Wydział Elektryczny Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu METROLOGIA.

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu METROLOGIA Kod przedmiotu TS1C Kod AK Ćwiczenie pt. POMIARY PARAMETRÓW SYGNAŁÓW OKRESOWYCH OSCYLOSKOPEM CYFROWYM Numer ćwiczenia M 16 Opracował: dr inż. Adam Idźkowski Białystok 2015

2 Wszystkie prawa zastrzeżone. Wszystkie nazwy handlowe i towarów występujące w niniejszej instrukcji są znakami towarowymi zastrzeżonymi lub nazwami zastrzeżonymi odpowiednich firm odnośnych właścicieli. 2

3 1. Wprowadzenie Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z właściwościami pomocniczego sprzętu pomiarowego, który będzie używany przez nich w trakcie ćwiczeń laboratoryjnych z metrologii. W instrukcji tej zawarte są opisy, objaśnienia, wskazówki i pytania kontrolne dotyczące najważniejszych wiadomości z zakresu obsługi oscyloskopu cyfrowego. Oscyloskop jest jednym z najważniejszych i najbardziej uniwersalnych przyrządów pomiarowych. Jego cenną zaletą jest zdolność wyświetlania na ekranie nieruchomych obrazów sygnałów elektrycznych zmiennych w czasie. Przedmiotem ćwiczeń będą pomiary parametrów sygnałów okresowych z uwzględnieniem prawidłowego sposobu skalowania przebiegu na ekranie oscyloskopu. 2. Płyta czołowa i interfejs użytkownika oscyloskopu Jedną z pierwszych czynności, jaką należy wykonać przed rozpoczęciem obsługi oscyloskopu, jest zaznajomienie się z jego płytą czołową (Rys. 1). Rys. 1a. Płyta czołowa oscyloskopu serii DS

4 Rys. 1b. Wejścia, pokrętła, przyciski oscyloskopu cyfrowego. a. Wejścia oscyloskopu Na płycie czołowej znajdują się dwa wejścia (kanały) oscyloskopu oznaczone jako CH1 i CH2 (Rys. 1b), do których można podłączyć sygnały napięciowe. EXT TRIG jest wejściem zewnętrznego wyzwalania (nie będzie wykorzystywane w ćwiczeniach). przewód ekranowany Oscyloskop Źródlo napięcia elektryczngo OUT sygnal masa CH1 Rys. 2. Sposób podłączenia źródła napięcia do wejścia CH1 oscyloskopu. 4

5 Sposób podłączania oscyloskopu do źródła napięcia jest przedstawiony na Rys. 2. Można to zrobić przy pomocy przewodu ekranowanego (Rys. 3). Rys. 3. Przewód ekranowany z wtykami BNC - sygnał na żyle w środku, masa na obudowach wtyków i ekranie przewodu. Aby uniknąć uszkodzenia oscyloskopu, należy pamiętać aby napięcie wejściowe na złączu BNC (wejściu kanału) nie przekraczało wartości Vmax= 400 V. Impedancja wejściowa wynosi 1M (wg noty na płycie czołowej). b. Parametry przebiegu napięcia okresowego Przypomnienie z teorii obwodów: U m amplituda napięcia, U sk wartość skuteczna napięcia ( sinusoidy), ω pulsacja (ω 2πf, gdzie f częstotliwość), T okres ( 1 ), φ u - kąt fazowy napięcia. 5 2 wzór prawdziwy tylko dla

6 Na Rys. 4 przedstawiono oznaczenia parametrów sygnału napięciowego stosowane w oscyloskopach cyfrowych. Vmax Vrms Vpp Vavg Period Rys. 4. Oznaczenia mierzonych parametrów stosowane w oscyloskopie (z ang. max maximum (maksymalna), rms root mean square (skuteczna), pp peak-to-peak ( iędzy zczytowa), avg average (średnia). c. Przyciski i pokrętła oscyloskopu Przyciski współpracują z MENU wyświetlanymi na ekranie oscyloskopu i pozwalają uzyskać dostęp do wielu jego własności związanych z kanałami CH1 i CH2, a także np. do funkcji matematycznych MATH. Pokrętła (SCALE, POSITION) służą m.in. do ustawiania współczynników skali i regulacji położenia przebiegu w kierunku pionowym (napięcie) i poziomym (czas - w trybie pracy Y-T). VERTICAL oznacza kierunek pionowy, a HORIZONTAL kierunek poziomy. Współczynniki skali osi pionowej są określone w woltach (czułość), a osi poziomej w sekundach (podstawa czasu). Ich wartości są pokazywane na dolnym pasku ekranu oscyloskopu. Przed pomiarem (np. amplitudy) oscylogram powinien być dobrze wyskalowany w osi pionowej i poziomej (Rys. 5). Dobre wyskalowanie wpływa na dokładność podawanych parametrów napięciowych i czasowych badanego sygnału. Wyniki mogą być podawane automatycznie przez oscyloskop na ekranie lub obliczane przez użytkownika na podstawie liczby odczytanych działek z podziałki i mnożenia jej przez wartość współczynnika skali). 6

7 Dobrze wyskalowany przebieg napięcie w woltach Źle wyskalowane przebiegi czas w sekundach Tryb Y-T Rys. 5. Przebiegi na ekranie oscyloskopu dobrze i źle wyskalowane. d. Blok odchylania pionowego ustawienia kanałów Każdy z kanałów oscyloskopu ma własne menu obsługowe, które rozwija się po naciśnięciu odpowiedniego przycisku CH1 lub CH2. Ustawienia wszystkich pozycji MENU są przedstawione w poniższej tablicy. Tablica 1. Menu Ustawienia Komentarze AC DC GND COUPLING Typ sygnału wejściowego BW LIMIT Ograniczenia szerokości pasma PROBE Sonda DIGITAL FILTER Filtr cyfrowy Volts/div INVERT Odwrócenie Wł. Wył. 1X 10X 100X 1000X Wybranie typu AC blokuje składową DC sygnału. Przy wybraniu typu DC przechodzi zarówno składowa DC jak i AC Wybranie typu GND odłącza sygnał wejściowy. Ogranicza szerokość pasma kanału do 20 MHz w celu redukcji wyświetlania zakłóceń. Po wybraniu,,wył." otrzymuje się pełne pasmo. Ustawić tłumienie sondy tak, aby dopasować je do czułości odchylania pionowego oscyloskopu (domyślnie 1X) - Ustawienia filtru cyfrowego Skokowo (Coarse) Płynnie (Fine) Wł. Wył. Przełącznikiem tym wybiera się zgrubnie rozdzielczość regulacji pokrętłem skali SCALE w sekwencji skoków Dokładne zmiany rozdzielczości małymi skokami między nastawami zgrubnymi. Włączenie funkcji odwrócenia sygnału wejściowego. Przywrócenie oryginalnego wyświetlania przebiegu. 7

8 Na Rys. 6. pokazano wpływ składowej stałej na wartość parametrów przebiegu napięcia sinusoidalnego. Wybór trybu sprzężenia COUPLING AC spowoduje zablokowanie składowej stałej (na rysunku sinusoida grubsza, czarna). Jeśli natomiast przebieg ma być widziany ze składową stałą, to należy wybrać COUPLING DC. Należy pamiętać, że wartości parametrów napięciowych (Vmax, Vrms, Vavg) podawane na ekranie będą różne w obu trybach sprzężenia. Bez składowej stałej Ze składową stałą napięcie V max +V DC V max V avg =V DC V avg =0 składowa stała V DC czas Tryb Y-T Rys. 6. Przebieg sinusoidalny ze składową stałą i bez składowej stałej. Maksymalne napięcie Vmax, które można zmierzyć przy pomocy oscyloskopu wynosi 400 V. Do pomiaru napięć powyżej 40 V należy wykorzystać sondę (Rys. 7), która zawiera dzielnik napięcia o przekładni 10. Rys. 7. Fabryczna sonda przełączana 1x lub 10x (z dzielnikiem napięcia o przekładni 10), przewód z krokodylkiem podłącza się do masy. 8

9 Do pomiaru dużych (większych niż 40 V) różnic potencjałów można wykorzystać sondę TESTEC TT-SI 9001 (Rys. 8). Dodatkowo, sonda ta separuje masę badanego układu od masy (i uziemienia) oscyloskopu. Dane techniczne tej sondy przedstawione są w Tablicy 2. Rys. 8. Sonda TESTEC TT-SI Tablica 2. Maksymalne napięcie wejściowe (w zależności od wyboru współczynnika podziału 1:10 lub 1:100) Maksymalne napięcie wyjściowe Pasmo Impedancja wejściowa sondy Dane techniczne sondy ±70 V (DC + peak AC) lub ±700 V (DC + peak AC) ±7 V (DC + peak AC) 0-25 MHz 4 MΩ / 5,5 pf Dokładność ±2% Wymiary 170 x 63 x 21 mm Zasilanie +6 V DC lub 4 baterie AA Uwaga: Wyjście BNC sondy musi być podłączone do wejścia CH1 oscyloskopu, a dodatkowy (czarny) przewód sondy musi być połączony z uziemieniem oscyloskopu. 9

10 e. Blok odchylania poziomego ustawienia podstawy czasu Na ekranie oscyloskopu można odczytać ustawioną wartość podstawy czasu (podziałki skali) w jednostkach czasu na działkę (1 cm). Ze względu na to, że wszystkie aktywne (wyświetlone) w danym momencie przebiegi wykorzystują tę samą podstawę czasu, oscyloskop wyświetla jedną wartość dla wszystkich aktywnych kanałów, z wyjątkiem, gdy używa się funkcji Delayed (opóźnionego odchylania). Aby wyświetlić menu podstawy czasu (odchylania poziomego), należy nacisnąć przycisk MENU. Ustawienia tego menu są wyszczególnione w poniższej tablicy: Tablica 3. Menu Ustawienia Komentarze DELAYED Opóźnienie Wł. Wył. Wejście w tryb opóźnionego odchylania. Wyłączenie trybu opóźnionego odchylania TIME BASE Tryb pracy (podstawa czasu) Y-T X-Y Przedstawia zależność napięcia na osi pionowej w funkcji czasu na osi poziomej. Przyporządkowuje wartości w kanale CH1 osi X, a wartości w kanale CH2 osi Y. Rys. 9. Znaki i pasek stanu. Znak ten zaznacza położenie w pamięci punktu wyzwalania. Znak ten [ ] reprezentuje aktualne położenie przebiegu w pamięci. Znak ten zaznacza położenie punktu wyzwalania w oknach przebiegu. Pasek stanu - wyświetlona ustawiona wartość podstawy czasu (głównej podstawy czasu). Pasek stanu - ustawiona wartość offsetu wyzwalania podstawy czasu w odniesieniu do środka okna. 10

11 Ważne uwagi: Y-T: Konwencjonalny format wyświetlania oscyloskopu. Przedstawia on jak napięcie przebiegu (na osi pionowej) zmienia się z czasem (na osi poziomej). X-Y: Format wyświetlania na osi poziomej wartości napięcia sygnału z kanału 1, a na osi pionowej napięcia sygnału z kanału 2. f. Pomiar automatyczny (MEASURE) Aby wyświetlić MENU ustawień pomiaru automatycznego, należy nacisnąć przycisk MEASURE. Przyciskami z prawej strony ekranu można dokonywać ustawień i mierzyć parametry wymienione w Tablicach 4-6. Tablica 4. Menu Ustawienia Komentarze Źródło (Source) CH1 CH2 Kanał 1 jako źródło mierzonego sygnału, Kanał 2 jako źródło mierzonego sygnału. Napięcie (Voltage) - Napięcie jako mierzony parametr. Patrz Tablica 4. Czas (Time) Wyczyść (Clear) - Czas jako mierzony parametr. Patrz Tablica 5. - Kasowanie wyników pomiaru wyświetlony na ekranie. Pokaż wszystko (Display All) Wył. Wł. Wyłączyć wyświetlanie wszystkich wyników pomiaru. Włączyć wyświetlanie wszystkich wyników pomiaru. Pomiar napięcia wybrane parametry (patrz też Rys. 4) Tablica 5. Menu Vpp Vmax Vmin Vavg Vrms Vamp Komentarz Wartość międzyszczytowa napięcia Napięcie maksymalne (MAX) Napięcie minimalne (MIN) Wartość średnia napięcia (AVG) Wartość skuteczna napięcia (RMS) Wartość amplitudy napięcia (podwojona) 11

12 Pomiar czasu wybrane parametry (patrz też Rys. 4 i Rys. 10) Tablica 6. Menu Częstotliwość (Freq) Okres (Period) Czas narastania (Rise time) Czas opadania (Fall time) Komentarz Częstotliwość przebiegu okresowego (f) Okres (T) Czas narastania impulsu (tr) Czas opadania impulsu (tf) Rys. 10. Czas narastania i opadania impulsu napięciowego. Uwaga: Wyniki pomiarów automatycznych będą wyświetlane w dole ekranu. W tym samym czasie można wyświetlić maksymalnie trzy wyniki. Następny, nowy wynik pomiaru spowoduje przesunięcie na ekranie poprzednich wyników w lewo, o jedno miejsce. 12

13 g. Pomiary przy pomocy kursorów Aby włączyć kursory naciskamy przycisk CURSOR. Można wybrać kursory pionowe (pomiar czasu, Rys. 11) lub poziome (pomiar napięcia, Rys. 12) Rys. 11. Pomiar czasu przy pomocy kursorów [6]. Rys. 12. Pomiar napięcia przy pomocy kursorów [6]. Na ekranie pojawiają się dwa kursory w postaci linii. Jeden jest zawsze aktywny, a drugi pasywny. W trybie manualnym kursor aktywny można przesuwać pokrętłem POSITION (oscyloskopy serii DS5000). Na ekranie wyświetlane są zmierzone różnice czasów lub poziomów napięć. Kursory można wyłączyć przyciskiem związanym z menu ekranowym OFF. 13

14 Menu ekranowe dla kursorów Menu Ustawienia Komentarz Tryb (Mode) Ręczny Tryby pomiaru z użyciem kursorów (Manual) Śledzenie (Track) Automatyczny (Auto) Typ (Type) Napięcie (Voltage lub Y) Czas (Time lub X) przebiegu Źródło (Source) CH1 CH2 MATH Użyć kursor, aby zmierzyć parametry napięciowe przebiegu Użyć kursor, aby zmierzyć parametry czasowe Wybrać jako źródło sygnału kanał 1 Wybrać jako źródło sygnału kanał 2 Wybrać jako źródło operacje matematyczne Menu Ustawienia Komentarz Napięcie Kręcąc pokrętłem regulacji położenia w pionie POSITION, Cursor A przesunąć kursor A w kierunku pionowym. Czas Kręcąc pokrętłem regulacji położenia w pionie POSITION, przesunąć kursor A w kierunku poziomym. Cursor B Uwaga: Napięcie Czas Kręcąc pokrętłem regulacji położenia w pionie POSITION, przesunąć kursor B w kierunku pionowym. Kręcąc pokrętłem regulacji położenia w pionie POSITION, przesunąć kursor B w kierunku poziomym. W oscyloskopie DS1052 naciskamy przycisk MENU ekranowego CurA lub CurB i kręcimy pokrętłem znajdującym się przy przyciskach MENU (świeci się nad nim pole z zaokrągloną strzałką). 14

15 Zadania (część A) Sprzęt pomiarowy (uzupełnić brakujące dane) Producent Typ Oscyloskop cyfrowy RIGOL DS5000 lub DS1052 Sonda oscyloskopowa TESTEC TT-SI 9001 Generator funkcyjny NDN JC5603P Woltomierz cyfrowy UNI-T UT71D Dekada rezystancyjna Dekada pojemnościowa Zadanie 1 Pomiary amplitudy, okresu, wartości skutecznej Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu amplitudę, okres, wartość międzyszczytową i wartość skuteczną zaproponowanego przez prowadzącego sygnału okresowego (np. o kształcie sinusoidy). Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na Rys. 13. Generator funkcyjny przewód ekranowany Oscyloskop Rys. 13. Schemat układu pomiarowego. Wyniki odczytów i obliczeń zanotować w Tabelach 1 i 2. Uwaga: Zalecane jest, aby to zadanie każdy student wykonał samodzielnie! 15

16 Tabela 1. Wartości amplitudy i okresu wyznaczone na podstawie podziałki oscyloskopu oraz współczynników skali osi pionowej i poziomej. Współczynnik skali osi pionowej (CH1) Amplituda sygnału w centymetrach Amplituda w jednostkach napięcia Współczynnik skali osi poziomej (Time) Okres sygnału w centymetrach Okres sygnału w jednostkach czasu a y =...mv/cm, V/cm niepotrzebne skreślić h y =...cm Vmax = a y h y...mv, V niepotrzebne skreślić a x =... s/cm, ms/cm, s/cm niepotrzebne skreślić h x =...cm T = a x h x... s, ms, s niepotrzebne skreślić Tabela 2. Pomiary automatyczne (przycisk MEASURE). Amplituda w jednostkach napięcia Wartość skuteczna (RMS) w jednostkach napięcia Wartość międzyszczytowa w jednostkach napięcia Okres sygnału w jednostkach czasu Vmax =...mv, V niepotrzebne skreślić Vrms =...mv, V niepotrzebne skreślić Vpp=...mV, V niepotrzebne skreślić T =... s, ms, s niepotrzebne skreślić Zapisać przebieg z ekranu oscyloskopu na pendrive (przycisk STORAGE), typ pliku CSV. Przyciskiem EXTERNAL otwiera się katalog plików zapisanych na pendrive. Dalej: przycisnąć NEW FILE, wprowadzić nazwę pliku i przycisnąć SAVE. W sprawozdaniu należy sporządzić wykres punktowy na podstawie zarejestrowanego pliku CSV. W tym celu trzeba otworzyć plik CSV w arkuszu kalkulacyjnym MS Excel (najlepiej z poziomu menu Dane, Z tekstu). Dane liczbowe w pliku CSV są oddzielone przecinkami. Dodatkowo wartości liczbowe w pliku są z kropkami i należy zamienić je na przecinki (Znajdź, Za ień). Zamieścić przebieg z tytułem i opisanymi osiami. Zaznaczyć na nim: Vmax, Vrms, T oraz Vpp. Zwrócić uwagę na korelację pomiędzy wartościami zmierzonymi przy pomocy oscyloskopu, a zaznaczonymi na wydrukowanym przebiegu. 16

17 Zadanie 2 Badanie szeregowego obwodu RC - pomiar amplitudy i okresu sygnału wejściowego i wyjściowego Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu parametry sygnałów z generatora (U 1 ) oraz z wyjścia (U 2 ) obwodu RC. R G U 1 C U 2 CH 2 CH 1 Rys. 14. Szeregowy obwód RC (G - generator NDN JC5603P, CH1 i CH2 kanały oscyloskopu). 1. Ustawić na generatorze napięcie sinusoidalne U 1 o wartości międzyszczytowej Vpp=10 V i częstotliwości f = 15 khz (uwaga: ładowa tała <DC offset> na generatorze powinna być równa 0). 2. Zmierzyć amplitudy sygnałów w kanałach CH1 i CH2. a) przy pomocy podziałki oscyloskopu Vmax = a y h y, gdzie: a y współczynnik odchylenia pionowego w V/cm, h y amplituda w cm, b) automatycznie - przycisk MEASURE. Tabela 3. Wyniki pomiaru amplitud dwiema metodami. Napięcie U 1 Napięcie U 2 CH1 CH2 a) b) 3. Zmierzyć okres sygnału wejściowego U 1 lub wyjściowego U 2 : a) przy pomocy podziałki oscyloskopu T = a x h x, gdzie: a x współczynnik odchylenia poziomego w V/cm, h x okres w cm, b) automatycznie - przycisk MEASURE, c) przy pomocy kursorów przycisk CURSOR, Mode Manual (patrz str ). 17

18 Tabela 4. Wyniki pomiaru okresu trzema metodami. a) b) c) Okres T Zadanie 3 - Pomiar wartości skutecznej napięcia sieciowego Uwaga: Ze względu na bezpieczeństwo, montaż tego układu pomiarowego oraz włączanie napięcia sieciowego należy wykon ywać tylko pod nadzorem prowadzącego zajęcia! Przy pomocy sondy TESTEC i oscyloskopu zmierzyć napięcie sieciowe regulowane przy pomocy autotransformatora. Parametry sygnału wejściowego (z autotransformatora) U 1 = od 0 do 260 V (RMS), f = 50 Hz Kolejność czynności: a. Zmontować układ według Rys. 15. Sprawdzić czy pokrętło (suwak) autotransformatora jest na zerze. Pamiętać o podłączeniu przewodu uziemienia sondy z uziemieniem oscyloskopu. b. Ustawić woltomierz cyfrowy na napięcie zmienne (AC), zakres 1000 V lub automatyczny. c. Ustawić wartość współczynnik tłumienia (ang. attenuation ratio) sondy TESTEC na 1:100. Włączyć sondę. d. W oscyloskopie ustawić tłumienie sondy PROBE na 100X. e. Poprosić prowadzącego o sprawdzenie układu i włączenie autotransformatora do sieci. Włączyć włącznik WŁ. f. Ustawiać kolejne wartości napięcia U 1 na woltomierzu cyfrowym (Tabela 5) i mierzyć wartość skuteczną za pomocą oscyloskopu. Dokonywać odczytów U 2 z oscyloskopu przy jak największym przebiegu na ekranie. Wyniki zapisać w Tabeli 5. 18

19 Rys. 15. Schemat połączeń układu do pomiaru napięcia sieciowego (AT autotransformator, V- woltomierz cyfrowy UT71D). Tabela 5. Pomiar wartości skutecznej napięcia sieciowego. U 1 V U 2 V W sprawozdaniu należy: Wyjaśnić przyczyny ewentualnych różnic wartości napięć U 1 i U 2. 19

20 Zadania (część B) Zadanie 4 - Pomiar przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem oraz wartości skutecznej prądu w dwójniku szeregowym RC Rys. 16 a. Napięcie i prąd są zgodne w fazie. Rys. 16 b. Napięcie jest opóźnione względem prądu o Δt. Przypomnienie z teorii obwodów: W przypadku obciążenia czysto rezystancyjnego kąt fazowy pomiędzy napięciem a prądem wynosi Δφ=φ u -φ i =0. Oznacza to, że napięcie i prąd są zgodne w fazie (Rys. 11 a). W przypadku obciążenia czysto pojemnościowego kąt fazowy pomiędzy napięciem a prądem wynosi Δφ=φ u -φ i = -90. Przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem i prądem zasilającym dwójnik RLC zawiera się w przedziale <-90º; +90º>. W obwodzie RC napięcie jest opóźnione względem prądu (Rys. 16 b). Opóźnienie Δt należy zmierzyć przy pomocy oscyloskopu w sekundach i przeliczyć na kąt fazowy φ w stopniach. Rys. 17. Schemat połączeń (G- generator NDN JC5603P, R dekada rezystancyjna, C dekada pojemnościowa, R1 150 Ω dodatkowy rezystor wewnątrz czarnego pudełka umożliwiający pomiar prądu, CH1 i CH2 kanały oscyloskopu do pomiaru napięcia i prądu). 20

21 Kolejność czynności: 1) Połączyć obwód według Rys. 17. Dołączyć do czarnego pudełka dekady: rezystancyjną i pojemnościową, generator funkcyjny G i oscyloskop. Dane: C = 0,054 F; Vpp = 6 V; f = 15 khz, R z zakresu od 0 do 250 Ω. (lub inne wartości podane przez prowadzącego) 2) Zmierzyć okres T u sinusoidy napięcia zasilającego obwód: wcisnąć przycisk CURSOR; ustawić: Mode MANUAL, Type TIME (lub X), Cursor A CH1, Cursor B CH1; przesuwać kursory (linie pionowe) kręcąc pokrętłem POSITION (oscyloskopy serii DS5000) lub pokrętłem znajdującym się przy przyciskach MENU (oscyloskop DS1052E), ustawić kursory w punktach przejścia sygnału przez zero. 3) Zmierzyć przy pomocy kursorów opóźnienie Δt pomiędzy przebiegami w obu kanałach (ustawienia jak wyżej ale tym razem Cursor A CH1, a Cursor B CH2). 4) Obliczyć przesunięcie fazowe pomiędzy przebiegami korzystając z zależności 360 t. T u 5) Wyniki pomiarów i obliczeń wpisać do Tabeli 6. 6) Na podstawie wskazań oscyloskopu i wartości rezystancji R1 obliczyć wartość skuteczną prądu płynącego przez ten obwód. 21

22 Tabela 6. Wyniki: wartości skuteczne napięć i prądu, okres, przesunięcie fazowe. Ustawiona wartość rezystancji R=...Ω Okres Opóźnienie T u Δt μs μs Kąt fazowy Δφ Vrms(1) (CH1) Vrms(2) (CH2) Irms=Vrms(2)/R1 V mv ma W sprawozdaniu należy: Zamieścić obliczenia teoretycznej wartości kąta fazowego pomiędzy napięciem a prądem dla odczytanej wartości R z rezystora dekadowego oraz podanych wartości C i f. Porównać teoretyczną wartość kąta fazowego z wartością zmierzoną przy pomocy oscyloskopu. Zadanie 5 Wyznaczenie wartości rezystancji lub pojemności, na podstawie pomiaru wartości przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem w dwójniku szeregowym RC Dane np: C = 0,054 F; Vpp = 6 V; f = 15 khz, Δφ z zakresu od -20 do -50º (lub inne wartości podane przez prowadzącego). 22

23 Zadanie 6 Badanie szeregowego obwodu RC Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu parametry sygnałów z generatora (U 1 ) oraz z wyjścia (U 2 ) obwodu RC (Rys. 18). R G U 1 C U 2 CH 2 CH 1 Rys. 18. Szeregowy obwód RC (G - generator NDN JC5603P, CH1 i CH2 kanały oscyloskopu). a. Wyznaczanie charakterystyki amplitudowej i fazowej transmitancji napięciowej w obwodzie RC Transmitancję napięciowo-napięciową czwórnika w stanie jałowym (I 2 =0) określamy jako iloraz napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego. W ogólnym przypadku jest ona liczbą zespoloną. Charakterystyką amplitudową tej transmitancji nazywamy stosunek amplitudy/wartości skutecznej napięcia wyjściowego do amplitudy/wartości skutecznej napięcia wejściowego. Charakterystyką fazową nazywamy przebieg wartości argumentu tej transmitancji w funkcji częstotliwości f (lub pulsacji ω). K u ( K u U U ( j ) U ( ) ( j ) 2 Ku ( ) 1( j ) 23 e j arg K u ( ) 2 ) U1( ), arg K u ( ) argu 2( ) arg U1( ) 0 I 0 2

24 I 1 I 2 U 1 czwórnik U 2 wejście I 1 I 2 wyjście Rys. 19. Układ z Rys. 18 jako czwórnik. Badany układ jest filtrem dolnoprzepustowym o częstotliwości granicznej 1 f gr. 2 RC Częstotliwość graniczna jest to wartość częstotliwości, dla której kończy się pasmo przepustowe filtru. Stosunek amplitud U 2 /U 1 równa się wtedy. Dla uproszczenia oznaczeń przyjmijmy dalej, że: K ( ), arg K u ( ). u K u Kolejność czynności: 1. W układzie z Rys. 18 nastawić na generatorze sygnał sinusoidalny o amplitudzie U 1 =5 V. Dla każdej wartości częstotliwości f w zakresie od 100 Hz do 1 MHz zmierzyć amplitudę napięcia wyjściowego U 2 oraz przesunięcie Δt w czasie pomiędzy napięciem wyjściowym i wejściowym (uwaga: oba przebiegi muszą być ustawione symetrycznie względem osi czasu, a przesunięcie należy mierzyć przy pomocy kursorów). Zwrócić uwagę, aby napięcie U 1 było jednakowe dla wszystkich wartości częstotliwości. 2. Dla każdej wartości częstotliwości obliczyć moduł transmitancji K u i przesunięcie fazowe Δφ ze wzoru wzorów: K u ( U ( ) 2 ) 2 2 f t U1( ) I 0 T 2 t. Wyniki pomiarów i obliczeń zapisywać w Tabeli 7. 24

25 Tabela 7. Wyniki pomiarów i obliczeń. f khz 0,1 0,2 0, U 2 V K u - Δt Δφ μs rad f khz U 2 V K u - Δt Δφ μs rad Parametry obwodu RC: R 10 kω, C 1 nf W sprawozdaniu należy: Narysować charakterystykę amplitudową transmitancji K u w funkcji częstotliwości f. Narysować charakterystykę fazową transmitancji K u w funkcji częstotliwości f. Obliczyć i zaznaczyć na wykresach częstotliwość graniczną f gr. Zastosować na osi częstotliwości podziałkę logarytmiczną. Charakterystyki sporządzić w programie MS Excel lub wykreślić na papierze milimetrowym. Zaznaczyć na nich charakterystyki teoretyczne (idealne). b. Pomiar stałej czasowej Stała czasowa Jest to czas, po którym składowa przejściowa maleje e-krotnie względem swojej wartości początkowej (Rys. 20 i 21). Przy jej pomocy można opisać czas osiągania stanu ustalonego w obserwowanym układzie, po zmianie wartości sygnału wejściowego lub zmianie (komutacji) w obwodzie. RC stała czasowa obwodu szeregowego RC (4τ 5τ) czas trwania stanu nieustalonego w obwodzie RC lub RL. 25

26 Rys. 20. Przebieg napięcia na kondensatorze po załączeniu źródła napięciowego DC e - liczba Eulera 2,718 Rys. 21. Przebieg napięcia rozładowania kondensatora w obwodzie RC. Kolejność czynności: 1. W układzie z Rys. 18 ustawić napięcie prostokątne U 1 o wartości międzyszczytowej Vpp 10 V i częstotliwości f = 5 khz. 2. Regulować pokrętłami SCALE i POSITION tak, aby otrzymać interesujący fragment obrazu przebiegu w dużym powiększeniu (jak na Rys. 22 b.) Rys. 22 a. Źle wyskalowany obraz przebiegu.. Rys. 22 b. Dobrze wyskalowany obraz przebiegu. 3. Zmierzyć stałą czasową. W tym celu należy: a) zmierzyć wartość międzyszczytową napięcia U 2, zapisać do tabeli jako A. b) posługując się definicją, zmierzyć stałą czasową τ m (dla ładowania i rozładowania kondensatora). Aby odnaleźć dokładną wartość stałej czasowej i odpowiadającego jej napięcia wcisnąć przycisk CURSOR i ustawić Cursors Mode na Track. 4. Obliczyć teoretyczną wartość τ stałej czasowej dla parametrów: R=10 kω i C=1nF. Porównać zmierzoną wartość τ m z wartością teoretyczną τ. 5. Wyniki zapisać do Tabeli 8. 26

27 Tabela 8. Wyniki pomiarów i obliczeń. A V A e V 1 A 1 e V τ m μs Ładowanie Rozładowanie τ μs W sprawozdaniu należy: Naszkicować (dobrze wyskalowane) przebiegi z oscyloskopu. Zaznaczyć na nich stałą czasową. Skomentować wyniki. Literatura 1. Bolkowski S.: eoria obwodów ele trycznych, WNT Warszawa Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna, WNT Warszawa Osiowski J., Szabatin J.: Pod tawy teorii obwodów T.1 i 3, WNT Warszawa Kamieniecki A.: W półcze ny o cylo op: budowa i po iary, Wydawnictwo BTC Legionowo Rydzewski J. : Pomiary oscyloskopowe, WNT Warszawa RIGOL DS5000 instrukcja obsługi (user manual), Wymagane wiadomości 1. Parametry podstawowych przebiegów okresowych. 2. Definicje wartości średniej i skutecznej przebiegu okresowego. 3. Dzielnik napięcia. 27

28 4. Przebieg modułu i kąta fazowego impedancji elementów R L C połączonych szeregowo i równolegle. 5. Wykresy wskazowe dla połączeń szeregowych i równoległych elementów R L C. 6. Czwórnik, definicje transmitancji i stałej czasowej w szeregowym obwodzie RC. 7. Definicja i podstawowe charakterystyki przy rezonansie napięć w szeregowym obwodzie RLC. Wymagania BHP Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe. Przed rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi przez prowadzącego. W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad. Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w stanie kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie. Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń. Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po wyrażeniu zgody przez prowadzącego. Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą obserwację, bez konieczności nachylania się nad innymi elementami układu znajdującymi się pod napięciem. Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana elementów składowych stanowiska pod napięciem. Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się odbywać wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia. W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć wszystkie urządzenia. Stwierdzone wszelkie braki w wyposażeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać prowadzącemu zajęcia. Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń nie należących do danego ćwiczenia. W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy niezwłocznie wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą wyłącznika bezpieczeństwa, dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej w laboratorium. Przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego. 28