Temat ćwiczenia: GENERATOR FUNKCYJNY i OSCYLOSKOP Układ z diodą prostowniczą, pomiary i obserwacje sygnałów elektrycznych Wprowadzenie AMD

Transkrypt

1 Laboraoriu Eleroechnii i eleronii ea ćwiczenia: LABORAORIUM 6 GENERAOR UNKCYJNY i OSCYLOSKOP Uład z diodą prosowniczą, poiary i obserwacje sygnałów elerycznych Wprowadzenie Ćwiczenie a za zadanie zapoznanie sudenów z poiarai oscylosope sygnałów elerycznych (przebiegów czasowych), działanie generaora funcyjnego oraz poiarai uliere prądów i napięć w rybie DC i AC. Dla różnych szałów sygnałów orzyanych z generaora funcyjnego, na podsawie poiarów oscylosope należy wyznaczyć warości średnie i sueczne badanych sygnałów oresowych a nasępnie porównać obliczone warości z warościai zierzonyi przyrządai poiarowyi. Sygnał oresowy ożna zapisać jao funcję f()=f(+n), gdzie: ores podsawowy (najniejsza warość czasu, po upływie, órego funcja zaczyna się powarzać) n N. Paraery charaeryzujące sygnał oresowy o iędzy innyi ores, apliuda, warość średnia i warość sueczna. Poniżej podano wzory definicyjne warości średniej suecznej sygnału. Warość średnia sygnału oresowego: Warość sueczna sygnału oresowego: śr s f ( ) d Sygnał, óry nie jes sygnałe sinusoidalny nazyway sygnałe odszałcony. Sygnały oresowe orzyujey z urządzenia eleronicznego zwanego generaore funcyjny. W generaorze funcyjny iędzy innyi ożey usawić szał, apliudę oraz częsoliwość f=/ sygnału elerycznego. Przyładowe sygnały: sinusoidalny, rójąny, prosoąny a aże sygnały wyprosowane jednopołówowo (półoresowe) oraz ich warości średnie i sueczne obliczone ze wzorów () i () przedsawiono w abelach i. apliuda przebiegu, ores sygnału. Apliuda jes o najwięsze wychylenie z położenia równowagi. f ( ) abela. Sygnały przeienne i ich warości średnie i sueczne Sygnał Warość średnia Warość sueczna f ( ) 6 8 sr = d () () s sinusoidy f ( ) sr = s rojaa 6 8 f ( ) sr = s prosoaa 6 8

2 f ( ) f ( ) f ( ) abela Sygnały wyprosowane jednopołówowo (półoresowe) i ich warości średnie i sueczne Sygnał Warość średnia Warość sueczna śr śr śr s Przy poiarach przyrządai analogowyi, do poiaru warości średnich ożna zasosować przyrządy agneoeleryczne (ME) a do poiaru warości suecznych sosuje się przyrządy eleroagneyczne (EM) (aperoierze, woloierze). Przy poiarach przyrządai cyfrowyi, DC (direc curren) oznacza poiar prądu (napięcia) sałego warość średnia prądu (napięcia), a AC (alernaing curren) poiary prądu (napięcia) przeiennego warość sueczna. Napis rue RMS na przyrządzie cyfrowy oznacza prawidłowy poiar warości suecznej przebiegu AC. Przebieg oresowy f() ożna przedsawić w posaci szeregu ouriera: s s 6 f ( ) A /, ( A cos( ) B, A B sin( )) cos A B B, sin( ) sin A A B s,, () A f ( )d, A f ( )cos( )d, B f ( )sin( )d gdzie: sładowa sała (warość średnia sygnału), -a sładowa haroniczna (apliuda -ej haronicznej) s, warość sueczna -ej sładowej haronicznej ores podsawowy sygnału Warość sueczną ożna obliczyć ze sładowych haronicznych według wzoru: współczynni szczyu obliczay ze wzoru: s s, () s ax ( sinusoidy s ) s

3 uncje f() oraz wzory na -e haroniczne sygnału, rójąnego, prosoąnego wyznaczone na podsawie wzorów () podano poniżej. Szereg ouriera przebiegu f() i jego sładowe haroniczne, : przebiegu rójanego 8 8 f ( ) sin sin( ), sin przebiegu prosoąnego ( ) f sin( ),,,5...,,5.... Poiary przeiennych sygnałów oresowych Uład poiarowy należy zesawić zgodnie ze scheae z rysunu. Na wyjściu generaora funcyjnego należy usawić napięcie o apliudzie w zaresie 6 V i częsoliwości w zaresie od do 6Hz. Dla sygnału sinusoidalnego, prosoąnego i rójąnego należy doonać poiary i obserwacje oscylosope. Poiary wyonać obciążenia R równego oraz 5. Z eranu oscylosopu wyznaczyć apliudę sygnału i jego ores Warość napięcia zierzyć uliere cyfrowy. Wynii zanoować w abeli. W zależności od zasosowanego oscylosopu wyonać zdjęcie eranu oscylosopu aparae cyfrowy albo zapisać obraz eranu w paięci z USB. Wy Oscylosop Generaor funcyjny R g =5 V DC V AC R Opornica deadowa We I We II Rys.. Schea uładu poiarowego abela. Poiary przebiegów oresowych Przebieg sinusoidalny R 5 Wzocnienie napięciowe anał I K I [V/c] Wzocnienie napięciowe anał II K II [V/c] Podsawa czasu K [s/c] f [Hz] E [c] [c] U DC U AC Przebieg prosoąny 5 Przebieg rójąny 5 W czasie poiarów należy zaobserwować wpływ zian oporu obciążenia R na apliudę E napięcia na wyjściu generaora funcyjnego.

4 Przyładowy obraz eranu oscylosopu z przebiegai sygnałów oraz poiarai zaieszczono poniżej. Opracowanie wyniów przeiennych sygnałów oresowych Odczy z oscylosopu. Wielości z eranu oscylosopu odczyuje się w działach, najczęściej w [c]. W celu orzyania warości napięcia ierzonego sygnału należy przenożyć warość wyrażoną w c przez wzocnienie właściwe danego anału. Podobnie oreślenia czasu, odcine odpowiadający oreśloneu przedziałowi czasoweu należy ponożyć przez podsawę czasu oscylosopu danego przebiegu. V s E [ V] E[c] K [ s] [ c] K c c Obliczenia przeprowadzić R równego 5. W sprawozdaniu na podsawie poiarów oscylosope należy przeliczyć warości orzyane z eranu oscylosopu w [c] na napięcie w oraz czas w [s]. Nasępnie orzysając z odpowiednich wzorów obliczyć wszysich sygnałów sładowe haroniczne. Warości sueczne przebiegów obliczyć ze wzorów () i () oraz porównać z poiarai woloierze. Wyznaczyć współczynni szczyu. Wynii zesawić w abeli, przedsawić zaobserwowane wniosi. abela. Obliczenia haronicznych, warości suecznych oraz współczynnia s generowanych sygnałów Czesoliwość Generaora f [Hz] sinusoida prosoą róją sładowa sała Przebieg oresowy obliczenia współczynniów szeregu ouriera haroniczne 5 E [s] Poiary i obliczenia U s () U s () U s () warość sueczna napięcia obliczona na podsawie wzoru () lub abeli. U s () warość sueczna napięcia obliczona na podsawie wzoru () 5-ciu haronicznych. U napięcie wsazywane przez woloierz w rybie AC U AC s

5 . Poiary przebiegów z diodą prosowniczą (prosowanie jednopołówowe) Uład poiarowy należy zesawić zgodnie ze scheae z rysunu. Apliudę napięcia sinusoidalnego z generaora funcyjnego usawić w zaresie 6-. Rezysancję obciążenia R w zaresie od 6 do Generaor uncyjny R g =5 Wy V DC V AC A DC A AC Rys.. Schea uładu poiarowego uładu z dioda prosowniczą W zasosowanych przyrządach eleronicznych wejście sygnału We oznacza się INPU a wyjście sygnału Wy oznacza się OUPU. Zacisi sygnałowe są ypu BNC Przyładowe przebiegi przy sinusoidalny napięciu z generaora funcyjnego zasilającego uład z diodą prosowniczą i rezysancją obciążenia R przedsawiono na rysunu. Kanał I Kanał II e( ) ur( ) E U R.5.5 Rys.. Schea uładu poiarowego, anał I napięcie na wyjściu z generaora, anał II napięcie na R Do poiarów napięcia i prądu należy zasosować uliery cyfrowe. Z oscylosopu należy odczyać warości podane na rysunu, i udouenować je zdjęcie eranu aparae cyfrowy. Warości poiarów noujey w abeli 5. abela 5. Poiary przebiegu odszałconego Rezysancja wyj. generaora R g = Rezysancja obciążenia R = Generaor uncyjny f [Hz] sinusoida Wzocnienie napięciowe anał I K I [V/c] Wzocnienie napięciowe anał II K II [V/c] Podsawa czasu K [s/c] Oscylosop E [c] E [c] U R [c] [c] R Opornica deadowa Oscylosop We I We II E U (DC) Przyrządy cyfrowe U (AC) I (DC) [A] I (AC) [A] prosoą róją E apliuda przebiegu napięcia na wyjściu generaora u G () E apliuda przebiegu napięcia na wyjściu generaora u G () bez obciążenia ( diody w sanie zaporowy) U R apliuda przebiegu napięcia u R () diody w sanie przewodzenia, - ores sygnału 5

6 Opracowanie poiarów przebiegów z diodą prosowniczą W obliczeniach należy uwzględnić rezysancję wyjściową generaora funcyjnego R g. Dla uproszczenia obliczeń, w przedziału czasu < < / diodę raujey ja zwarcie, a / < < diodę raujey ja przerwę. Napięcie sygnałów z generaora e() w zależności od szału przebiegu ożna opisać wzorai przedsawionyi w abeli 6. abela 6. Sygnały przeienne Przebieg sinusoidalny Przebieg rójany Przebieg prosoany e ) E sin( ) ( E E e( ) E E E E e( ) E Obliczenia napięć i prądów przeprowadzono uładu, órego schea ideowy przedsawia rysune. a) b) c) e() R g u G () R i() u R () e() R g i() u G () R u R () e() R g u G () R i()= u R () Generaor funcyjny Rys.. a) Uład z diodą, b) uład uproszczony do obliczeń sanu przewodzenia diodę zasępujey zwarcie c) sanu zaporowego diodę zasępujey przerwą. Model zasępczy generaora funcyjnego przyjęo do obliczeń (zgodnie z w. hevenena), jao idealne źródło napięcia e() połączone szeregowo z rezysancją R g. Przyjując do obliczeń u D = (dioda idealna) orzyujey sanu przewodzenia u G = u R. Napięcie na wyjściu z generaora u R e( ) R R ) g e( ) G ( u D dioda w sanie przewodzenia dioda w sanie zaporowy e Prąd w obwodzie R R i( ) g Napięcie na rezysancji obciążenia u ( ) R U I R * R U R R i( ) R R R g E (5) dioda w sanie przewodzenia dioda w sanie zaporowy 6

7 Prąd obciążenia rezysora R w zależności od szału przebiegu napięcia z generaora e() ożna opisać wzorai przedsawionyi w abeli 7. I i( ) abela 7. Sygnały prądów wyprosowane jednopołówowo Przebieg sinusoidalny Przebieg rójany Przebieg prosoany sin( ) I I i ) I ( I i( ) Na podsawie poiarów oscylosope apliud przebiegów, należy obliczyć (ze wzorów () i () lub orzysając z abeli ) odpowiednie warości średnie i sueczne odpowiednich sygnałów. Napięcie U R * obliczay ze wzoru (5). Obliczone warości średnie i sueczne prądów oraz napięć należy porównać z odpowiednii odczyai aperoierzy i woloierzy. U śr = U (DC) - U śr U s = U (AC) U s I śr = I (DC) - I śr I s = I (AC) I s U R = U R - U R * Wynii obliczeń należy zaieścić w abeli 7 oraz przedsawić wniosi. abela 7. Wynii obliczeń przebiegów odszałconych - prosowanie jednopołówowe f [Hz] Poiary przyrządai cyfrowyi i obliczenia warości średniej i suecznej przebiegów sinusoida U (DC) U śr U śr U (AC) U s U s I (DC) [A] I śr [A] I śr [A] I (AC) [A] I s [A] I s [A] prosoą róją Poiary oscylosope i obliczenia sinusoida [s] E E U R Poiar U R * Obliczenia wzór (5) U R Obliczenia prosoą róją Przyładowe obliczenia z wyorzysanie prograu MAHCAD przy założeniu napięcia diody U D =,7V przedsawiono poniżej. 7

8 Wyuszenie sygnałe rójąny UD.7V Eo V Rg 5 Ro 8 I ( Eo UD) ( Rg Ro).7A Napięcie z generaora u() u( ) E E Eo Eo E Eo Eo u( ) E Eo Rg I 6.V Prąd w obwodzie i() i( ) I I I i( ) Napięcie na rezysancji obciążenia Ro uro() uro( ) Ro i( ) u( ) uro( ) E Eo Usr u( ) d.89v UDC.89V Us u( ) d.85v UAC Eo E 6.85V Isr Obliczenia warości średnich i suecznych z wyorzysanie całowanie i bez całowania i( ) d.8a IDC I.8A Is i( ) d.9a IAC I 6.9A 8

9 Wyuszenie sygnałe sinusoidalny UD.7V Eo V Rg 5 Ro 8 I ( Eo UD) ( Rg Ro).7A Napięcie z generaora u() u( ) E sin( ) Eosin( ) u( ) u( ) u( ) E Eo Rg I 6.V Prąd w obwodzie i() i( ) I sin( ) i( ) i( ) i( ) Napięcie na rezysancji obciążenia Ro uro() uro( ) Ro i( ) u( ) uro( ) E Eo Usr u( ) d.9v UDC.9V Us u( ) d 5.9V UAC Eo E 5.9V Isr Obliczenia warości średnich i suecznych z wyorzysanie całowanie i bez całowania i( ) d.a IDC I.A Is i( ) d.6a IAC I.6A 9