INSTRUKCJE LABORATORYJNE Z PODSTAW MIERNICTWA ELEKTRONICZNEGO Krzysztof Górecki, Witold J. Stepowicz Gdynia 2005
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 P322, badany wskazówkowy woltomierz magnetoelektryczny UM-3B oraz cyfrowy miernik 560 jako woltomierz wzorcowy, P322 560 U wz UM-3B U pom Rys.4. Układ do wzorcowania woltomierza magnetoelektrycznego b) wybra zakres pomiarowy 6 dla badanego woltomierza magnetoelektrycznego oraz zakres 10 dla woltomierza wzorcowego, c) zmieniajc napicie zasilacza w zakresie od 0 do 6 z krokiem 0,5 zanotowa wskazania obu woltomierzy w tabeli1, Tabela 1. Wzorcowanie woltomierza magnetoelektrycznego 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 2. Pomiar rezystancji wewntrznej woltomierza: a) połczy szeregowo napiciowy zasilacz regulowany P322, amperomierz magnetoelektryczny UM-5B oraz badany woltomierz UM-3B, jak pokazano na schemacie na rysunku 5, b) ustawi napicie zasilacza P322, zapewniajce uzyskanie maksymalnej wartoci napicia woltomierza U max na zakresie 6, c) odczyta warto prdu I A na amperomierzu UM-5B, d) obliczy warto rezystancji wewntrznej R w1 woltomierza ze wzoru U max Rw1 = I A 2
UM-5B A P322 UM-3B R dek Rys.5. Układ do pomiaru rezystancji wewntrznej woltomierza e) w celu wyznaczenia rezystancji wewntrznej woltomierza metod podstawieniow, w miejsce woltomierza w układzie pomiarowym włczy rezystor dekadowy R dek, 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 P322, wzorcowy woltomierz cyfrowy 560 oraz badany woltomierz magnetoelektryczny UM-3B połczony szeregowo z rezystorem dekadowym R dek, P322 560 UM-3B R dek Rys.6. Układ do rozszerzenia zakresu pomiarowego woltomierza b) wybra zakres pomiarowy 6 dla badanego woltomierza UM-3B oraz zakres 10 dla woltomierza wzorcowego 560, c) obliczy warto rezystancji posobnika R p, zapewniajcego rozszerzenie zakresu pomiarowego woltomierza z wartoci U p = 6 do U k = 10, ze wzoru R p U k U = U d) ustawi obliczon warto rezystancji R p na rezystorze dekadowym, a nastpnie przeprowadzi wzorcowanie tak uzyskanego woltomierza o rozszerzonym zakresie p p R w2 3
pomiarowym dla napi od 0 do 10 z krokiem 0,5, za wskazania obu mierników zanotowa w tabeli 2. Tabela 2. Rozszerzenie zakresu pomiarowego woltomierza U wz [] 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 U pom [] (z posob.) U wz [] 5,5 6,0 6,0 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 U pom [] (z posob.) 4. Wzorcowanie amperomierza oraz skalowanie omomierza szeregowego: a) w celu jednoczesnego wzorcowania amperomierza UM-5B oraz skalowania omomierza szeregowego wykorzystujcego ten amperomierz naley połczy szeregowo zasilacz regulowany P322, cyfrowy miernik 560 jako wzorcowy amperomierz, rezystor dekadowy R dek oraz badany amperomierz magnetoelektryczny UM-5B, jak pokazano na rysunku 7, 560 A I wz I pom R dek P322 A UM-5B Rys.7. Układ do wzorcowania amperomierza UM-5B b) ustawi maksymaln warto rezystancji rezystora dekadowego oraz napicie zasilacza równe 6, c) wybra zakres pomiarowy 5 ma dla badanego amperomierza UM-5B oraz zakres 10 ma dla amperomierza wzorcowego, d) zmieniajc warto rezystancji rezystora dekadowego R dek notowa w tabeli 3 wartoci tej rezystancji, prdu I wz odpowiadajce wskazaniom amperomierza I pom z zakresu od 0 do 5 ma z krokiem 0,5 ma. Tabela 3. Wzorcowanie amperomierza R dek [Ω] I wz [ma] I pom [ma] 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 4
Opracowanie wyników: 1. Obliczy wartoci błdów bezwzgldnych i wzgldnych pomiarów dotyczcych wzorcowania woltomierza oraz amperomierza przyjmujc, ze błd pomiaru miernikiem cyfrowym, traktowanym jako miernik wzorcowy, wynosi zero. 2. Wykreli krzywe wzorcowania, to znaczy zalenoci wskaza przyrzdu badanego w funkcji wskaza przyrzdu wzorcowego, dla przebadanych przyrzdów: amperomierza, woltomierza 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. 5
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 6502: kanału 1 (Y) oraz kanału 2 (X): a) połczy równolegle zasilacz napiciowy P314, woltomierz cyfrowy APPA205 oraz wejcie wzorcowanego kanału oscyloskopu 6502, według schematu pokazanego na rysunku 3, 6502 P314 Y X APPA 205 Rys.3. Układ do wzorcowania kanału Y oscyloskopu b) ustawi wzmocnienie wzorcowanego kanału równe 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 napiciem zasilacza tak, aby uzyska zmian połoenia linii na ekranie oscyloskopu kolejno o 1, 2, 3 oraz 4 działki. Jednoczenie notowa w tabeli 1 wychylenie plamki w pionie oraz odpowiadajce mu napicia U X odczytane z woltomierza, a nastpnie powtórzy powysze czynnoci dla kanału Y i zanotowa w tabeli odczytane z woltomierza wartoci napicia U Y. Tabela 1. Wzorcowanie wzmacniaczy kanałów oscyloskopu Wychylenie plamki w pionie [dz] U X [] U Y [] -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 6
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 9205C na wejcie kanału Y oscyloskopu, jak pokazano na rysunku 4, 6502 Y X 9205C Rys.4. 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 (wykorzysta pokrtło offset generatora sygnału), c) ustawi tryb pracy kanału Y jako zmiennoprdowy (AC), d) dobra podstaw czasu równ 0,2 ms/dz oraz wzmocnienie 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, 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) na wejcie zestawu do pomiaru charakterystyk i(u) diod podłczy generator sygnału harmonicznego 9205C, 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.5), za tryb pracy oscyloskopu przełczy na X-Y. Amplitud sygnału generatora dobra w ten sposób, aby widoczna na ekranie charakterystyka i(u) nie miała kształtu ptli, 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. 7
Rys.5. 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.6), którego wejcie jest połczone z generatorem sygnału prostoktnego 9205C i wejciem kanału X oscyloskopu, natomiast wyjcie dołczone jest do wejcia kanału Y oscyloskopu; przyj R dek = 10 kω oraz C dek = 50 nf, czstotliwo sygnału prostoktnego f = 1 khz, a amplitud równ 10. 6502 Y X R dek C dek 9205C Rys.6. Układ do pomiarów napi w układzie całkujcym 8
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. Opracowanie wyników: 1. Na podstawie pomiarów z zadania 1 metod najmniejszych kwadratów wyznaczy współczynnik odchylania dla obu kanałów. 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 rezystorów wykreli charakterystyki statyczne i(u) diod, uwzgldniajc spadki napicia na rezystorach. 4. Wyprowadzi analityczn posta odpowiedzi układu całkujcego na pobudzenie przebiegiem prostoktnym oraz porówna j z wynikami pomiarów z zadania 4 oraz skomentowa ewentualne rozbienoci. 9
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 DF1641B, ustawiajc czstotliwo przebiegu równ 50 Hz. Równolegle do generatora dołczy woltomierz cyfrowy APPA205, pracujcy w zmiennoprdowym trybie pomiaru AC, który mierzy rzeczywist warto skuteczn mierzonego napicia, c) do wyjcia zestawu podłczy amperomierz magnetoelektryczny UM-3B, wybra zakres pomiarowy 0,0015 A 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 APPA205 zmieniała si w zakresie od 0 do 6 z krokiem równym 0,5 ; notowa w tabeli 1 wskazania obu mierników, Tabela 1. Wzorcowanie woltomierza prostownikowego jednopołówkowego U [] 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 I [ma] e) powtórzy pomiary z punktu 1d przy pobudzeniu sygnałem prostoktnym, otrzymanym z generatora DF1641B. 2. Pomiar ekwiwalentnej rezystancji wejciowej woltomierza prostownikowego jednopołówkowego: a) włczy pomidzy generator a wejcie badanego układu rezystor dekadowy R dek (rys.7), b) ustawi zerow rezystancj rezystora dekadowego oraz amplitud przebiegu na wyjciu generatora, odpowiadajc maksymalnemu wychyleniu amperomierza. Zanotowa podan 10
na obudowie UM-3B warto rezystancji wewntrznej amperomierza dla wybranego zakresu pomiarowego, Rys.6. Układ do wzorcowania woltomierza prostownikowego c) zmienia warto rezystancji dekady do momentu, gdy prd amperomierza zmaleje do połowy wartoci zakresowej i zanotowa warto rezystancji dekady odpowiadajc tej sytuacji. Rys.7. Układ do pomiaru rezystancji wewntrznej woltomierza 3. Obserwacja przebiegów napi w wybranych punktach zestawu pomiarowego: a) po podłczeniu oscyloskopu do odpowiednich zacisków przerysowa oscylogramy napicia wejciowego U 10 oraz wyjciowego U 20 woltomierza prostownikowego jednopołówkowego, przy zerowej wartoci rezystancji dekady oraz dwóch wartociach amplitudy harmonicznego sygnału wejciowego, równych odpowiednio 1 oraz 10 (schemat układu pomiarowego pokazany jest na rysunku 8). 11
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 APPA 205, pracujcy w trybie pomiaru AC, c) do wyjcia układu pomiarowego dołczy amperomierz magnetoelektryczny UM-3B, pracujcy w trybie DC na zakresie 0,0015 A, d) zmienia warto amplitudy napicia generatora tak, aby warto prdu amperomierza zmieniała si w zakresie od 0 do 1,5 ma z krokiem 0,3 ma; notowa wskazania obu mierników w tabeli 2, e) powtórzy pomiary z punktu 4d dla czstotliwoci 20 khz, f) powtórzy pomiary z punktu 4e przy pobudzeniu sygnałem prostoktnym. Tabela 2. Wzorcowanie woltomierza prostownikowego szeregowego szczytowego I [ma] U [] f = 50 Hz f = 20 khz 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 12
5. Pomiar ekwiwalentnej rezystancji wejciowej woltomierza prostownikowego szeregowego szczytowego: a) włczy pomidzy generator a wejcie badanego układu rezystor dekadowy (rys.7), b) ustawi zerow rezystancj rezystora oraz amplitud napicia generatora, odpowiadajc maksymalnemu wychyleniu amperomierza, c) zmienia warto rezystancji dekady do momentu, gdy prd amperomierza spadnie do połowy wartoci zakresowej i zanotowa warto rezystancji odpowiadajcej tej sytuacji. 6. 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 10 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 skutecznego napicia wejciowego dla sygnału harmonicznego oraz prostoktnego. 2. Na podstawie wartoci elementów układu pomiarowego obliczy ekwiwalentn rezystancj wejciow badanych woltomierzy i porówna wyniki oblicze z wynikami pomiarów uzyskanych w zadaniach 2 i 5. Skomentowa zauwaone rónice. 3. Omówi wpływ kształtu, amplitudy i czstotliwoci mierzonego sygnału napiciowego na właciwoci badanych woltomierzy. 13
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 laboratoryjnego zawierajcego przetwornik A/C z kompensacj równomiern podłczy zasilacz napiciowy P316, natomiast na wejcie U R zasilacz napiciowy 5121, ustawiajc jego napicie równe 2,5. Równolegle do obu wej zestawu laboratoryjnego podłczy woltomierze 545 oraz 540 (rys.9a), b) dla trzech wartoci napicia U I, równych 1, 2 oraz 3, wykona pomiar napicia U I przy uyciu badanego zestawu pomiarowego w nastpujcy sposób. Najpierw nacisn przycisk RESET (powinny zgasn wszystkie diody LED). Nastpnie, wciskajc przycisk IMPULS doprowadzi do nie zmieniajcego si stanu wywietlacza. Wyniki zanotowa w tabeli 1, oznaczajc stan wiecenia diod D1 D8 jako 1 oraz stan niewiecenia diod jako 0. a) b) ZS 3080 ZS 3080 5 - + - 12 + 12 5 - + - 12 + 12-12 + 12 PRZETWORNIK A/C Z KOMPENSACJ RÓWNOMIERN D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8-12 + 12 PRZETWORNIK A/C Z KOMPENSACJ WAGOW D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 U I + + U R - - Reset Impuls U I + + U R - - Reset Impuls 545 540 545 540 P316 5121 P316 5121 Rys.9. Badane układy przetworników A/C: a) z kompensacj równomiern, b) z kompensacja wagow 14
Tabela 1. Przetwornik A/C z kompensacj równomiern U I [] U R [] D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 2 3 2. Badanie przetwornika A/C z kompensacj wagow: a) na wejcie U I zestawu pomiarowego zawierajcego przetwornik A/C z kompensacj wagow podłczy zasilacz napiciowy P316, natomiast na wejcie U R zasilacz napiciowy 5121, ustawiajc jego napicie równe 2,5. Równolegle do obu wej zestawu laboratoryjnego podłczy woltomierze 545 oraz 540 (rys.9b), 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 tabeli 2, oznaczajc stan wiecenia poszczególnych diod jako 1 oraz stan niewiecenia diod jako 0. Tabela 2. Przetwornik A/C z kompensacj wagow U I [] U R [] D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 2 3 3. Badanie wpływu zakresu pomiarowego na wynik pomiaru woltomierzem cyfrowym: a) połczy równolegle zasilacz napiciowy P316 i woltomierz cyfrowy 545, według schematu z rysunku 10, U zas P316 U pom 545 Rys.10. Układ do badania woltomierza cyfrowego b) wybra tryb pracy woltomierza przez wcinicie przycisku DC oraz wycinicie 15
przycisku AUTO, c) w celu oszacowania przypadkowego błdu pomiaru, wykona 10 pomiarów napicia wyjciowego zasilacza ustalajc jego napicie równe 0,8. Pomiar wykona na czterech zakresach pomiarowych woltomierza: 1, 10, 100, 1000. Kady pomiar naley wyzwala przyciskiem MAN. Wyniki zanotowa w tabeli 3. Tabela 3. Badanie dokładnoci pomiaru woltomierza l.p. U [] dla zakr.1 U [] dla zakr.10 U [] dla zakr.100 U [] dla zakr.1000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4. Pomiar rezystancji wejciowej woltomierza cyfrowego: a) połczy szeregowo zasilacz napiciowy P316, rezystor dekadowy i woltomierz cyfrowy 545 (rys.11), P316 R dek 545 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 R U 2 we = R max (11) U1 U 2 Tabela 4. Pomiar rezystancji wejciowej woltomierza R dek [] U [v] dla zakr.1 U [v] dla zakr.10 U [v] dla zakr.100 U [v] dla zakr.1000 R=0 R = R max 16
e) pomiary powtórzy dla wszystkich zakresów pomiarowych woltomierza i wyniki zanotowa w tabeli 4. 5. Pomiar skutecznoci działania wejciowego filtru w woltomierzu: a) połczy układ według schematu z rysunku 12, gdzie przyrzd 9201 jest generatorem funkcyjnym, stanowicym ródło sygnału zakłócajcego, 100 kω P316 R dek 545 9201 l.p. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Rys.12. Układ do pomiaru skutecznoci działania filtru wejciowego b) ustawi napicie zasilacza P316 równe 0,8, a amplitud sygnału z generatora 9201 równ 2, c) wykona 10 pomiarów napicia na woltomierzu na kadym z czterech zakresów pomiarowych przy czstotliwoci sygnału z generatora równej kolejno: 50 Hz, 110 Hz, 400 Hz, przy włczonym i wyłczonym filtrze wejciowym woltomierza. Wyniki zanotowa w poniszych tabeli 5 Tabela 5. Badanie skutecznoci działania filtru i wpływu czstotliwoci sygnału zakłócajcego na wynik pomiaru. Dla f = 50 Hz U [v] dla zakr.1 U [v] dla zakr.10 U [v] dla zakr.100 U [v] dla zakr.1000 Filtr Filtr Filtr Filtr Filtr Filtr wyłczony włczony wyłczony włczony wyłczony włczony Filtr włczony Filtr wyłczony 17
l.p. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 l.p. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Dla f = 110 Hz U [v] dla zakr.1 U [v] dla zakr.10 U [v] dla zakr.100 U [v] dla zakr.1000 Filtr Filtr Filtr Filtr Filtr Filtr wyłczony włczony wyłczony włczony wyłczony włczony Filtr włczony Filtr włczony Filtr wyłczony Dla f = 400 Hz U [v] dla zakr.1 U [v] dla zakr.10 U [v] dla zakr.100 U [v] dla zakr.1000 Filtr Filtr Filtr Filtr Filtr Filtr wyłczony włczony wyłczony włczony wyłczony włczony Filtr wyłczony 6. Pomiar przebiegu napicia wolnozmiennego: a) połczy wejcie układu ródła sygnału wolnozmiennego do zasilacza napiciowego P316, a wyjcie do zacisków woltomierza 545 (rys.13), RÓDŁO PRZEBIEGU WOLNOZMIENNEGO P316 WE MASA WY MASA 545 Rys.13. Układ do pomiaru wolnozmiennego przebiegu napicia 18
b) ustawi napicie zasilacza P316 równe 20, c) nacisn i zwolni przycisk na płycie czołowej ródła i przez 2 minuty z krokiem 10 sekund rejestrowa wartoci chwilowe napicia na woltomierzu. 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 U I w U R = (12) 255 gdzie w oznacza liczb wywietlan w kodzie dwójkowym na wskaniku diodowym. 2. Na podstawie wyników pomiarów z zadania 2 wyznaczy warto napicia U I zmierzon za pomoc przetwornika A/C z kompensacj wagow, korzystajc take z 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 1 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 3 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. 19
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 KZ 1115, natomiast na wejcie Y sygnał sinusoidalny o czstotliwoci mierzonej f 2 z generatora MS 9150 (rys.6). Ustali tryb pracy oscyloskopu jako X-Y, b) przerysowa oscylogramy dla czstotliwoci mierzonej f 2 równej 50 Hz, 100 Hz, 300 Hz. X Y f 1 Czstociomierz f 2 Czstociomierz Generator wzorcowy KZ 1115 Generator funkcyjny MS 9150 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 (KZ 1115) o czstotliwoci wzorcowej f 1 =100 Hz, natomiast do wejcia F 1 zestawu wyjcie TTL generatora prostoktnego sygnału mierzonego MS 9150 o czstotliwoci f 2 (rys.7), b) zmieniajc czstotliwo f 2 w zakresie od 1 Hz do 20 Hz z krokiem 1 Hz notowa wskazania wywietlacza W oraz miernika czstotliwoci MS 9150, mierzcego czstotliwo f 2, oraz notowa warto czstotliwoci f 1m sygnału zmierzonego miernikiem KZ 2026A-2. Wyniki zapisa w tabeli 1, Tabela 1. Pomiar czstotliwoci metod krzywych Lissajous f 2 [Hz] f 1m [Hz] W 20
Czstotliwosciomierz KZ 2026A-2 Zasilacz 5 Zestaw laboratoryjny F1 F2 P1 P2 Generator wzorcowy KZ 1115 Generator funkcyjny MS 9150 Czstotliwociomierz MS 9150 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 1 = 100 Hz przy f 2 = 400 Hz. Generator wzorcowy KZ 1115 Generator funkcyjny MS 9150 Zasilacz 5 F1 Zestaw laboratoryjny F2 P1 P2 X Y 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 (KZ 1115), ustawi czstotliwo równ f 1 = 1 Hz, natomiast do wejcia F 2 dołczy generator czstotliwoci f 2 sygnału mierzonego (MS 9150) (rys.7), b) zmieniajc czstotliwo f 2 w zakresie od 500 Hz do 8 khz z krokiem 500 Hz notowa w tabeli2 wskazania wywietlacza oraz czstociomierzy. Tabela 2. Cyfrowy pomiar czstotliwoci f 2 [Hz] f 1 [Hz] W 21
c) pomiar powtórzy przy czstotliwoci sygnału wzorcowego równej f 1 = 10 Hz. Opracowanie wyników 1. Na podstawie krzywych uzyskanych w zadaniu 1 wyznaczy czstotliwo sygnału mierzonego f 2. 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 2m = f 1m /W, a czstotliwo wzorcowa f 2 jest równa wartoci odczytanej z miernika czstotliwoci MS 9150, 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 δ =. f 2 22
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 P314 równym kolejno 5 oraz 20 ; notowa nastawy mostka w stanie równowagi oraz nastaw rezystora dekadowego; równowaenia dokona dla rónych wartoci ilorazu rezystancji rezystorów R 3 oraz R 4, równych odpowiednio 0,1; 1; 10. Wyniki zanotowa w tabeli 1. R X 1 R 2 µa R g i G R 3 R 4 P314 Rys.4. Układ badanego mostka Wheatstone a Tabela 1. Pomiary rezystancji za pomoc mostka Wheatstone a Dla R X1 = Dla R X1 = R 3 /R 4 U zas = 5 U zas = 20 R 3 /R 4 U zas = 5 U zas = 20 R 2 R X R 2 R X R 2 R X R 2 R X 0,1 0,1 1 1 10 10 23
2. Wyznaczanie błdu nieczułoci mostka Wheatstone a: a) dla identycznych wartoci rezystancji R 2 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. Tabela 2. Badanie błdu nieczułoci mostka Wheatstone a Dla R X1 = Dla R X1 = R 3 /R 4 0,1 1 10 U zas = 5 U zas = 20 I G I G R 3 /R 4 0,1 1 10 U zas = 5 I G U zas = 20 I G Gdzie R X1 = 1,01. R X 3. Pomiary wartoci pojemnoci oraz indukcyjnoci za pomoc mostka prdu zmiennego U902: a) wykona pomiar wartoci impedancji elementów inercyjnych podanych przez prowadzcego, b) wyznaczy rezystancj oraz reaktancj mierzonych elementów. W celu wykonania powyszego pomiaru naley podłczy badany element do zacisków pomiarowych mostka, wybra za pomoc przycisków, znajdujcych si na płycie czołowej mostka układ zastpczy mierzonej impedancji, np. L S R s, L P R P. Z kolei, naley wybra zakres zmian wartoci indukcyjnoci lub pojemnoci i naprzemiennie regulowa pokrtłami do zrównowaenia składowej rzeczywistej i składowej urojonej mierzonej impedancji. Pokrtło regulacyjne naley zmienia wtedy, gdy wskanik równowagi bdzie miał wskazanie najblisze zera. Po zrównowaeniu mostka naley ze skali pokrteł odczyta warto indukcyjnoci oraz dobroci cewki lub pojemnoci i stratnoci kondensatora. 4. Pomiary impedancji za pomoc półautomatycznego mostka RC typu MRC-2A: a) wykona pomiar wartoci rezystancji i pojemnoci dwójników pasywnych dostarczonych przez prowadzcego. W celu wykonania powyszego pomiaru 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 24
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 zadaniach 1 oraz 3, przyjmujc ustawienia dekad za wartoci wzorcowe. 2. Wyznaczy czuło mostka dla pomiarów wykonanych w zadaniu 2. 25
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. 26