INSTRUKCJE LABORATORYJNE Z MIERNICTWA ELEKTRONICZNEGO Krzysztof Górecki, Witold J. Stepowicz Gdynia 2015
wiczenie 1. Mierniki magnetoelektryczne Celem wiczenia jest zapoznanie studentów z zasad działania miernika magnetoelektrycznego pełnicego rol amperomierza, woltomierza i omomierza, wzorcowaniem tych przyrzdów oraz rozszerzaniem zakresu pomiarowego woltomierza. Zadania do wykonania w laboratorium 1. Wzorcowanie woltomierza magnetoelektrycznego: a) połczy równolegle, jak pokazano na rysunku 4, napiciowy zasilacz regulowany DF173005TC, badany wskazówkowy woltomierz magnetoelektryczny YX360TRF oraz cyfrowy miernik UT803 jako wzorcowy woltomierz, DF173005TC UT 803 Rys.4. Układ do wzorcowania woltomierza magnetoelektrycznego b) wybra zakres pomiarowy 10 dla badanego woltomierza magnetoelektrycznego oraz zakres 10 dla woltomierza wzorcowego (przycisk RANGE), c) zmieniajc wydajno zasilacza w zakresie od 0 do 10 z krokiem 0,5 (i ustawiajc j według wskaza UM- 3B) zanotowa wskazania obu woltomierzy w pokazanej poniej tabeli, U wz [] U pom [] 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10 2. Pomiar rezystancji wewntrznej woltomierza: a) połczy szeregowo napiciowy zasilacz regulowany DF173005C, amperomierz magnetoelektryczny YX360TRF oraz badany woltomierz YX360TRF, jak pokazano na schemacie na rysunku 5, YX360TRF YX360TRF U wz U pom DF173005TC A YX360TRF R-box 01 R dek Rys.5. Układ do pomiaru rezystancji wewntrznej woltomierza b) ustawi wydajno zasilacza DF173005TC zapewniajc uzyskanie maksymalnej wartoci napicia woltomierza U max na zakresie 10, c) odczyta warto prdu I A na amperomierzu YX360TRF, d) obliczy warto rezystancji wewntrznej R w1 woltomierza ze wzoru U max Rw1 = I A e) w celu wyznaczenia rezystancji wewntrznej woltomierza metod podstawieniow, w miejsce woltomierza YX360TRF w układzie pomiarowym włczy rezystor dekadowy R dek R-box 01, f) zmienia warto rezystancji rezystora dekadowego a do uzyskania w obwodzie poprzednio zmierzonej wartoci prdu równej I A, g) zanotowa warto rezystancji wewntrznej woltomierza R w2 równ rezystancji rezystora dekadowego R dek, uzyskan t metod. 3. Rozszerzenie zakresu pomiarowego woltomierza: a) połczy równolegle, zgodnie ze schematem pokazanym na rysunku 6, napiciowy zasilacz regulowany DF173005TC, wzorcowy woltomierz cyfrowy UT803 oraz badany woltomierz magnetoelektryczny YX360TRF połczony szeregowo z rezystorem dekadowym R dek R-box 01, b) wybra zakres pomiarowy 10 dla badanego woltomierza YX360TRF oraz zakres 30 dla woltomierza 2
wzorcowego UT803, DF173005TC UT803 Rys.6. Układ do rozszerzenia zakresu pomiarowego woltomierza c) obliczy warto rezystancji posobnika R p, zapewniajcego rozszerzenie zakresu pomiarowego woltomierza z wartoci U p = 10 do U k = 30, ze wzoru U k U p R p = Rw2 U d) ustawi obliczon warto rezystancji R p na rezystorze dekadowym (R-box 01), a nastpnie przeprowadzi wzorcowanie tak uzyskanego woltomierza o rozszerzonym zakresie pomiarowym dla napi U w zmierzonych woltomierzem UT803 w zakresie od 0 do 30 z krokiem 1. Wskazania obu mierników zanotowa w poniszej tabeli. U wz [] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 U pom [] (z posob.) U wz [] 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 U pom [] (z posob.) U wz [] 25 26 27 28 29 30 U pom [] (z posob.) 4. Wzorcowanie amperomierza oraz skalowanie omomierza szeregowego: a) w celu jednoczesnego wzorcowania amperomierza YX360TRF oraz skalowania omomierza szeregowego wykorzystujcego ten amperomierz naley połczy szeregowo zasilacz regulowany DF173005TC, cyfrowy miernik UT803 (jako wzorcowy amperomierz), rezystor dekadowy R-box 01 R dek oraz badany amperomierz magnetoelektryczny YX360TRF, jak pokazano na rysunku 7, UT803 A YX360TRF R dek I wz p I pom R-box 01 DF173005TC R dek R-box 01 A YX360TRF Rys.7. Układ do wzorcowania amperomierza YX360TRF b) przed przystpieniem do pomiarów, ustawi maksymaln warto rezystancji rezystora dekadowego oraz wydajno zasilacza równ 10, c) wybra zakres pomiarowy 25 ma dla badanego amperomierza YX360TRF oraz zakres 100 ma dla amperomierza wzorcowego, d) zmieniajc warto rezystancji rezystora dekadowego R dek notowa w tabeli wartoci tej rezystancji, prdu I wz odpowiadajce wskazaniom I pom amperomierza UT803 oraz amperomierza YX360TRF z zakresu od 0 do 25 ma z krokiem 2,5 ma. R dek [Ω] I wz [ma] I pom [ma] 0 2,5 5,0 7,5 10 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0 Opracowanie wyników: 1. Obliczy wartoci błdów bezwzgldnych i wzgldnych pomiarów dotyczcych wzorcowania woltomierza oraz amperomierza ( z punktów 1 i 3) przyjmujc, ze błd pomiaru miernikiem cyfrowym, traktowanym jako miernik wzorcowy, wynosi zero. Wyniki oblicze zaprezentowa w tabeli wraz z uzyskanymi w laboratorium wynikami pomiarów. 3
2. Wykreli krzywe wzorcowania, to znaczy zalenoci wskaza przyrzdu badanego w funkcji wskaza przyrzdu wzorcowego, dla przebadanych przyrzdów: amperomierza, woltomierza (z rozszerzonym zakresem i bez tego rozszerzenia) oraz krzyw skalowania omomierza I pom (R dek ), zmierzon w zadaniu 3 d. 3. Porówna wyniki pomiarów rezystancji wewntrznej woltomierza otrzymane dwoma metodami i skomentowa zauwaone rozbienoci. 4. Skomentowa wyniki uzyskane w zadaniu 1 i 2. 4
wiczenie 2. Pomiary oscyloskopowe Celem wiczenia jest zapoznanie studentów z obsług oscyloskopu analogowego, metodami pomiaru napicia stałego i zmiennego, okresu sygnału, charakterystyk dwójników nieliniowych oraz wykonywania operacji sumowania i odejmowania sygnałów. Zadania do wykonania w laboratorium: 1. Wzorcowanie obu kanałów oscyloskopu DF4321C: kanału 1 (Y) oraz kanału 2 (X): a) połczy równolegle zasilacz napiciowy DF1723005TC, woltomierz cyfrowy UNIT UT803 oraz wejcie wzorcowanego kanału oscyloskopu DF4321C, według schematu pokazanego na rysunku 1 (połczenie sygnału na wejcie oscyloskopu wykona przy wykorzystaniu przewodu BNC), DF4321C DF1723005TC Y X UT803 Rys.1. Układ do wzorcowania kanału Y oscyloskopu b) ustawi współczynnik odchylania wzorcowanego kanału równy 5 /dz, wyzwalanie w trybie AUTO oraz stałoprdowy tryb pracy DC, c) dla napicia na zasilaczu równego zeru ustawi obraz (w postaci poziomej linii) na rodku ekranu za pomoc pokrtła przesuwu obrazu w pionie, d) regulowa wydajnoci zasilacza tak, aby uzyska zmian połoenia linii na ekranie oscyloskopu kolejno o 1, 2, 3 oraz 4 działki. Notowa w poniszej tabeli napicie U X odczytane z woltomierza, odpowiadajce poszczególnym wartociom wychylenia plamki w pionie, a nastpnie powtórzy powysze czynnoci dla kanału Y i zanotowa w tabeli odczytane z woltomierza wartoci napicia U Y. Wychylenie plamki w pionie [dz] -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 U X [] U Y [] 2. Obserwacja przebiegów napi na ekranie oscyloskopu: a) przełczajc tryb pracy kanału Y oscyloskopu na GND ustawi obraz na rodku ekranu, a nastpnie podłczy generator sygnałowy DF1642B na wejcie kanału Y oscyloskopu (za pomoc kabla BNC), jak pokazano na rysunku 2, DF4321C Y X DF1642B Rys.2. Układ do obserwacji przebiegów na ekranie oscyloskopu b) przełczy tryb pracy kanału Y na DC i zapewni otrzymanie z generatora sygnału sinusoidalnego o czstotliwoci 1 khz, amplitudzie 2 oraz wartoci redniej 2, regulujc w tym celu jednoczenie wartoci amplitudy i składowej stałej (nacisn przycisk DC OFFSET i pokrtłem z prawej strony wyregulowa składow stał ogldajc przebieg na oscyloskopie, a nastpnie go narysowa lub sfotografowa ), c) ustawi tryb pracy kanału Y jako zmiennoprdowy (AC), d) dobra podstaw czasu równ 0,2 ms/dz oraz współczynnik odchylania kanału Y równe 1 /dz, e) odrysowa oscylogram, zapisujc ustawienia oscyloskopu oraz zaznaczajc poziom zera, f) przełczy tryb pracy kanału Y na stałoprdowy (DC) i odrysowa oscylogram, 5
g) zmieni ustawienie podstawy czasu na 0,5 ms/dz, bez zmiany trybu pracy, i odrysowa oscylogram. 3. Pomiary charakterystyk statycznych i(u) diod p-n: a) Przed rozpoczciem pomiarów tryb pracy kanału X i kanału Y ustawi jako GND i pokrtłami ustawi wywietlany punkt na rodku ekranu. Nastpnie przełczy na na tryb DC. Na wejcie zestawu do pomiaru charakterystyk i(u) diod podłczy generator sygnału harmonicznego DF1642B, a nastpnie uzyska z niego przebieg o czstotliwoci 1 khz. Na wejcie kanału X poda sygnał z wyjcia U zestawu, natomiast na wejcie Y sygnał z wyjcia I zestawu (rys.3), za tryb pracy oscyloskopu przełczy na X-Y skrcajc maksymalnie w lewo pokrtło regulacji współczynnika czasu (na wywietlaczu pojawi si symbol H.Y). Amplitud sygnału generatora dobra w ten sposób, aby widoczna na ekranie charakterystyka i(u) nie miała kształtu ptli. Dobra tak nastawy współczynnika odchylania w kanale X i Y, aby obserwowana charakterystyka zajmowała moliwie du cz ekranu. b) przerysowa zaobserwowane na ekranie oscyloskopu oscylogramy charakterystyk otrzymane dla dwóch diod wskazanych przez prowadzcego, przy dwóch wybranych wartociach rezystancji R S połczonej w szereg z badan diod. Zanotowa wartoci współczynnika odchylania dla obu kanałów. Połczenia midzy wyjciem generatora (zacisk OUT) a zestawem pomiarowym oraz midzy zestawem pomiarowym a wejciami oscyloskopu naley wykona za pomoc przewodów BNC. Rys.3. Układ do pomiaru charakterystyk i(u) diod półprzewodnikowych 4. Pomiar spadku napicia na rezystorze za pomoc oscyloskopu: a) wykorzystujc dekad rezystancyjn R dek oraz pojemnociow C dek zbudowa układ całkujcy (rys.4), którego wejcie jest połczone z generatorem sygnału prostoktnego DF1642B i wejciem kanału X oscyloskopu (uy trójnika BNC), natomiast wyjcie dołczone jest do wejcia kanału Y oscyloskopu; przyj R dek = 10 kω oraz C = 50 nf, czstotliwo sygnału prostoktnego f = 1 khz, a amplitud równ 10. b) wyznaczy rónic i sum napi na obu zaciskach rezystora, podłczonych do wej X oraz Y oscyloskopu, korzystajc z moliwoci zmiany polaryzacji sygnału w kanale X za pomoc przycisku INERT oraz funkcj ADD. Przerysowa odpowiednie oscylogramy. c) Zastpi oscyloskop analogowy DF4321C oscyloskopem cyfrowym DS1052 E, ustawi za pomoc pokrteł na płycie czasowej oscyloskopu warto współczynnika odchylania w obu kanałach t = 200µs/działka i 5/działka. Za pomoc pokrtła przesuwu pionowego ustawi poziom odniesienia dla kadego sygnału na rodku ekranu. Zapisa na noniku za pomoc USB zarejestrowany przebieg wybierajc nastpujc sekwencj przycisków: -Storage szarym przyciskiem z prawej strony ekranu wybra Waveform i za pomoc tego przycisku wybra Bitmap, nastpnie nacisn External dalej New File (mona wprowadzi swoj nazw pliku) i klikn przycisk SAE. d) Zmierzy okres oraz warto midzyszczytow napi w obu kanałach wybierajc sekwencj przycisków: - Measure, dalej wybra CH1, nastpnie wybra oltage i pokrtłem wybra warto midzyszczytow pp i pokrtłem zaakceptowa. Analogicznie postpi dla kanału 2 CH2. 6
DS1052 E Y X R dek DF1642B Układ całkujcy C Rys.4. Układ do pomiarów napi w układzie całkujcym Opracowanie wyników: 1. Na podstawie pomiarów z zadania 1 wyznaczy metod najmniejszych kwadratów współczynnik odchylania dla obu kanałów. Porówna uzyskane wartoci z nastaw oscyloskopu. 2. Na podstawie oscylogramów uzyskanych z pomiarów w zadaniu 2 wyznaczy wartoci okresu oraz amplitudy sygnału mierzonego. Skomentowa rozbienoci wyników uzyskanych dla dwóch wartoci podstawy czasu. 3. Na podstawie wykonanych w zadaniu 3 pomiarów charakterystyk szeregowego połczenia diod i rezystora wykreli charakterystyki statyczne i(u) diod, uwzgldniajc spadki napicia na rezystorach. Zgodnie ze wzorem ud = u zm RS id gdzie u d oraz i d oznaczaj zmierzone wartoci napicia i prdu na diodzie, za u zm zmierzon warto napicia na szeregowym połczeniu diody i rezystora R S. 4. Wyznaczy analityczn posta odpowiedzi układu całkujcego na pobudzenie przebiegiem prostoktnym oraz porówna j na wspólnym wykresie z wynikami pomiarów z zadania 4 oraz skomentowa ewentualne rozbienoci. 7
wiczenie 3. Woltomierze napi zmiennych Celem wiczenia jest zapoznanie studentów z metodami pomiaru napi zmiennych za pomoc układów pomiarowych wykorzystujcych mierniki napicia stałego. Przedmiotem wiczenia jest woltomierz prostownikowy jednopołówkowy oraz woltomierz prostownikowy szeregowy szczytowy. Zadania do wykonania w laboratorium: W wiczeniu wykorzystano jeden zestaw pomiarowy, umoliwiajcy realizacj obu badanych woltomierzy. 1. Wzorcowanie woltomierza prostownikowego jednopołówkowego: a) w zestawie pomiarowym, pokazanym na rysunku 6, ustawi pojemno C = 0, b) na wejcie zestawu podłczy generator przebiegu sinusoidalnego DF1642B, ustawiajc czstotliwo przebiegu równ 50 Hz. Równolegle do generatora dołczy woltomierz cyfrowy UT803, pracujcy w zmiennoprdowym trybie pomiaru AC (wybierany przełcznikiem SELECT), który mierzy rzeczywist warto skuteczn mierzonego napicia, c) do wyjcia zestawu podłczy amperomierz magnetoelektryczny YX360TRF, wybra zakres pomiarowy 25 ma w trybie stałoprdowym DC; rezystor o rezystancji 100 Ω pełni rol posobnika, d) zmienia amplitud generatora tak, aby warto skuteczna sygnału harmonicznego U odczytywana z multimetru UT803 zmieniała si w zakresie od 0 do 5 z krokiem równym 0,5 ; notowa w poniszej tabeli wskazania obu mierników, U [] 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 I [ma] DF1642B G We z gen Zestaw pomiarowy U 10 D1 100Ω U 20 U 30 UT803 0 10 µf 1 µf 0,1 µf 0,001 µf I YX360TRF A Rys.6. Układ do wzorcowania woltomierza prostownikowego e) powtórzy pomiary z punktu 1d przy pobudzeniu sygnałem prostoktnym, otrzymanym z generatora DF1642B. 2. Pomiar ekwiwalentnej rezystancji wejciowej woltomierza prostownikowego jednopołówkowego: a) włczy pomidzy generator a wejcie badanego układu rezystor dekadowy R dek (rys.7). Pomiary wykona dla sygnału sinusoidalnego o czstotliwoci 50 Hz b) ustawi zerow rezystancj rezystora dekadowego oraz amplitud przebiegu na wyjciu generatora, odpowiadajc maksymalnemu wychyleniu amperomierza. Przepisa z wiczenia 1 warto rezystancji wewntrznej amperomierza YX360TRF dla wybranego zakresu pomiarowego. Dla zakresu 50 A amperomierza YX360TRF zmienia warto napicia z krokiem 0,5 od 0 do 2,5. c) zmienia warto rezystancji dekady do momentu, gdy prd amperomierza zmaleje do połowy wartoci zakresowej i zanotowa warto rezystancji dekady odpowiadajc tej sytuacji. Zestaw pomiarowy U 20 We z gen U 10 D1 100Ω U 30 YX360TRF R dek G DF1642B 0 10 µf 1 µf 0,1 µf 0,001 µf I A YX360TRF Rys.7. Układ do pomiaru rezystancji wewntrznej woltomierza 3. Obserwacja przebiegów napi w wybranych punktach zestawu pomiarowego przy R dek = 0: a) po podłczeniu oscyloskopu do odpowiednich zacisków zarejestrowa oscylogramy napicia wejciowego U 10 8
oraz wyjciowego U 20 woltomierza prostownikowego jednopołówkowego, przy zerowej wartoci rezystancji dekady oraz dwóch wartociach amplitudy harmonicznego sygnału wejciowego, równych odpowiednio 1 oraz wartoci odpowiadajcej maksymalnemu wychyleniu amperomierza YX360TRF (schemat układu pomiarowego pokazany jest na rysunku 8). DS1052E Zestaw pomiarowy U 20 Y X UT803 R dek G DF1642B We z gen U 10 D1 0 10 µf 100Ω 1 µf 0,1 µf 0,001 µf U 30 I A YX360TRF Rys.8. Układ do obserwacji przebiegów w woltomierzu napicia zmiennego 4. Wzorcowanie woltomierza prostownikowego szeregowego szczytowego: a) w układzie pomiarowym pokazanym na rysunku 6 wybra pojemno C = 1 µf, b) na wejcie układu pomiarowego podłczy generator przebiegu sinusoidalnego, wybra czstotliwo sygnału równ 50 Hz, równolegle do generatora dołczy woltomierz cyfrowy UT803, pracujcy w trybie pomiaru AC, c) do wyjcia układu pomiarowego dołczy amperomierz magnetoelektryczny YX360TRF, pracujcego w trybie DC na zakresie 25 ma, d) zmienia warto amplitudy napicia generatora tak, aby warto prdu amperomierza zmieniała si w zakresie od 0 do 25 ma z krokiem 0,5 ma; notowa wskazania obu mierników w poniszej tabeli, e) powtórzy pomiary z punktu 4d dla czstotliwoci 20 khz, f) powtórzy pomiary z punktu 4e przy pobudzeniu sygnałem prostoktnym. I [ma] U [] f = 50 Hz f = 20 khz 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 5. Obserwacja przebiegów napi w wybranych punktach zestawu pomiarowego: a) podłczy oscyloskop do odpowiednich zacisków i przerysowa oscylogramy napicia wejciowego U 10 oraz wyjciowego U 20 badanego woltomierza, odpowiadajce zerowej wartoci rezystancji dekady oraz dwóm wartociom amplitudy sygnału wejciowego, równych odpowiednio 1 oraz wartoci odpowiadajcej maksymalnemu wychyleniu amperomierza YX360TRF przy czstotliwociach wejciowego sygnału harmonicznego równych 50 Hz oraz 20 khz. Opracowanie wyników: 1. Wykreli krzywe wzorcowania obu woltomierzy, a nastpnie metod najmniejszych kwadratów wyznaczy wartoci współczynników opisujcych zaleno prdu amperomierza od wartoci skutecznej napicia wejciowego dla sygnału harmonicznego oraz prostoktnego, a take dla obu rozwaanych czstotliwoci. 2. Na podstawie wartoci elementów układu pomiarowego obliczy ekwiwalentn rezystancj wejciow badanych woltomierzy i porówna wyniki oblicze z wynikami pomiarów uzyskanych w zadaniu 2. Skomentowa zauwaone rónice. 3. Omówi wpływ kształtu, amplitudy i czstotliwoci mierzonego sygnału napiciowego na właciwoci badanych woltomierzy. 9
wiczenie 4. Cyfrowe pomiary napicia stałego Celem wiczenia jest zapoznanie studentów z zasad działania kompensacyjnych przetworników analogowo-cyfrowych oraz z cyfrowymi woltomierzami napicia stałego. Zadania do wykonania w laboratorium. 1. Badanie przetwornika a/c z kompensacj równomiern: a) na wejcie U I zestawu pomiarowego zawierajcego przetwornik a/c z kompensacj wagow podłczy zasilacz napiciowy DF1723005TC oraz na wejcie U R zasilacz napiciowy DF1723005TC, ustawiajc jego wydajno równ 5. Równolegle do obu wej zestawu laboratoryjnego podłczy woltomierze UT803 oraz APPA207 (rys.9), b) dla trzech wybranych wartoci napicia U I wykona pomiar tego napicia przy uyciu badanego zestawu pomiarowego w nastpujcy sposób. Najpierw nacisn przycisk RESET (powinny zgasn wszystkie diody LED). Nastpnie, uywajc przycisku IMPULS, doprowadzi do stabilnego stanu wywietlacza, co oznacza, e wcinicie przycisku IMPULS nie zmienia wartoci liczby binarnej wywietlanej na diodach. Wyniki zanotowa w poniszej tabeli, oznaczajc stan wiecenia poszczególnych diod jako 1 oraz stan niewiecenia tych diod jako 0. W tabeli zapisa take wartoci napi zmierzonych za pomoc woltomierzy UT803 (napicie U I ) oraz APPA207 (napicie U R ). - 12 + 12-12 + 12 PRZETWORNIK A/C Z KOMPENSACJ WAGOW D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 + + U I U R - - Reset Impuls APPA 207 DF 1723005TC Rys.9. Badane układy przetworników a/c: z kompensacja wagow warto U I [] U R [] D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 nom. U I [] 2 4 6 2. Badanie wpływu zakresu pomiarowego na wynik pomiaru woltomierzem cyfrowym: a) połczy równolegle zasilacz napiciowy DF1723005TC i woltomierz cyfrowy APPA 207, według schematu z rysunku 10, Rys.10. Układ do badania woltomierza cyfrowego U zas DF 1723005TC U pom 10 APPA 207
b) w celu oszacowania przypadkowego błdu pomiaru, wykona 7 pomiarów napicia wyjciowego zasilacza ustalajc jego wydajno równ około 0,35 0,39. Pomiar wykona na czterech zakresach pomiarowych woltomierza: 0,4, 4, 40, 400. Zakres woltomierza zmienia przyciskiem f1 wybra pozycj 1 i zanotowa wynik. Kady pomiar naley wyzwala przyciskiem MAN. Wyniki zanotowa w poniszej tabeli. l.p. U [] dla zakr.0,4 U [] dla zakr.4 U [] dla zakr.40 U [] dla zakr.400 1 2 3 4 5 6 7 3. Pomiar rezystancji wejciowej woltomierza cyfrowego: a) połczy szeregowo zasilacz napiciowy DF 1723005TC, rezystor dekadowy R dek i woltomierz cyfrowy 545 (rys.11), DF 1723005TC R dek APPA 207 Rys.11. Układ do pomiaru rezystancji wewntrznej woltomierza cyfrowego b) ustawi zerow rezystancj rezystora dekadowego i zmierzy napicie U 1 na woltomierzu, c) ustawi maksymaln rezystancj rezystora dekadowego R max i zmierzy napicie U 2 na woltomierzu, d) wyliczy warto rezystancji wejciowej woltomierza R we ze wzoru U 2 R we = R max (11) U1 U 2 e) pomiary powtórzy dla wszystkich zakresów pomiarowych woltomierza i wyniki zanotowa w poniszej tabeli. R dek [] U [] dla zakr.0,4 U [] dla zakr.4 U [] dla U [] dla zakr.400 zakr.40 U 1 (R=0) U 2 (R = R max ) 4. Pomiar skutecznoci działania wejciowego filtru w woltomierzu: a) połczy układ według schematu z rysunku 12, gdzie przyrzd DF1641B jest generatorem funkcyjnym, stanowicym ródło sygnału zakłócajcego, b) ustawi wydajno zasilacza napiciowego DF 1723005TC równ około 0,8, a warto midzyszczytow sygnału U PP z generatora DF1641B równ około 2. Uwaga. Włczy generator do gniazda wtyczkowego bez bolca uziemiajcego. c) wykona dziesiciokrotnie pomiar napicia na woltomierzu na kadym z czterech zakresów pomiarowych przy czstotliwoci sygnału z generatora równej kolejno: 50 Hz, 110 Hz, 400 Hz, zarejestrowa wyniki za pomoc oprogramowania APPA zainstalowanym na komputerze stacjonarnym. 100 kω DF 1723005TC R dek APPA 207 DF1641B Rys.12. Układ do pomiaru skutecznoci działania filtru wejciowego 11
f = 50 Hz l.p. U [v] dla zakr.0,4 U [v] dla zakr.4 U [v] dla zakr.40 U [v] dla zakr.400 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 f = 110 Hz l.p. U [v] dla zakr.0,4 U [v] dla zakr.4 U [v] dla zakr.40 U [v] dla zakr.400 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 f = 400 Hz l.p. U [v] dla zakr.0,4 U [v] dla zakr.4 U [v] dla zakr.40 U [v] dla zakr.400 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6. Pomiar przebiegu napicia wolnozmiennego: a) połczy wejcie układu ródła sygnału wolnozmiennego do zasilacza napiciowego DF 1723005TC, a wyjcie do zacisków woltomierza APPA 207 (rys.13), 12
RÓDŁO PRZEBIEGU WOLNOZMIENNEGO DF 1723005TC WE MASA WY MASA APPA 207 Rys.13. Układ do pomiaru wolnozmiennego przebiegu napicia b) ustawi wydajno zasilacza DF 1723005TC równ 20, c) włczy na komputerze stacjonarnym oprogramowanie 300 irtual DMM miernika APPA 207. Widok panelu tego oprogramowania przedstawiono na rysunku 14. Rys. 14. Panel oprogramowania APPA do odczytu wielkoci elektrycznych. d) Nacisn przycisk START na panelu oprogramowania APPA. Wówczas pojawi si okno Save Data, w którym naley klikn przycisk Save Data to the Text File. Otworzy si okno w, którym naley okreli nazw pliku, w którym zostan zapisane wyniki pomiarów oraz wskaza jego lokalizacj. Plik naley nazwa nazwiskiem jednej z osób wykonujcej wiczenie i zapisa w katalogu Miernictwo na pulpicie. e) Nacisn i zwolni przycisk na płycie czołowej ródła przebiegu wolnozmiennego (w chwili t = 0) i przez 2 minuty rejestrowa wartoci chwilowe napicia na woltomierzu. Po upływie 2 minut nacisn przycisk STOP na panelu przedstawionym na rysunku 14 i zapisa dane na komputerze. Opracowanie wyników. 1. Na podstawie wyników pomiarów z zadania 1 wyznaczy warto napicia U I zmierzon za pomoc przetwornika a/c z kompensacj równomiern ze wzoru 13
w U R U I = (12) 255 gdzie w oznacza liczb wywietlan w kodzie dwójkowym na wskaniku diodowym, przy czym stan diody D8 odpowiada najbardziej znaczcemu bitowi, a stan diody D0 najmniej znaczcemu bitowi. 2. Na podstawie wyników pomiarów z zadania 2 wyznaczy warto napicia U I zmierzon za pomoc przetwornika a/c z kompensacj wagow, korzystajc ze wzoru (12). 3. Wyznaczy rozdzielczo obu przetworników a/c ze wzoru U LSB = R (13) 255 4. Wyznaczy błd bezwzgldny pomiarów wykonanych w zadaniach 1 oraz 2, traktujc wskazanie woltomierza cyfrowego 545 jako wzorcowe. Skomentowa uzyskane wyniki. 5. Wyznaczy przedziały ufnoci pomiarów wykonanych w zadaniu 3 dla poziomu ufnoci równego 0,99. 6. Obliczy wartoci rezystancji wejciowej woltomierza korzystajc ze wzoru (11) i wyników pomiarów z zadania 4. 7. Wyznaczy przedziały ufnoci pomiarów wykonanych w zadaniu 5 dla poziomu ufnoci równego 0,99. Czy wystpuje jaka zaleno midzy czstotliwoci sygnału zakłócajcego a błdem przypadkowym pomiaru? 8. Wykreli zmierzony w zadaniu 6 przebieg napicia na wyjciu ródła sygnału wolnozmiennego. Jaki kształt ma uzyskana zaleno? wiczenie 5. Pomiary czstotliwoci i okresu Celem wiczenia jest zapoznanie studentów z metodami pomiaru czstotliwoci i okresu przebiegów elektrycznych przy wykorzystaniu metod cyfrowych oraz metody figur Lissajous. Zadania do wykonania w laboratorium 1. Pomiar czstotliwoci metod krzywych Lissajous: a) na wejcie kanału X oscyloskopu poda sygnał sinusoidalny o czstotliwoci wzorcowej f 1 = 100 Hz z generatora DF 1641B, natomiast na wejcie Y sygnał sinusoidalny o czstotliwoci mierzonej f 2 z generatora JC 5603P (rys.6). Ustali tryb pracy oscyloskopu X-Y, b) przerysowa oscylogramy dla czstotliwoci mierzonej f 2 równej 50 Hz, 100 Hz, 300 Hz. Rys.6. Schemat układu do pomiaru czstotliwoci metod krzywych Lissajous 2. Cyfrowy pomiar okresu za pomoc zestawu laboratoryjnego: a) dołczy do wejcia F 2 zestawu wyjcie TTL generatora sygnału prostoktnego (JC5603P) o czstotliwoci wzorcowej f 2 =100 Hz, natomiast do wejcia F 1 zestawu wyjcie TTL generatora prostoktnego sygnału mierzonego DF 1641B o czstotliwoci f 1 (rys.7), b) zmieniajc czstotliwo f 1 w zakresie od 1 Hz do 20 Hz z krokiem 1 Hz notowa wskazania wywietlacza W, oraz notowa warto czstotliwoci f 2m. Wyniki zapisa w tabeli, f 1 [Hz] f 2m [Hz] 14
W Rys.7. Schemat układu do cyfrowego pomiaru okresu c) pomiar powtórzy dla czstotliwoci mierzonej f 2 = 1 khz, d) do gniazd P 1 oraz P 2 podłczy wejcia oscyloskopu (rys.8) i przerysowa oscylogramy napi odpowiadajce czstotliwociom f 2 = 100 Hz oraz f 1 = 400 Hz.!" '! ) #$%& ' ( Rys.8. Schemat układu do pomiaru czasowych przebiegów napi w zestawie laboratoryjnym 3. Cyfrowy pomiar czstotliwoci za pomoc zestawu laboratoryjnego: a) dołczy do wejcia F 1 generator sygnału wzorcowego (DF 1641 B), ustawi czstotliwo równ f 1 = 1 Hz, natomiast do wejcia F 2 dołczy generator czstotliwoci f 2 sygnału mierzonego (JC 5603 P) (rys.7), b) zmieniajc czstotliwo f 2 w zakresie od 500 Hz do 8 khz z krokiem 500 Hz notowa w tabeli wskazania wywietlacza oraz czstociomierzy. f 2 [Hz] f 1 [Hz] W c) pomiar powtórzy przy czstotliwoci sygnału wzorcowego równej f 1 = 10 Hz. Opracowanie wyników 1. Na podstawie krzywych uzyskanych w zadaniu 1 oraz wartoci czstotliwoci wzorcowej, wyznaczy czstotliwo sygnału mierzonego f 1 ze wzoru f f = 2m 1 W. 2. Obliczy, według wzorów podanych poniej, wartoci błdu bezwzgldnego ε i błdu wzgldnego δ pomiarów czstotliwoci oraz okresu, wykonanych za pomoc zestawu laboratoryjnego w zadaniach 2 i 3. Przyj, e: a) przy cyfrowym pomiarze okresu czstotliwo mierzona f 1m = f 2m /W, a czstotliwo wzorcowa f 1 jest równa wartoci odczytanej z miernika czstotliwoci MS 9150, 15
b) przy cyfrowym pomiarze czstotliwoci czstotliwo mierzona f 2m = f 1m. W, a warto czstotliwoci wzorcowej f 2 naley odczyta z miernika czstotliwoci MS 9150. Błdy wzgldny i bezwzgldny pomiaru czstotliwoci s dane nastpujcymi wzorami: ε = f2 m f 2 ε f δ =. 2 16
wiczenie 6. Pomiary mostkowe Celem wiczenia jest zapoznanie studentów z mostkowymi metodami pomiaru rezystancji i impedancji elementów elektronicznych. Zadania do wykonania w laboratorium 1. Pomiary rezystancji za pomoc mostka prdu stałego (mostek Wheatstone a MWH-91): a) wykona pomiary rezystancji rezystora dekadowego dla dwóch zadanych przez prowadzcego nastaw dekady R x1 (rys.4), stosujc zasilanie mostka napiciem z zasilacza napicia stałego DF 170SL3A równym kolejno 5 oraz 20. Notowa nastawy mostka w stanie równowagi oraz nastaw rezystora dekadowego. Równowaenia dokona dla rónych wartoci ilorazu rezystancji rezystorów R 2 oraz R 3, równych odpowiednio 0,1; 1; 10. Wyniki zanotowa w tabeli 1. R X R P R box01 µa UT 803 i G R 1 R 2 DF 170SL3A Rys.4. Układ badanego mostka Wheatstone a Tabela 1. Pomiary rezystancji za pomoc mostka Wheatstone a Dla R X = Dla R X = R 1 /R 2 U zas = 5 U zas = 20 R 1 /R 2 U zas = 5 U zas = 20 R p R X R p R X R p R X R p R X 0,1 0,1 1 1 10 10 2. Wyznaczanie błdu nieczułoci mostka Wheatstone a: a) dla identycznych wartoci rezystancji R p oraz R x jak w zadaniu 1, wyznaczy warto prdu wskanika równowagi, odpowiadajcej zmianie rezystancji R x o 1% przy obu wczeniej podanych wartociach napicia zasilania. Wyniki zanotowa w tabeli 2. b) Pomiary impedancji za pomoc półautomatycznego mostka RC typu MRC-2A oraz mostka automatycznego MOTECH MT4090: a) wykona pomiary pojemnoci C S rezystancji szeregowej R S wybranych kondensatorów za pomoc mostka automatycznego przy czstotliwoci f = 100 Hz oraz f = 100 khz, b) wykona pomiary pojemnoci C p oraz równoległej rezystancji strat R P wybranych kondensatorów za pomoc mostka automatycznego przy czstotliwoci f = 100 Hz oraz f = 100 khz, c) wykona pomiary indukcyjnoci L S oraz rezystancji szeregowej R S wybranych dławików przy czstotliwoci f = 100 Hz oraz f = 200 khz, d) wykona pomiary rezystancji wybranych rezystorów za pomoc mostka automatycznego, e) wykona pomiary pojemnoci kondensatorów badanych w punkcie 4a i 4b oraz rezystancji wybranych rezystorów badanych w punkcie 4d za pomoc mostka MRC-2A. 17
Tabela 2. Badanie błdu nieczułoci mostka Wheatstone a Dla R X = Dla R X = R 1 /R 2 0,1 1 10 U zas = 5 U zas = 20 I G I G R 1 /R 2 0,1 1 10 U zas = 5 I G U zas = 20 I G gdzie R X1 = 1,01. R X W celu wykonania pomiaru wybranej impedancji za pomoc mostka MOTECH MT4090 naley połczy badany element do zacisków pomiarowych mostka, wybra rodzaj układu zastpczego mierzonej impedancji za pomoc przełcznika Z/R/L oraz wybra czstotliwo pomiarow przyciskiem FREQ. Wynik pomiaru zostanie wywietlony na wywietlaczu. W celu wykonania pomiaru rezystancji lub pojemnoci za pomoc mostka MRC-2A naley podłczy badany element do zacisków oznaczonych Rx (dla rezystora) lub Cx (dla kondensatora). Nastpnie przy uyciu przełcznika obrotowego wybra najwikszy zakres pomiarowy. Regulujc pokrtłem umieszczonym na płycie czołowej mostka doprowadzi go do stanu równowagi, który jest sygnalizowany zganiciem obu diod LED. Ze skali naley odczyta warto zmierzonej wielkoci. Jeeli na wybranym zakresie nie udało si uzyska stanu równowagi, to naley wybra mniejszy zakres i ponownie dokona próby zrównowaenia mostka. Opracowanie wyników. 1. Wyznaczy warto błdu wzgldnego i bezwzgldnego pomiarów wykonanych w zadaniu 1, przyjmujc ustawienie dekady rezystancyjnej za warto wzorcow. 2. Wyznaczy błd nieczułoci mostka Wheatstone a dla pomiarów wykonanych w zadaniu 2. 3. Porówna wyniki pomiarów pojemnoci kondensatora i rezystancji rezystora uzyskane za pomoc mostka automatycznego i półautomatycznego. 4. Wyznaczy moduł i faz impedancji mierzonych elementów oraz dobro dławików i stratno kondensatorów badanych w zadaniu 3. Skomentowa wpływ czstotliwoci na dobro dławika i stratno kondensatora. 18
LITERATURA [1] Chwaleba A., Poniski M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna. WNT, Warszawa, 1998. [2] Dusza J., Gortat G., Leniewski A.: Podstawy miernictwa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1998. [3] Jdrzejowski K. i inni: Laboratorium podstaw miernictwa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1998. [4] Zielonko R. i inni: Laboratorium z podstaw miernictwa. Wydawnictwo Politechniki Gdaskiej, Gdask, 1998. [5] Kołodziejski J., Spiralski L., Stolarski E.: Pomiary przyrzdów półprzewodnikowych. WKiŁ, Warszawa 1990. [6] Arendarski J.: Niepewno pomiarów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 2003. [7] Kalus-Jcek B., Kumierek Z.: Wzorce wielkoci elektrycznych i ocena niepewnoci pomiaru. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łód, 2000. [8] Górecki K., Stepowicz W.J.: Laboratorium Podstaw Miernictwa. Wydawnictwo Akademii Morskiej w Gdynia, Gdynia, 2005. 19