylaor napięcia i prądy sałe Separaor - wzmacniacz zasilane układów Zasilacz sieciowy Wzmacniacz końcowy 230V/50Hz łumik Wyjście sygnału Rys. 2. Schema blokowy ypowego prosego a przebiegu (sygnału) zmiennego Obecnie niegasnące oscylacje (drgania) elekryczne uzyskiwane są elekronicznych układach wzmacniających z pęlą (lub pęlami) sprzężenia zwronego (rys. 3). Paramery czwórnika sprzężenia zwronego (ransmiancja czwórnika sprzężenia) decyduje o wzbudzeniu drgań elekrycznych oraz sposobie zmian warości częsoliwości generowanych drgań i zakresie warości, w kórym e zmiany są możliwe (zakres przesrajania oscylaora). Oscylaor jes bardzo wrażliwy na zmiany obciążenia. Z ego względu konieczne jes sosowanie separaora. Końcową warość sygnału wyjściowego uzyskuje się na drodze wzmocnienia sygnału z wyjścia separaora i podzieleniu sygnału wyjściowego z wzmacniacza końcowego (mocy) w układzie łumika. Srona 1 z 5

2 Oscylaor U wyj =3V k sk u = wzmocnienie wzmacniacza = U wyj /U wej = 3/1 = 3 [V/V] U wej =1V sk β = ransmiancja czwórnika sprzężenia zwronego Wzmacniacz k k u =3 β > 1 warunek generacji drgań elekrycznych w układzie ze sprzęźeniem Czwórnik sprzężenia β wzmocnienie układu podane w decybelach wzmocnienie prądowe wzmacniacza k i = I wyj /I wej [A/A] wzmocnienie mocy wzmacniacza k p = P wyj /P wej [W/W] k i[db] =20logk i ale k p[db] =10lgk p k u[db] =20logk u Rys. 3. Ilusracja idei generacji drgań elekrycznych w układzie wzmacniacza ze sprzężeniem zwronym 2. Paramery ów przebiegów elekrycznych 2.1. Zakres zmian częsoliwości sygnału generowanego. Zmiana warości częsoliwości generowanego sygnału jes najczęściej dwusopniowa, skokowa związana ze zmianami podzakresów i płynna w akualnie załączonym zakresie (rys. 4). Przedział płynnej zmiany warości częsoliwości w podzakresie określony jes jako sosunek maksymalnej częsoliwości generowanej na danym podzakresie do minimalnej częsoliwości generowanej na ym samym podzakresie (pokrycie f max /f min 3 lub 10). Drugim paramerem z ej grupy jes całkowiy zakres zmian częsoliwości generowanego sygnału; minimalna częsoliwość na najniższym podzakresie i maksymalna na najwyższym podzakresie. skokowa zmiana częsoliwości f z.miń Podzakres IV f z.miń f Podzakres III f f z.miń Podzakres II f z.miń f Podzakres I f "zachodzenie" podzakresu częsoliwość f miń f max zakres częsoliwość podzakresu (regulacja płynna częsoliwości) zakres częsoliwości pracy a Rys. 4. Zakres częsoliwości przebiegów elekrycznych generowanych przez, podział na podzakresy, zachodzenie podzakresów częsoliwości Sałość częsoliwości generowanego sygnału. Paramer en określa sosunek zmian częsoliwości ±Δf x wokół częsoliwości f x nasawionej na ze. Sałość częsoliwości ów zawiera się w przedziale 10-4 ±Δf x /f x 10-7 ( w przypadku wzorców częsoliwości) Kszał generowanego sygnału. Podsawowym kszałem generowanego sygnału jes kszał sinusoidy. W ak zwanych ach funkcyjnych generowane są sygnały o kszałcie prosokąa, rójkąa i sinusoidy (sandardowy zesaw sygnałów). Generaory sygnałów sinusoidalnych są z reguły ami o lepszej sabilności częsoliwości a generowany sygnał zawiera mało harmonicznych (ak zwane y sygnałowe). Generaory funkcyjne wykazują gorszą sałość częsoliwości a sygnały wyjściowe są częso kiepskiej jakości (kszały sygnału rójkąnego i sinusoidalnego odbiegają od kszału idealnego rójkąa i idealnej sinusoidy) Warość i zakres regulacji ampliudy sygnału wyjściowego. Poziom (ampliuda) generowanego sygnału zależy od rodzaju a. W przypadku ów sygnałowych jes o maksymalna warość ampliudy rzędu jednego wola a w przypadku ów mocy mogą o być warości ampliud od kilku do kilkudziesięciu wolów. Minimalna warość generowanego sygnału jes rzędu dziesiąych części wola w ach mocy i poniżej mikrowola w przypadku ów Srona 2 z 5

3 sygnałowych. Regulacja ampliudy jes najczęściej dwusopniowa; skokowa przy zmianie zakresów i płynna na wybranym podzakresie. Kolejnym paramerem z ej grupy jes dokładność nasawienia zadanej warości ampliudy Polaryzacja sygnałem sałoprądowym. Polega ona na sumowaniu (superpozycji) generowanego sygnału wyjściowego i dodakowego sygnału sałego (rys. 5). Polaryzujące napięcie sałe zmienia się zarówno na plus jak i na minus względem poziomu zera wolów (poziomu masy). Zakres zmian warości ego napięcia jes najczęściej równy warości ampliudy generowanego sygnału. Funkcje offseu (podpolaryzowania) mają najczęściej y funkcyjne. Generaory sygnałowe ej funkcji nie posiadają. c) u() A 0 A u() u() A+u 0 dc +u dc 0 -u dc A-u dc Rys. 5. Superpozycja sygnału sinusoidalnego i napięcia sałego; (a) sinusoida o ampliudzie A, brak napięcia sałego; (b) sinusoida o ampliudzie A i polaryzujące napięcie sałe o warości +u dc ; (c) sinusoida o ampliudzie A i polaryzujące napięcie sałe o warości -u dc Oporność wyjściowa a. Generaor jes źródłem sygnału elekrycznego. ak jak każde rzeczywise źródło napięcia charakeryzuje się skończoną warością oporności wewnęrznej (rys.6a). Oddziaływanie ej oporności wewnęrznej a na rozpływ prądów w obwodzie elekrycznym jes akie samo jak w przypadku źródeł napięcia sałego (rys.6b). Oporności wewnęrzne ów mają najczęściej sandardowe warości = 50Ω, = 75Ω lub = 600Ω. 1 = 1 U Rg J R o =-U Rg 1' 1' obciążenie Rys. 6. Generaor rzeczywisy jako źródło sygnału; (a) napięcie wyjściowe a nieobciążonego; (b) napięcie wyjściowe a obciążonego opornością R o 2.7. Symeryczne i asymeryczne wyjście a. Wyjście asymeryczne a oznacza, że jeden z zacisków wyjściowych jes połączony bezpośrednio z masą (LO) a drugi zacisk jes ak zwanym zaciskiem gorącym (HI). W przypadku wyjścia symerycznego żaden z zacisków wyjściowych a nie jes połączony bezpośrednio z masą układu (rys.7). Zaciski wyjściowe a są symeryczne względem masy a. HI HI LO LO Rys. 7. Rodzaje wyjść ów; (a) o wyjściu niesymerycznym; (b) o wyjściu symerycznym Srona 3 z 5

4 2.8. Inne, wybrane paramery ów; wypełnienie sygnału, modulacja. W przypadku bardziej rozbudowanych ów funkcyjnych oraz w przypadku ów sygnałów prosokąnych możliwa jes regulacja ak zwanego wypełnienia sygnału prosokąnego jak również w przypadku ów funkcyjnych może być dosępna funkcja modulacji ampliudowej jak również częsoliwościowej sygnału wyjściowego a. Wypełnienie sygnału prosokąnego (rys.8) związane jes z zmianą czasu rwania np. dodaniej części sygnału przy zadanym czasie rwania okresu sygnału prosokąnego. Sandardowy zakres regulacji wypełnienia przebiegu prosokąnego zawiera się w przedziale 0,1 0,9. c) /=0,2 /=0,5 u() u() u() /=0, Rys. 8. Inerpreacja ak zwanego wypełnienia przebiegu prosokąnego; (a) sygnał o wypełnieniu 0,2; (b) sygnał o wypełnieniu 0,5; (c) sygnał o wypełnieniu 0,8. okres sygnału prosokąnego, czas rwania dodaniej części sygnału 3. Wykonanie ćwiczenia - pomiary wybranych paramerów ów W ym celu złożyć na sanowisku laboraoryjnym układ pomiarowy składający się z badanego a, oscyloskopu analogowego, cyfrowego częsościomierza, wolomierza napięcia zmiennego oraz rezysancyjnego obciążenia (rys. 9). Do pomiaru poszczególnych paramerów układ pomiarowy może zawierać ylko część przyrządów z rysunku 9. Badany Częsoliwość ampliuda wypełnienie offse Częsościomierz khz nasawy regulacyjne wyjście rójnik BNC Oscyloskop Y 1 Y 2 Regulowane obciążenie Kabel współosiowy Wolomierz AC V Rys. 9. Schema blokowy układu do pomiaru wybranych właściwości a przebiegów elekrycznych 3.1. Wyznaczanie poprawki do skali częsoliwości. W układzie jak na rysunku 9 niezbędny jes badany i częsościomierz cyfrowy (zalecany jes oscyloskop analogowy). Usawić w funkcji generowania sygnału prosokąa lub sinusoidy, poziom sałego napięcia podkładu na kóry nałożony jes przebieg zmienny (offse- podpolaryzowanie) usawić na warość zero wolów. Generowany sygnał obserwować na ekranie lampy oscyloskopowej. Ampliudę sygnału usawić na poziomie wysarczającym do prawidłowego wyserowania układów wejściowych częsościomierza cyfrowego (zalecana warość ampliudy sygnału 0,2 0,5 V). Wykonanie pomiarów. Na badanym ze wybrać najniższy podzakres generowanych Srona 4 z 5

5 częsoliwości. Wybierać na podziałce skali kolejno warości częsoliwości. Wybierać równe warości częsoliwości na przykład w punkach opisanych na podziałce skali lub inne charakerysyczne punky częsoliwości. Po usawieniu częsoliwości na ze zmierzyć jej warość częsościomierzem. Określić różnicę między warością częsoliwości zadanej na ze a warością częsoliwości zmierzonej częsościomierzem cyfrowym. Pomiary wykonać na wszyskich podzakresach częsoliwości a. Wyniki zebrać w abeli poprawek. Zalecane wykonanie wykresów. Dodakowo określić zachodzenie podzakresów częsoliwości a oraz określić ich warość Określenie zakresu regulacji warości napięcia sygnału wyjściowego. W układzie jak na rysunku 9 niezbędne są; badany, wolomierz napięcia zmiennego i obciążenie o warości równej oporności wewnęrznej a (obciążenie nominalne) oraz zalecany oscyloskop. Podpolaryzowanie sygnału usawić na warość zero wolów. Częsoliwość generowanego sygnału usawić na warość leżącą w zakresie pomiarów wolomierza. W przypadku braku wolomierza oszacowanie zakresu zmian warości ampliudy sygnału wyjściowego a oszacować na podsawie obrazu sygnału obserwowanego na ekranie lampy oscyloskopowej. Wykonanie pomiarów. Zmierzyć wolomierzem warości minimalne i maksymalne ampliudy generowanego sygnału na poszczególnych podzakresach regulacji ampliudy. Oszacować precyzję regulacji warości ampliudy. Obserwować generowany sygnał na ekranie lampy oscyloskopowej. Pomiary wykonać w miarę możliwości dla kilku częsoliwości generowanego sygnału Określenie zakresu regulacji podpolaryzowania. W układzie jak na rysunku 9 niezbędne są; badany, obciążenie nominalne, oscyloskop. Pomiarów dokonaj przy ze obciążonym opornością nominalną. Na podsawie analizy obrazu sygnału na ekranie lampy oscyloskopowej oszacuj zakres regulacji podpolaryzowania. Wyjaśnienia sposobu wykonania ego pomiaru szukaj na rysunku 5. Sprawdź czy isnieje zależność między usawionym podzakresem napięcia wyjściowego generowanego sygnału a zakresem regulacji warości napięcia podpolaryzowania. Oszacuj jak precyzyjnie można usawić warość ego napięcia 3.4. Oszacowanie warości oporności wewnęrznej a. Mierząc napięcie sygnału na wyjściu a dla dwu różnych warości obciążenia oszacować warość oporności wewnęrznej a. W celu wyliczenia warości oporności wewnęrznej a przyjąć do obliczeń układ jak na rysunku 6b. Ułóżyć dwa równania liniowe dla układu z rysunku 6b dla dwu różnych warości oporności obciążenia wiedząc jakie odpowiadają im warości napięć wysępujących na obciążeniu (wyjściu a). Pomiary warości napięć wykonać w zakresie częsoliwości pracy wolomierza (zalecana warość częsoliwości o f = 1 khz Badanie zakresu regulacji wypełnienia sygnału. Jeżeli badany ma możliwość regulacji wypełnienia sygnału określ zakres ej regulacji. Oszacowania dokonaj na podsawie analizy obrazu generowanego sygnału obserwowanego na ekranie lampy oscyloskopowej. 4. Pyania konrolne 1. Podaj kryeria podziału ów na różne grupy. 2. Podaj ogólny prosy schema blokowy a i króko go omów. 3. Wyjaśnij, co o jes podpolaryzowanie (offse) w ze przebiegów elekrycznych? 4. Jak jes określane wypełnienie w przypadku sygnałów prosokąnych? 5. Podaj, w jaki sposób można oszacować warość oporności wewnęrznej a. 5. Lieraura [1] B. Konorski.: Podsawy elekroechniki. PWN Warszawa 1967 [2]. Cholewicki.: Elekroechnika eoreyczna. WN Warszawa 1967 [3] J. Rydzewski.: Pomiary oscyloskopowe. WN, Warszawa 1994 [4] A. Jelonek, Z. Karkowski.: Miernicwo radioechniczne. WN, Warszawa 1972, wydanie IV [5] J. Parchański.: Miernicwo elekryczne i elekroniczne. WSiP Warszawa 1996 Opracował: dr inż. Pior Ruszel Insyu Inżynierii Biomedycznej i Pomiarowej Wydziału PP Poliechniki Wrocławskiej Srona 5 z 5