Laboratorium Podstaw Pomiarów

Transkrypt

1 Laboratorium Podstaw Pomiarów Ćwiczenie 7 Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej Instrukcja Opracował: dr inż. Paweł Gąsior Instytut Systemów Elektronicznych Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechnika Warszawska Warszawa 2017 v. 4.4

2 Ćwiczenie 7 Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami pomiaru napięć zmiennych przy zastosowaniu przetworników wartości szczytowej. 2. Tematyka ćwiczenia badanie właściwości przetworników wartości szczytowej: szeregowego i równoległego, projekt i realizacja woltomierza z przetwornikiem wartości szczytowej wywzorcowanego w wartościach skutecznych napięcia sinusoidalnego, badanie właściwości zrealizowanego woltomierza. 3. Umiejętności zdobywane przez studentów umiejętność wykorzystania podstawowej aparatury pomiarowej do obserwacji działania przetwornika szeregowego i równoległego, umiejętność prawidłowej interpretacji otrzymanych wyników i porównania ich z wartościami teoretycznymi, umiejętność zaprojektowania i wzorcowania woltomierza z przetwornikiem wartości szczytowej wywzorcowanego w wartościach skutecznych napięcia sinusoidalnego. 4. Teoria W porównaniu z pomiarami napięć stałych, napięcia zmienne niosą ze sobą znacznie większe wyzwania. Oczywistą różnicą jest konieczność opisania zmienności napięcia w czasie. W przypadku sygnałów zmiennych w celu odtworzenia informacji niesionej przez sygnał potrzebna jest rejestracja wartości chwilowej sygnału w kolejnych momentach (z wymaganą rozdzielczością czasową i w odpowiednim przedziale czasu). W wielu przypadkach interesują nas tylko parametry energetyczne sygnału. W szczególności odnosi się to do klasy sygnałów przemiennych (takich, w których chwilowe wartości napięcia podlegają okresowym zmianom a wartość średnia wynosi zero). W przypadku, kiedy wartość średnia sygnału jest różna od zera (jest ona nazywana składową stałą) sygnał nazywany jest przebiegiem zmiennym. Ćw. 7. Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej Strona 2

3 4.1. Parametry sygnałów okresowych Podstawowymi parametrami sygnałów zmiennych i przemiennych są: wartość skuteczna napięcia U, wartość średnia wyprostowana Uow, wartość szczytowa UM i wartość międzyszczytowa UMM., zdefiniowane w sposób następujący: wartość skuteczna wartość średnia wyprostowana wartość szczytowa t 0 +T U = 1 T [u(t)]2 dt (7-1) t 0 U 0w = 1 t 0 +T T u(t) dt (7-2) t 0 U M = max <t 0,t 0 +T> u(t) (7-3) wartość międzyszczytowa max <t 0,t 0 +T> min U MM = u(t) u(t) <t 0,t 0 +T> (7-4) Na podstawie tych parametrów zdefiniowane są następujące współczynniki: współczynnik kształtu k = U U 0w (7-5) współczynnik amplitudy współczynnik uśrednienia k a = U M U (7-6) k u = U M U 0w (7-7) Znajomość tych współczynników pozwala na wzorcowanie przyrządów pomiarowych (przypisanie wskazaniom wartości odpowiednich parametrów, np. zdefiniowanych wzorami (7-1) (7-3)). Wartości tych współczynników zależą od kształtu sygnału. Dla sygnału sinusoidalnego są one odpowiednio równe k = π 2 2 1,11 k a = 2 1,41 k u = π 2 1,57 (7-8) Ćw. 7. Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej Strona 3

4 W przypadku, gdy sygnał poza składową sinusoidalną o amplitudzie U1 posiada składową stałą U0, wartość skuteczna wyrażona jest wzorem U = U U 1 2 (7-9) 4.2. Woltomierze napięć zmiennych Woltomierze napięć zmiennych zazwyczaj wykorzystują przetworniki napięć zmiennych na napięcia stałe. Pomiar na wyjściu przetworników dokonywany jest miernikiem napięcia lub prądu stałego. Należy przy tym pamiętać, że w przypadku podania na jego zaciski sygnału zmiennego będzie on reagował na wartość średnią. W woltomierzach napięć zmiennych stosuje się różne rodzaje przetworników. Do najpopularniejszych należą: przetworniki wartości średniej wyprostowanej (tzw. prostowniki napięć zmiennych) i przetworniki wartości szczytowej. Różnią się one zasadą działania oraz przede wszystkim parametrem sygnału zmiennego, na jaki reagują Przetworniki wartości szczytowej Przy znajomości poziomu składowej stałej wartość szczytowa napięcia pozwala na pełne scharakteryzowanie przebiegu napięcia zmiennego o określonym kształcie. Pomiar tej wartości można wykonać w dwóch prostych układach przetwornika równoległym i szeregowym (Rys. 7.1). Każda z tych konfiguracji może być zrealizowana w dwóch wariantach w zależności od polaryzacji diody. a) b) D C C D Rys. 7.1 Przetworniki wartości szczytowej: a) szeregowy, b) równoległy W przypadku idealnym zakłada się, że diody mają zerowe napięcie przewodzenia i zerową rezystancję przewodzenia, a wyjście przetwornika nie jest obciążone (rozwarte zaciski wyjściowe). W idealnym przetworniku szeregowym (Rys. 7.1a) dioda przewodzi, gdy wartość chwilowa napięcia wejściowego u(t), wymuszonego przez źródło sygnału, jest większa od napięcia na kondensatorze. Wtedy przez diodę przepływa prąd ładujący kondensator, który zostaje naładowany do wartości maksymalnej napięcia wejściowego. Ćw. 7. Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej Strona 4

5 Przy rozwartych zaciskach wyjściowych (przypadek idealny) napięcie na kondensatorze ma stałą wartość dodatnią UC = max u(t). Przy odwrotnej polaryzacji diody kondensator zostanie naładowany do wartości minimalnej napięcia wejściowego UC = min u(t). Przetwornik równoległy posiada identyczną strukturę jak przetwornik szeregowy od strony wejścia jest to szeregowe połączenie diody i kondensatora. Podobnie jak w opisanym wcześniej przetworniku szeregowym, napięcie na kondensatorze ma stałą wartość UC = max u(t) lub UC = min u(t) zależnie od polaryzacji diody. Jednak w przetworniku równoległym napięciem wyjściowym jest napięcie na diodzie. Zgodnie z drugim prawem Kirchhoffa napięcie to jest równe ud(t) = u(t) UC. Tak więc w przetworniku równoległym napięcie wyjściowe ma taki sam kształt, jak napięcie u(t) wymuszone przez źródło sygnału, lecz jest przesunięte o wartość UC. Oznacza to, że jego wykres zawsze dotyka swym maksimum lub minimum osi odciętych (U = 0) niezależnie od wartości składowej stałej sygnału u(t). Wartość średnia napięcia wyjściowego jest równa wartości szczytowej składowej przemiennej sygnału u(t). Potocznie mówi się, że przetwornik równoległy nie reaguje na składową stałą. C D Rys Układ przetworników wartości szczytowej oraz przebiegi czasowe napięć występujących na jego elementach Rzeczywista dioda charakteryzuje się różnym od zera napięciem przewodzenia Up. Oznacza to, że zacznie ona przewodzić dopiero wtedy, gdy wartość chwilowa napięcia wejściowego u(t) będzie większa o Up od napięcia na kondensatorze. Napięcie, do którego naładuje się kondensator w układach przedstawionych na Rys. 7.1 i 7.2, będzie więc mniejsze o wartość Up od wartości szczytowej napięcia wejściowego. W przetworniku równoległym wykres napięcia wyjściowego ud(t) będzie przekraczał oś odciętych o wartość Up (w dół lub w górę zależnie od polaryzacji diody). Ćw. 7. Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej Strona 5

6 Dołączenie do wyjścia przetwornika rezystancji R powoduje rozładowywanie się kondensatora w czasie, kiedy dioda nie przewodzi. Napięcie na kondensatorze nie jest więc niezmienne w czasie. Jego przebieg można scharakteryzować za pomocą stałej czasowej rozładowania kondensatora wyrażonej wzorem τ = R C (7-10) gdzie C jest pojemnością kondensatora, a R rezystancją obciążenia. Stała czasowa rozładowania jest to czas, po którym wartość napięcia na kondensatorze zmniejsza się e-krotnie (czyli do wartości równej 0,368 wartości maksymalnej). Im stała czasowa rozładowania będzie większa w stosunku do okresu mierzonego sygnału, tym mniej kondensator zdąży się rozładować. Można przyjąć, że dla częstotliwości f > 10 / pulsacje napięcia na kondensatorze są pomijalnie małe, dzięki czemu wskazania woltomierza z przetwornikiem wartości szczytowej praktycznie nie zależą od częstotliwości. Reguła ta obowiązuje dla obu układów przetwornika. Częstotliwość wyrażoną wzorem f d10 = 10/τ (7-11) można traktować jako dolną częstotliwość poprawnej pracy woltomierza z przetwornikiem wartości szczytowej (nie mylić z 3-decybelową dolną częstotliwością graniczną filtrów RC). Wpływ różnych czynników na pracę przetworników wartości szczytowej można prześledzić, korzystając z programu demonstracyjnego Demo 07 (zakładka Przetworniki wartości szczytowej). 5. Opis modułu pomiarowego P01 Moduł P01 umożliwia skonstruowanie przetwornika wartości szczytowej w układzie równoległym i szeregowym poprzez odpowiednie dołączenie diody oraz kondensatora. Dostępne kondensatory mają następujące wartości: 1,5 nf, 0,22 F, 0,33 F 0,47 F 0,68 F, 1 F, 2,2 F, 3,3 F. Przy dołączaniu diody należy zwrócić uwagę na oznaczenia jej końcówek według Rys Rys Oznaczenia końcówek diod Ćw. 7. Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej Strona 6

7 Moduł P01 przedstawiono na Rys Rys Moduł P01 Do wejścia układu (gniazdo GEN) należy dołączyć generator funkcyjny. Sygnał doprowadzony z generatora może być obserwowany za pomocą oscyloskopu, a jego wartość skuteczna mierzona za pomocą woltomierza napięcia zmiennego. Na wyjściu przetwornika można dołączyć opornik dekadowy (zaciski Rd), służący do wywzorcowania zaprojektowanego w ćwiczeniu woltomierza w wartościach skutecznych napięcia sinusoidalnego. Do zacisków oznaczonych V/R0 można dołączyć miernik LM-3, stanowiący element projektowanego woltomierza W przypadku obserwacji oscyloskopowej sygnału na wyjściu przetwornika zaciski Rd powinny być zwarte. Moduł P01 umożliwia również obserwację wpływu rezystancji obciążenia na sygnał wyjściowy, co można zrealizować, dołączając do zacisków V/R0 rezystor dekadowy. 6. Przykładowy projekt woltomierza wartości szczytowej wywzorcowanego w wartościach skutecznych napięcia sinusoidalnego Zadanie: Zaprojektować woltomierz wartości szczytowej wywzorcowany w wartościach skutecznych napięcia sinusoidalnego o napięciu zakresowym Uz i dolnej częstotliwości poprawnej pracy fd10. Wykorzystać przetwornik szeregowy oraz woltomierz LM-3 o współczynniku ϰ = 1 kω/v i dostępnych zakresach: 0,15 V, 0,3 V, 0,75 V, 1,5 V, 3 V, Ćw. 7. Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej Strona 7

8 7,5 V, 15 V, 30 V, 75 V, 150 V, 300 V i 750 V. Założyć idealną charakterystykę diody. Obliczyć wartość rezystancji Rd i pojemności C. Dane projektowe: Uz = 3,5 V (wartość skuteczna) fd10 = 1,5 khz Schemat woltomierza: Wzory i obliczenia: Parametr Uz oznacza napięcie zakresowe czyli maksymalną wartość skuteczną napięcia możliwą do zmierzenia za pomocą projektowanego woltomierza. Wartość szczytową UM tego napięcia możemy obliczyć, korzystając z definicji (7-6) współczynnika amplitudy ka, który dla sygnału sinusoidalnego ma wartość 2: U M = k a U z = 2 U z Jeżeli charakterystyka diody jest idealna, to napięcie na wyjściu przetwornika jest równe wartości szczytowej napięcia na jego wejściu: U wy0 = U M = 2 U z Napięcie to powinno wywołać spadek napięcia Uv0 na mierniku LM-3, powodujący wychylenie wskazówki do końca podziałki, a więc równy jego napięciu zakresowemu Uz0. Spośród dostępnych zakresów woltomierza LM-3 wybieramy Uz0 = 3 V. Napięcie Uz0 na zaciskach miernika LM-3 można korzystając z prawa Ohma i drugiego prawa Kirchhoffa wyrazić wzorem R V U z0 = U wy0 R d + R V Po przekształceniu otrzymujemy wzór na rezystancję Rd R d = U wy0 R V U z0 R V = 2 U z R V U z0 R V Rezystancja RV woltomierza magnetoelektrycznego LM-3 zależy od jego zakresu i wyraża się wzorem R V = κ U z0 Ćw. 7. Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej Strona 8

9 Podstawiając wartości liczbowe otrzymujemy R d = R V = 1 kω/v 3 V = 3 kω 2 3,5 V 3 kω 3 V 3 kω 1,9497 kω (liczba cyfr odpowiada rozdzielczości opornika dekadowego) Teraz możemy przystąpić do obliczenia pojemności C. Dolna częstotliwość poprawnej pracy woltomierza fd10 wyrażona jest wzorem f d10 = 10 τ = 10 RC gdzie R = Rd + RV oznacza rezystancję, przez którą rozładowuje się kondensator w czasie, gdy dioda nie przewodzi. Stąd C = 10 f d10 (R d + R V ) Po podstawieniu wartości liczbowych C = 10 1,35 μf 1,5 khz (1,9497 kω + 3 kω) Pośród kondensatorów dostępnych w laboratorium nie ma kondensatora o takiej pojemności. Aby nie zwiększać dolnej częstotliwości poprawnej pracy woltomierza, wybieramy kondensator o pojemności nieco większej, czyli 2,2 μf. Wartość Rd została obliczona przy założeniu, że dioda użyta w przetworniku ma charakterystykę idealną. W przypadku charakterystyki rzeczywistej napięcie na wyjściu przetwornika będzie mniejsze niż wartość szczytowa napięcia wejściowego, a tym samym wychylenie wskazówki miernika nie osiągnie wartości zakresowej. Aby spełnić warunki projektu trzeba dobrać doświadczalnie wartość rezystancji Rd. Będzie ona mniejsza od wartości obliczonej. Uwaga: Częstotliwość sygnału podczas korekcji powinna być większa od fd10, aby zapewnić poprawną pracę woltomierza. Zmniejszenie wartości Rd spowoduje wzrost dolnej częstotliwości poprawnej pracy woltomierza fd10. Aby zachować wartość tego parametru zgodną z danymi projektowymi, trzeba ponownie obliczyć wartość pojemności C, uwzględniając wartość Rd dobraną doświadczalnie. Jeżeli nowa wartość C będzie większa od pojemności wybranego wcześniej kondensatora (w naszym przypadku 2,2 μf), trzeba będzie zmienić kondensator. Ćw. 7. Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej Strona 9

10 7. Badania i pomiary Przed przystąpieniem do pracy należy ustawić parametr Output Load generatora: Channel Output Load Set To High Z oraz przywrócić ustawienia fabryczne oscyloskopu: (MENU) Storage Waveform Factory Load Zadanie 1. Obserwacja działania szeregowego przetwornika wartości szczytowej. Korzystając z modułu P01, zestawić układ z przetwornikiem szeregowym. Wykorzystać kondensator wskazany przez Prowadzącego. a) Na generatorze 33500B ustawić następujące wartości parametrów sygnału sinusoidalnego: Upp = 5 V i f = 1 khz. Sygnał ten należy doprowadzić do wejścia przetwornika. Dla obu kierunków polaryzacji diody zaobserwować na ekranie oscyloskopu przebiegi: wejściowy i wyjściowy. Ustawić sprzężenie DC oraz jednakową wartość stałej Cy oscyloskopu i poziomu odniesienia w obu kanałach. Oscylogramy zamieścić w protokole. Porównać otrzymane oscylogramy z przebiegami czasowymi dla przypadku idealnego przetwornika i wyjaśnić przyczyny zaobserwowanych różnic. b) Dla jednej polaryzacji diody zbadać wpływ rezystancji obciążenia na kształt sygnału wyjściowego. W tym celu należy do zacisków V/R0 dołączyć opornik dekadowy, a zaciski Rd zewrzeć. Oscylogramy dla kilku wartości rezystancji obciążenia zamieścić w protokole. Porównać otrzymane oscylogramy z przebiegami czasowymi dla przypadku idealnego przetwornika i wyjaśnić przyczyny zaobserwowanych różnic. c) Dla jednej polaryzacji diody zbadać wpływ składowej stałej (dodatniej i ujemnej). Opornik dekadowy należy odłączyć. Oscylogramy dla różnych wartości składowej stałej (np. równej 0,2 Upp, Upp, 0,2 Upp, Upp, gdzie Upp jest wartością międzyszczytową sygnału) zamieścić w protokole. Omówić przeprowadzone obserwacje. Zadanie 2. Obserwacja działania równoległego przetwornika wartości szczytowej. Do wejścia układu przetwornika równoległego doprowadzić sygnał z generatora o parametrach jak w zadaniu 1. Ustawić sprzężenie DC oraz jednakową wartość stałej Cy oscyloskopu i poziomu odniesienia w obu kanałach. Dla obu kierunków polaryzacji diody zaobserwować przebiegi: wejściowy i wyjściowy. Sprawdzić (podobnie jak w zadaniu 1c) wpływ dodania składowej stałej do sygnału. Oscylogramy zamieścić w protokole. Ćw. 7. Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej Strona 10

11 Porównać otrzymane oscylogramy z przebiegami czasowymi dla przypadku idealnego przetwornika i wyjaśnić przyczyny zaobserwowanych różnic. Na podstawie otrzymanych oscylogramów omówić różnice między przebiegami na wyjściu przetwornika szeregowego i równoległego. Zadanie 3. Projekt, realizacja i badanie właściwości woltomierza wartości szczytowej wywzorcowanego w wartościach skutecznych napięcia sinusoidalnego. a) Zaprojektować woltomierz wartości szczytowej wywzorcowany w wartościach skutecznych napięcia sinusoidalnego o napięciu zakresowym Uz i dolnej częstotliwości poprawnej pracy fd10. Dane do projektu zostaną podane przez Prowadzącego. Wykorzystać woltomierz LM-3 o współczynniku ϰ = 1 kω/v. Wybrać zakres Uz0 woltomierza LM-3 nie większy od Uz. Założyć idealną charakterystykę diody. Obliczyć wartość rezystancji Rd i pojemności C. Dane do projektu, schemat woltomierza oraz wyprowadzenie wzorów i obliczenia zamieścić w protokole. b) Zbudować zaprojektowany woltomierz. c) Ustawić napięcie z generatora o wartości takiej, aby uzyskać wskazanie woltomierza cyfrowego 34450A równe wartości zakresowej Uz projektowanego miernika. Częstotliwość sygnału powinna mieć wartość 2 do 5 razy większą od fd10. W protokole podać wychylenie (w działkach) wskazówki miernika LM-3. Skorygować wartość rezystancji opornika dekadowego w celu uzyskania maksymalnego wychylenia wskazówki miernika LM-3. Sprawdzić, czy wskazanie woltomierza 34450A nie uległo zmianie i w razie potrzeby skorygować ustawienie napięcia z generatora. W protokole podać skorygowaną wartość rezystancji Rd. Obliczyć wartość pojemności C, przy której częstotliwość fd10 po dokonaniu korekcji rezystancji Rd będzie równa wartości założonej w projekcie. W razie konieczności wymienić kondensator C w przetworniku. Jak zmieniłaby się wartość fd10, gdyby nie dokonano korekcji pojemności C? W jaki sposób należy wybrać kondensator C z dostępnych elementów, jeśli nie posiadamy elementu o obliczonej pojemności? d) Wyznaczyć rzeczywistą charakterystykę przetwarzania = f (Uwe) zrealizowanego woltomierza, gdzie jest wskazaniem miernika LM-3 (w działkach), a Uwe jest wartością skuteczną napięcia wejściowego, zmierzoną za pomocą multimetru 34450A. Częstotliwość sygnału powinna mieć wartość taką, jak w punkcie c). Wyniki zamieścić w tabeli. Narysować otrzymaną charakterystykę na tle charakterystyki teoretycznej i porównać ją z charakterystyką uzyskaną za pomocą Ćw. 7. Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej Strona 11

12 aplikacji Demo_07 (zakładka Budowa woltomierza), dostępnej na pulpicie komputera. Wyjaśnić przyczyny nieliniowości charakterystyki przetwarzania = f (Uwe). e) Obliczyć wartość fd10 po dokonaniu korekcji rezystancji Rd i pojemności C. Ustawić wartość skuteczną napięcia wejściowego równą Uz / 2. Zmieniając częstotliwość sygnału z generatora w zakresie od 0,2 fd10 do 2 fd10, wyznaczyć charakterystykę częstotliwościową = φ(f) woltomierza. Wyniki zamieścić w tabeli i sporządzić stosowny wykres. Skomentować otrzymaną charakterystykę.? Pytania kontrolne 1. Czym się różni przebieg zmienny od przemiennego? 2. Co to jest współczynnik amplitudy? Jaką przyjmuje wartość dla przebiegu sinusoidalnego? 3. Który z przetworników wartości szczytowej reaguje na składową stałą sygnału? Wyjaśnij dlaczego. 4. Który z przetworników wartości szczytowej nie reaguje na składową stałą sygnału? Wyjaśnij dlaczego. 5. W jaki sposób napięcie przewodzenia diody wpływa na napięcie wyjściowe przetwornika szeregowego? 6. W jaki sposób napięcie przewodzenia diody wpływa na napięcie wyjściowe przetwornika równoległego? 7. Jak nazywają się końcówki diody półprzewodnikowej? W jaki sposób oznacza się diodę na schemacie elektrycznym? 8. Jaki wpływ na pracę woltomierza zbudowanego przy użyciu przetwornika wartości szczytowej będzie mieć zmniejszenie rezystancji dołączonej szeregowo do woltomierza. 9. Czy przy wykorzystaniu zakresu 7,5 V woltomierza magnetoelektrycznego można skonstruować woltomierz wartości szczytowej wywzorcowany w wartościach skutecznych napięcia sinusoidalnego o napięciu zakresowym 5 V? Uzasadnij odpowiedź w przypadku diody idealnej i rzeczywistej. Ćw. 7. Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej Strona 12

13 10. Czy przy wykorzystaniu zakresu 3 V woltomierza magnetoelektrycznego można skonstruować woltomierz wartości szczytowej wywzorcowany w wartościach skutecznych napięcia sinusoidalnego o napięciu zakresowym 2,5 V? Uzasadnij odpowiedź w przypadku diody idealnej i rzeczywistej. 11. Jakie powinno być minimalne napięcie przebicia diody wykorzystanej do konstrukcji przetwornika wartości szczytowej względem maksymalnej wartości mierzonego napięcia? 12. Dlaczego w woltomierzu wartości szczytowej dołączamy rezystor szeregowo z miernikiem LM-3? 13. Jaką rolę pełni dioda w układach przetworników wartości szczytowej? 14. Jaką rolę pełni kondensator w układach przetworników wartości szczytowej? 15. Jak jest zdefiniowana stała czasowa rozładowania kondensatora i jak się ją oblicza? 16. Oblicz stosunek stałej czasowej rozładowania kondensatora o pojemności 1 μf do okresu sygnału dla częstotliwości: a) 100 Hz b) 500 Hz, c) 1 khz, d) 10 khz, jeżeli układ obciążony jest woltomierzem o rezystancji 10 kω. 17. Oblicz stosunek okresu sygnału do stałej czasowej rozładowania kondensatora o pojemności 100 nf dla częstotliwości: a) 100 Hz b) 500 Hz, c) 1 khz, d) 10 khz, jeżeli układ obciążony jest odbiornikiem o rezystancji 100 Ω. 18. Do wejścia szeregowego przetwornika wartości szczytowej doprowadzono sygnał sinusoidalny o amplitudzie 8 V i składowej stałej: a) 2 V, b) 2 V. Narysuj sygnały na wyjściu układu dla obu polaryzacji diody. Przyjmij idealną charakterystykę diody i stan rozwarcia na wyjściu. 19. Do wejścia równoległego przetwornika wartości szczytowej doprowadzono sygnał sinusoidalny o amplitudzie 8 V i składowej stałej: a) 2 V, b) 2 V. Narysuj sygnały na wyjściu układu dla obu polaryzacji diody. Przyjmij idealną charakterystykę diody i stan rozwarcia na wyjściu. 20. Do wejścia szeregowego przetwornika wartości szczytowej doprowadzono napięcie u(t) = sin(ωt) [V]. Jakie będzie wskazanie woltomierza napięcia stałego dołączonego do jego wyjścia? Jakie będzie wskazanie, jeśli tak zrealizowany woltomierz napięcia zmiennego został wywzorcowany w wartościach skutecznych napięcia sinusoidalnego? 21. Do wejścia równoległego przetwornika wartości szczytowej doprowadzono napięcie u(t) = sin(ωt) [V]. Jakie będzie wskazanie woltomierza napięcia stałego dołączonego do jego wyjścia? Jakie będzie wskazanie, jeśli tak zrealizowany woltomierz napięcia zmiennego został wywzorcowany w wartości skutecznej napięcia sinusoidalnego? Ćw. 7. Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej Strona 13

14 22. Narysuj przebiegi na wyjściach przetwornika szeregowego i równoległego, jeśli do ich wejść doprowadzono sygnał u(t) = sin(ωt) [V]. 23. Co to znaczy, że woltomierz napięcia zmiennego, zbudowany w oparciu o projekt z ćwiczenia, jest wywzorcowany w wartościach skutecznych napięcia sinusoidalnego? Jak można to doświadczalnie sprawdzić? 24. Z czego wynika błędne wskazanie woltomierza skonstruowanego przy pomocy przetwornika wartości szczytowej wywzorcowanego w wartościach skutecznych napięcia sinusoidalnego, jeżeli użyjemy go do pomiaru przebiegu o innym kształcie? 25. Jakiej wartości opornik należy dołączyć szeregowo do woltomierza magnetoelektrycznego o rezystancji wewnętrznej 10 kω i napięciu zakresowym 10 V aby otrzymać miernik wywzorcowany w wartościach skutecznych napięcia sinusoidalnego o takim samym zakresie (10 V), jeżeli wykorzystano szeregowy przetwornik wartości szczytowej? 26. W jaki sposób częstotliwość sygnału wpływa na wskazania woltomierza wartości szczytowej? Odpowiedź uzasadnij. 27. Dlaczego badanie woltomierza z przetwornikiem wartości szczytowej należy wykonać przy częstotliwości sygnału większej od fd10? 28. Do zacisków woltomierza wartości szczytowej o dolnej częstotliwości poprawnej pracy fd10 = 750 Hz wywzorcowanego w wartościach skutecznych napięcia sinusoidalnego doprowadzono sygnał o częstotliwości 2 khz. Woltomierz wskazał wartość U1. Jak zmieni się wskazanie tego woltomierza, jeżeli częstotliwość sygnału zostanie obniżona do 200 Hz? Odpowiedź uzasadnij. 29. Jakie problemy mogą wystąpić przy pomiarach małych napięć za pomocą woltomierza z przetwornikiem wartości szczytowej? 30. Jak wpływa współczynnik wypełnienia napięcia prostokątnego na sygnał wyjściowy w przetworniku wartości szczytowej? Narysuj przykładowe przebiegi dla przetwornika szeregowego. Ćw. 7. Pomiary napięć zmiennych, przetworniki wartości szczytowej Strona 14