WYDZIAŁ PPT LABORATORIUM Z ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI D-1 Ćwiczenie nr 6. Okresowe sygnały elektryczne, parametry amplitudowe

Transkrypt

1 WYDZIŁ PP LBORORIUM Z ELEKROECHNIKI I ELEKRONIKI D- Ćwiczenie nr 6. Okresowe sygnały elekryczne, paramery ampliudowe Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenia jes zapoznanie ćwiczących z analogowymi sygnałami zmiennymi, ich podsawowymi paramerami czasowymi i ampliudowymi oraz sposobem obliczeniowym jak i pomiarowym wyznaczania warości ych paramerów. Dodakowo realizacja ćwiczenia pozwala na ugrunowanie umiejęności posługiwania się oscyloskopem analogowym jako narzędziem pomiarowym. Program ćwiczenia W celu realizacji ćwiczenia należy:. Zmonować układ pomiarowy jak na schemacie.. W celu uruchomienia makiey podłączyć wyjście ransformaora zasilającego (wyk współosiowy na kablu ransformaora) do gniazda na płycie ylniej makiey MD- (rysunek ). Przełącznik dwupozycyjny, umożliwiający wybór zasilania, przełączyć w pozycję Deekory (dźwignia przełącznika dwupozycyjnego usawiona w prawo pozycja ). Włączyć ransformaor do sieci zasilającej V/5Hz. Konrolka na płycie czołowej makiey MD- świeci świałem o zielonej barwie. kabel koncenryczny wyk BNC - wyk BNC (szuk ) kabel wyk "radiowy"- wyk "radiowy" (szuk ) Sieć V / 5Hz P łya ylnia makiey Moż e o być generaor auonomiczny lub generaor wbudowany do oscyloskopu ransformaor zasilają cy Generaor funkcyjny 5V-V/.5 /5Hz rójnik BNC Wejście sygnału badanego Zasilanie Makiea dydakyczna MD- wyjś cie oscyloskop P łya czołowa makiey wyjś cie MEEX Oscyloskop Y Y Przyrzą d analogowy "MEEX" Schema. Sposób połączenia urządzeń na sanowisku pomiarowym Gniazdo współosiowe do podłączenia ransformaora zasilającego ZSILNIE MKIEY V/5Hz Sabilizaor Wejście sygnału z generaora Deekory Przełącznik dwupozycyjny Zasilanie. zasilanie układu "deekory". zasilanie układu "abilizaor" Przełącznik dwupozycyjny Wybór rodzaju wejścia. Wejście zmiennoprądowe. Wejście sałoprądowe ( = ) ( ~ ) Gniazdo BNC do podłączenia sygnału z generaora funkcyjnego (sygnał mierzony) Rys. Przełączniki i gniazda na płycie ylniej makiey MD-. Wprowadzić nasawy na generaorze sygnałowym akie, aby dosarczany przez niego sygnał miał nasępujące paramery; kszał sinusoidalny, częsoliwość f =(±,5)kHz, ampliudę d = u =(±,5)V, podpolaryzowanie sygnałem sałym U dc = V, przy usawianiu wymaganych paramerów posługiwać się obrazem sygnału na ekranie lampy oscyloskopowej. Sygnał z generaora doprowadzić (rysunek ) do gniazda BNC umieszczonego na płycie ylniej makiey MD-. Przełącznikiem dwupozycyjnym na polu Wejście sygnału z generaora usawić rodzaj wejścia -zmiennoprądowe, jeżeli przedmioem pomiaru są paramery ampliudowe sygnału bez składowej sałej, -sałoprądowe, jeżeli przedmioem pomiaru są paramery sygnału zmiennoprądowego nałożonego na sygnał sałoprądowy. Po usawieniu sygnał z generaora dołączyć również do wejścia Y oscyloskopu. 4. Na płycie czołowej urządzenia MKIE MD- (rysunek ) przełącznik dwupozycyjny na polu SYGNŁ BDNY usawić w pozycji w lewo, a przełącznik obroowy (czeropozycyjny) w pozycji Srona z 5

2 WYDZIŁ PP LBORORIUM Z ELEKROECHNIKI I ELEKRONIKI D- Ćwiczenie nr 6. Okresowe sygnały elekryczne, paramery ampliudowe. Przy akich usawieniach przełączników na polu SYGNŁ BDNY przełączać przełącznik WROŚĆ MIERZON kolejno od pozycji do pozycji 4 odczyując za każdym usawieniem ego przełącznika warość napięcia sałego wskazywaną przez mulimer cyfrowy MEEX. Jednocześnie należy rejesrować (odrysować) kszał sygnału obserwowanego w kanale oscyloskopu. Odrysowując kszał sygnału należy na szkicu zaznaczyć wszyskie isone warości wymiarów obrazu, jak również nasawy usawione pokręłami oscyloskopu. Należy pamięać, o usawieniu pokręeł regulaorów płynnej regulacji czułości odchylania pionowego, jak również płynnej regulacji szybkości podsawy czasu, w pozycji kalibrowane! W przeciwnym razie wyznaczone na podsawie wymiarów obrazu warości ampliud bądź czasów analizowanego sygnału, będą błędne. Odczyywane z mulimeru cyfrowego warości napięcia są równe, co do warości odpowiednim paramerom ampliudowym sygnału mierzonego (kszał ego sygnału, kórego dany paramer jes mierzony, jes jednocześnie za każdym razem pokazywany na ekranie lampy oscyloskopowej jako obraz sygnału w kanale oscyloskopu) w ym eapie ćwiczenia mierzone są paramery ampliudowe sygnału nie poddanego deekcji lub inaczej sygnału nie poddanego procesowi prosowania. Przełącznik dwupozycyjny Selekcja - sygnał bez prosowania (dźwignia w lewo) sygnał po prosowaniu ( dźwignia w prawo) Przełącznik czeropozycyjny Selekcja rodzaju prosowania - sygnał bez prosowania (ważne ylko przy dźwidni przeł. dwupoz. w lewo),, 4 - sygnał z prosowaniem (ważne ylko przy dźwigni przeł. dwupoz. w prawo) Prosowanie - dwupołówkowe - jedno[połowkopwe (dodanie) 4- jednopołówkowe (ujemne) Gniazdo BNC na kórym wysępuje sygnał przewarzany (do obserwacji) Czeropozycyjny przełącznik rodzaju warości mierzonej (-skueczna, -średnia, -szczyowa, 4-międzyszczyowa) SYGNŁ BDNY Do oru Y oscyloskopu MKIE MD- WROŚĆ MIERZON Zaciski sygnału napięcia sałego o warości równej warości mierzonego parameru Sygnalizaor zasilania Ma świecić na zielono!! Rys. Pokręła na płycie czołowej makiey MD- i ich funkcje 5. W kolejnym eapie ćwiczenia przełącznik przechylny na polu SYGNŁ BDNY przełączyć w prawo. Przełącznik obroowy w pozycję (prosowanie dwupołówkowe). Dla akiego usawienia przełączników na polu SYGNŁ BDNY przełączać kolejno przełącznik WROŚĆ MIERZON od pozycji do pozycji 4 odczyując za każdym razem wskazania mulimeru cyfrowego oraz rejesrując kszał sygnału (obraz w kanale oscyloskopu). 6. Po wykonaniu pomiarów dla sygnału prosowanego dwupołówkowo, przełącznik obroowy na polu SYGNŁ BDNY usawić w pozycji (prosowanie jednopołówkowe dodania część fali sygnału). Ponownie zmierzyć warości paramerów ampliudowych sygnału oraz rejesrować kszał sygnału. 7. e same pomiary powórzyć dla sygnału wyprosowanego jednopołówkowo, ale przy prosowaniu ujemnej części fali sygnału (przełącznik obroowy na polu SYGNŁ BDNY w pozycji 4 ). 8. Zmienić kszał sygnału z sinusoidalnego na prosokąny (pozosałe paramery sygnału pozosają bez zmian) i powórzyć całą procedurę pomiarową od punku 4 do punku 7 programu ćwiczenia. 9. Zmienić kszał sygnału z prosokąnego na rójkąny (pozosałe paramery sygnału pozosają bez zmian) i powórzyć całą procedurę pomiarową od punku 4 do punku 7 programu ćwiczenia.. Wyniki pomiarów zesawić w formie abeli. W sprawozdaniu wyliczyć warości odpowiednich paramerów ampliudowych dla sygnałów wskazanych przez prowadzącego i porównać wyliczone warości z warościami zmierzonymi w czasie ćwiczenia. Wyliczyć warości odpowiednich współczynników szczyu i kszału na podsawie wyników pomiarów i porównać z współczynnikami wynikającymi z obliczeń eoreycznych. Przy porównywaniu wykazać jak duży wpływ ma dokładność pomiaru mulimeru cyfrowego oraz dokładność wyznaczenia warości sygnału z obrazu widzianego na ekranie oscyloskopu. Określić, jaki jes wpływ składowej sałej sygnału zmiennego na warości wyznaczanych współczynników ampliudowych sygnału zmiennego? Odpowiedź uzasadnić Wyniki analizy przedsawić w sprawozdaniu w punkcie uwagi i wnioski końcowe. Srona z 5

3 WYDZIŁ PP LBORORIUM Z ELEKROECHNIKI I ELEKRONIKI D- Ćwiczenie nr 6. Okresowe sygnały elekryczne, paramery ampliudowe Przykładowe abele pomiarowe Kszał sygnału: sinusoida, (prosoką?, rójką?) częsoliwość: khz, d = u = [V] Paramer ampliudowy Deekcja sygnału Sygnał bez deekcji U sk [V] U śr [V] U szczy [V] U pp [V] Warości napięć sałych zmierzonych mulimerem cyfrowym,78,,,999 Kszał sygnału obserwowanego na ekranie oscyloskopu (kanał ) [V] dz 4 dz / S y =,5[V/dz] [V] dz 4 dz / S y =,5[V/dz] [V] dz 4 dz / S y =,5[V/dz] [V] dz 4 dz / S y =,5[V/dz] Sygnał wyprosowany Deekcja dwupołówkowa Sygnał wyprosowany Deekcja jednopołówkowa Dodania połówka sygnału Sygnał wyprosowany Deekcja jednopołówkowa Ujemna połówka sygnału Warości napięć sałych zmierzonych mulimerem cyfrowym Kszał sygnału obserwowanego na ekranie oscyloskopu (kanał ) Warości napięć sałych zmierzonych mulimerem cyfrowym Kszał sygnału obserwowanego na ekranie oscyloskopu (kanał ) Warości napięć sałych zmierzonych mulimerem cyfrowym Kszał sygnału obserwowanego na ekranie oscyloskopu (kanał ) Wprowadzenie Zachodzącą w czasie zmianę wielkości fizycznych, jakimi są prąd i napięcie nazywamy sygnałem elekrycznym. Najczęściej spoykane sygnały elekryczne należą do grupy ak zwanych sygnałów analogowych (ciągłych w czasie). ym sygnałom poświęcone jes niniejsze ćwiczenie. Z sygnałem analogowym bezpośrednio związane są jego paramery czasowe (rysunek ) i ampliudowe (rysunek 4). Paramery czasowe analogowego sygnału elekrycznego Okres sygnału periodycznego = f Czas rwania dodaniej części sygnału Czas rwania ujemnej części sygnału Faza począkowa sygnału Pole dodanie S + d Pole ujemne S u - = d + u Rys. Zesawienie podsawowych paramerów czasowych sygnału zmiennego i ich inerpreacja fizyczna na przykładzie sygnału prosokąnego o różnych czasach rwania dodaniej i ujemnej części sygnału. Omawiany sygnał ma kszał fali prosokąnej, niesymerycznej względem osi czasu, jak również o różnych czasach rwania dodaniej ( τ ) i ujemnej części ( τ ) fali. W podanym przykładzie ( -τ )>τ. Ławo zauważyć, że zarówno dodania jak i ujemna część fali mają swoją warość maksymalną; d i u. Warość d nazywana jes ampliudą dodanią lub dodanią warością szczyową sygnału, a warość u ampliudą ujemną Srona z 5

4 WYDZIŁ PP LBORORIUM Z ELEKROECHNIKI I ELEKRONIKI D- Ćwiczenie nr 6. Okresowe sygnały elekryczne, paramery ampliudowe lub ujemną warością szczyową. Zaem w przypadku sygnału zmiennego w czasie, jedną z wielkości opisujących en sygnał są jego warości maksymalne, czyli ampliudy lub inaczej warości szczyowe. Suma warości bezwzględnych ampliud, dodaniej d i ujemnej u przebiegu przemiennego, jes równa warości wielkości oznaczonej symbolem ss, nazywanej inaczej warością międzyszczyową (warość szczy szczy). Obie wielkości j. warości ampliud d, u, jak i warość międzyszczyowa ss sygnałów przemiennych, są prose w inerpreacji (parz rysunek 4). Oprócz wyżej wymienionych, zmienny w czasie sygnał, charakeryzują jeszcze rzy kolejne wielkości. Nazywamy je odpowiednio: Warość skueczna sygnału - nazwana w niniejszym opracowaniu jako sk (w nazewnicwie angielskojęzycznym oznaczana symbolem eff ). Reprezenuje ona warość sygnału zmiennego, kóry może wykonać aką samą pracę jak sygnał sałoprądowy spełniający nasępujący warunek DC = sk (gdzie DC jes warością napięcia lub prądu sałego). Warość średnia z modułu warości funkcji - warość. Jes ona równa warości średniej przebiegu przemiennego po prosowaniu jego dodaniej i ujemnej części i w niniejszym opracowaniu oznaczana jes symbolem śrb. aki sposób przemiany sygnału nosi nazwę prosowania pełno-okresowego lub prosowania dwu-połówkowego. Na rysunku 4 warość średnia z odpowiada warości średniej wyliczonej z sumy warości pól dodaniej S i ujemnej S części sygnału. Jes o warość (S +S ) rozłożona równomiernie na odcinku równym, co do długości, okresowi sygnału. Warość średnia sygnału, jes warością wyliczaną za jeden okres dla sygnału nie poddanego procesowi prosowania (deekcji). Na rysunku 4 omawiana warość średnia sygnału, odpowiada warości średniej sumy pola powierzchni dodaniej S i ujemnej S części sygnału zsumowanych z przynależnymi znakami (S S ). Warość a jes eż rozłożona równomiernie na odcinku równym okresowi sygnału. W opracowaniu a warość średnia jes oznaczana symbolem śr. Ławo zauważyć, że pomiędzy warościami wyżej wymienionych wielkości charakerysycznych dla sygnału, o kszałcie jak na rysunku 4 słuszne są relacje: ss > d > sk > śrb > śr () W przypadku sygnałów o kszałcie innym niż pokazany na rysunku 4, podane w zależności () relacje mogą być inne. Warość każdej z wyżej omówionych wielkości charakerysycznych dla przebiegów zmiennych, może być przedmioem pomiaru. Dla każdego sygnału okresowego, można wyznaczyć warość liczbową określającą sosunek warości skuecznej ( sk ) ego przebiegu do jego warości średniej bezwzględnej ( śrb ). sk () śrb Wyznaczony według wzoru () współczynnik K nosi nazwę współczynnika kszału. Podobnie można wyznaczyć sosunek warości maksymalnej sygnału ( d lub u ) do jego warości skuecznej sk, czyli: F = () sk. gdzie: jes przyjęą do obliczeń bezwzględną warością maksymalną. Dla przebiegu symerycznego słuszne jes, że d = u =. Wyliczony według równania () współczynnik F nosi nazwę współczynnika szczyu. Między współczynnikami szczyu i kszału słuszne są relacje K, F, F K. Z podanych powyżej uwag ławo wywnioskować, że ak zdefiniowane współczynniki kszału i szczyu są różne dla sygnałów o różnych kszałach. Dla sygnałów o idenycznych kszałach, niezależnie od częsoliwości ych sygnałów ich ampliudy i fazy począkowej, współczynniki K i F mają ą samą warość. Warości współczynników K i F, dla kilku podsawowych kszałów sygnałów elekrycznych zesawiono w abeli. Oporność (w ogólnym przypadku impedancja) wewnęrzna źródła sygnału zmienno-prądowego jes jednym z elemenów określających wydajność energeyczną źródła. Idealne źródło napięciowe ma oporność (impedancję) wewnęrzną o warości równej zero (R źr = ). Oznacza o, że napięcie na zaciskach źródła ma sałą warość równą warości SEM (SEM-siła elekromooryczna) ego źródła. Warość napięcia Srona 4 z 5

5 WYDZIŁ PP LBORORIUM Z ELEKROECHNIKI I ELEKRONIKI D- Ćwiczenie nr 6. Okresowe sygnały elekryczne, paramery ampliudowe wyjściowego jes niezależna od warości oporności obciążenia dołączonego do zacisków idealnego źródła napięcia a więc nie zależy od warości prądu pobieranego ze źródła. Paramery ampliudowe analogowego sygnału elekrycznego Maksymalna warość dodania (am pliuda dodania ) d. Warość ś rednia sygnału śr. śr = u ( ) d Maksymalna warość ujemna (ampliuda ujemna ) u. Warość skueczna sygnału sk. sk = u ( ) d Warość mię dzyszczyowa ss = d + u Warość ś rednia z modułu funkcji ś rb. śrb = u ( ) d Pole dodanie S Pole dodanie S d ss sk śrb śr τ u czas Pole ujemne S Rys 4. Zesawienie podsawowych paramerów ampliudowych sygnałów zmiennych, opisujące je zależności maemayczne, przykład ilusrujący fizyczne znaczenie podsawowych paramerów ampliudowych (na przykładzie sygnału prosokąnego niesymerycznych ampliudach dodaniej i ujemnej oraz różnych czasach ich rwania). abela. Zesawienie współczynników szczyu i kszału dla wybranych sygnałów zmiennych. Lp. Kszał sygnału Sinus Wzory określające współczynniki F = π 8 Warość liczbowa Lp. Kszał sygnału F = Połowa sinusoidy, prosowanie jednopołówkowe Wzory określające współczynniki F = π Warość liczbowa F=,57 rójką Prosoką F = F =.7.55 F = 5 6 Wyprosowana sinusoida Wyprosowany rójką F = π F = F=,44 K=, F =,7 K=,55 Rzeczywise źródło napięciowe ma oporność wewnęrzną większą od zera (R źr >). Dołączenie do rzeczywisego źródła oporności obciążenia R ob powoduje zamknięcie obwodu i inicjuje w ym obwodzie przepływ prądu (prąd obciążenia). Warość prądu wyznaczamy z prawa Ohma znając warość SEM źródła oraz warość sumy oporności wysępujących w obwodzie przepływu prądu. W najprosszym przypadku jes Srona 5 z 5

6 WYDZIŁ PP LBORORIUM Z ELEKROECHNIKI I ELEKRONIKI D- Ćwiczenie nr 6. Okresowe sygnały elekryczne, paramery ampliudowe o suma warości szeregowo połączonych oporności R źr i R ob. Prakycznie, każdy bardziej złożony obwód obciążający źródło, można sprowadzić do ego najprosszego przypadku. Prąd obciążenia, przepływając przez oporność wewnęrzną źródła powoduje, powsanie spadku napięcia na ej oporności (prawo Ohma). Wiemy, że suma spadków napięć w zamknięym oczku jes równa zeru (prawo Kirchhoffa). Zaem można bez problemów wyznaczyć warość napięcia wysępującego na zaciskach rzeczywisego źródła napięciowego. Z wyliczeń wynika, że warość napięcia na zaciskach wyjściowych rzeczywisego źródła napięcia jes ym mniejsza od warości SEM źródła im większa jes warość oporności wewnęrznej źródła oraz im większa jes warość prądu pobieranego ze źródła. Spadek napięcia wysępujący na oporności wewnęrznej źródła oznacza sraę energii. Warość ej energii jes wpros proporcjonalna do warości oporności wewnęrznej źródła napięcia oraz kwadrau warości skuecznej prądu płynącego przez ą oporność. Idealne źródło prądowe ma oporność wewnęrzną nieskończenie dużą (R źr = ). Oznacza o, że idealne źródło prądu dosarcza do obciążenia sałej warości prądu niezależnej od warości oporności obciążenia dołączonego do ego źródła. Zadania konrolne (minima programowe do przygoowania) Minimalny zakres wiadomości eoreycznych sudena przysępującego realizacji do ćwiczenia laboraoryjnego sygnały zmiennoprądowe doyczy zagadnień akich jak: pojęcie sygnału elekrycznego zmiennego i sałego, jednoski napięcia i prądu (wielokroności i pod-wielokroności ych jednosek), znajomość i umiejęność inerpreacji znaczenia pojęć paramery czasowe sygnału oraz paramery ampliudowe sygnału, znajomość sposobu obliczeniowego i doświadczalnego (na podsawie obrazu sygnału na ekranie lampy oscyloskopowej) wyznaczania warości niekórych paramerów czasowych i ampliudowych sygnałów analogowych (w szczególności dla sygnałów o kszałcie sinusoidy, prosokąa i rójkąa), rozumienie procesu prosowania (deekcji) sygnału. Wskazane są również wiadomości z zakresu; oporność wewnęrzna źródła sygnału zmienno-prądowego, oporność wewnęrzna idealnego źródła napięcia i idealnego źródła prądu, prose schemay zasępcze źródeł idealnych i rzeczywisych, wpływ warości oporności wewnęrznej źródła na warość sygnału wysępującego na jego zaciskach, prawo Ohma, prawa Kirchhoffa, pojęcie impedancji (część rzeczywisa i urojona impedancji, zasady łączenia oporności (połączenie szeregowe i równoległe). Wykonanie ćwiczenia wymaga wcześniejszego opanowania w sopniu, co najmniej dosaecznym; umiejęności prakycznej obsługi oscyloskopu, prosego generaora funkcyjnego (np. zabudowanego we wspólnej obudowie z oscyloskopem) oraz mulimeru cyfrowego. Lieraura.. Jellonek, Z. Karkowski.: Miernicwo radioechniczne. Wyd. III, WN, Warszawa 97r.. Praca zbiorowa.: Elekroechnika i elekronika dla nieelekryków. WN, Warszawa 97r.. S. Bolkowski.: eoria obwodów elekrycznych. WN, Warszawa 995r. 4. Maeriał z wykładu Podsawy Elekroechniki i Elekroniki Zesaw przyrządów pomiarowych. Oscyloskop analogowy, dwukanałowy sz.. Generaor funkcyjny G-4 lub wbudowany w oscyloskop sz.. Mulimer cyfrowy ypu MEEX sz. 4. Makiea dydakyczna MD- sz. 5. ransformaor zasilający 5-V/,5/5Hz sz. 6. rójnik BNC sz. 7. Kabel koncenryczny wyk BNC-wyk BNC sz. 8. Kabel wyk radiowy-wyk radiowy sz. Opracował: Pior Ruszel Insyu Inżynierii Biomedycznej i Pomiarowej Wydziału PP Poliechniki Wrocławskiej Srona 6 z 5