Uniwersytet Pedagogiczny im. Komisji Edukacji Narodowej w Krakowie INSTYTUT TECHNIKI Laboratorium elektroniki Ćwiczenie nr 1 Temat: PRZYRZĄDY POMIAROWE Rok studiów Grupa Imię i Nazwisko Data Podpis Ocena
1. Cel ćwiczenia - Celem ćwiczenia jest poznanie budowy i zasady działania oraz poprawnej obsługi przyrządów pomiarowych, które są stosowane w laboratorium elektroniki. - W drugiej części ćwiczenia należy rozpoznać, zidentyfikować oraz zmierzyć wartości elektronicznych elementów czynnych i biernych. - Zakres ćwiczenia obejmuje również poznanie metod i zasad wykonywania pomiarów, zgodnie z obowiązującymi przepisami BHP. 2. Wprowadzenie Pomiarem nazywane są czynności doświadczalne, mające na celu wyznaczenie wartości wielkości mierzonej, wyrażonej iloczynem liczby i jednostki miary. Wielkością (w znaczeniu fizycznym i metrologicznym) nazywa jest ta właściwość zjawiska lub ciała, którą można określić nie tylko jakościowo, ale również ilościowo. Wielkość mierzona jest to wybrana wielkość, która aktualnie jest mierzona. Wartością wielkości mierzonej jest iloczyn liczby i jednostki miary. 2.1. Oscyloskop Obecnie produkowane oscyloskopy dzielone na: - analogowe, - cyfrowe. W oscyloskopie analogowym obraz przebiegu elektrycznego jest rysowany na ekranie lampy oscyloskopowej w czasie rzeczywistym. Oznacza to, że plamka świetlna tworzona na powierzchni luminoforu przez strumień elektronów, porusza się w takt zmian mierzonego lub obserwowanego sygnału elektrycznego. Główną częścią oscyloskopu elektronicznego jest lampa katodowa, której schemat przedstawiono na rysunku 1. Umożliwia ona wzrokową obserwację zmiennych i przemiennych sygnałów elektrycznych. Lampa składa się z trzech podstawowych części: - wyrzutni elektronów, która emituje i skupia elektrony w cienką wiązkę, - elektrostatycznego systemu odchylającego strumień elektronów, - ekranu pokrytego luminoforem, który pod wpływem padających elektronów emituje falę elektromagnetyczną w zakresie światła widzialnego. Całość jest zamknięta w szklanym balonie, z którego usunięto powietrze. Wyrzutnia elektronowa znajduje się w tylnej, zwężonej części bańki i składa się z szeregu elektrod, które tworzą układ soczewek elektrycznych skupiających i przyspieszających strumień elektronów. Źródłem elektronów jest pośrednio żarzona cylindryczna katoda tlenkowa o prawie punktowej powierzchni emitującej. W wyniku termoemisji uwolnione elektrony przepływają przez elektrodę przesłonową zwaną cylindrem Wehnelta (S1), która zasilana jest napięciem ujemnym względem katody. Regulując to napięcie można zmieniać jasność świecenia plamki świetlnej. Następnie wiązka elektronów jest ogniskowana i przyspieszana w cylindrycznych siatkach. Rys.1. Schemat lampy oscyloskopowej. Pierwsza siatka (S2) umożliwia regulację ostrości plamki świetlnej, druga (S3) przyspiesza strumień elektronów i współdziała z pierwszą anodą przy ogniskowaniu wiązki. Elektrony docierające do układu odchylania zostają odchylone kątowo od osi lampy. W lampach oscyloskopowych najczęściej stosowany jest układ odchylania elektrostatycznego. Umożliwia on uzyskanie wysokiej częstotliwości pracy lampy. Układ tworzą dwie prostopadłe pary płytek odchylających. Pod wpływem zmian napięcia mierzonego, które najczęściej doprowadzane jest do płytek odchylania pionowego Y, pomiędzy płytkami wytwarzane jest zmieniające się pole elektryczne. Powoduje ono zmianę trajektorii poruszających się elektronów. Analogiczny proces zachodzi pomiędzy płytkami odchylania poziomego X, które zasilane są napięciem z generatora podstawy czasu. Odchylanie elektrostatyczne wymaga niewielkiej ilość energii. Na rysunku 2 przedstawiono schemat lampy oscyloskopowej z przykładowymi wartościami napięć sterujących poszczególne siatki, katodę i anodę. Anoda jest wykonana w postaci cienkiej warstwy grafitowej przylegającej do wewnętrznej powierzchni lampy. Dołączenie do niej wysokiego potencjału dodatniego powoduje przyspieszenie elektronów i nadanie im odpowiedniej energii kinetycznej. 2
Rys. 2. Przykładowe wartości napięć dołączanych do elektrod. W lampach obrazowych stosowane jest odchylanie elektromagnetyczne. Indukcyjność cewek wytwarzających pole magnetyczne ogranicza częstotliwość pracy oscyloskopu. Nie jest to przeszkodą w lampach obrazowych typu kineskop czy radaroskop. Lampy z odchylaniem magnetycznym stosowane są w niektórych oscyloskopach cyfrowych. Pola magnetyczne wytwarzane przez cewki odchylania pionowego i poziomego wpływają na zmianę tory ruchu strumienia elektronów. Lampy z magnetycznym układ odchylania w stosunku do lamp oscyloskopowych, charakteryzuje się niższą ceną, mniejszą długością i większym poborem energii. Następnym elementem lampy oscyloskopowej jest ekran pokryty warstwą materiału krystalicznego, zwanego luminoforem. Jego zadaniem jest zamiana energii kinetycznej strumienia elektronów na falę elektromagnetyczną o długości λ=(0.4-0.6)nm. W zakresie tych długości fali znajdują się luminofory emitujące światło o barwie niebieskiej, zielonej i białej. a) zielonego, b) niebieskiego, c) białego. 2.2. Multimetr. Rys. 3. Charakterystyki widmowe luminoforów: Konstrukcje współczesnych przyrządów pomiarowych wykonywane są w oparciu o przetworniki analogowe-cyfrowo A/D (ang. Analog to Digital converter). Wynika to z kilku powodów: - precyzyjny i stosunkowo łatwy odczyt wartości, - duża dokładność przetwarzania, - jednoukładowe scalone przetworniki, - niski koszt produkcji. To jedynie kilka zalet przetworników A/D. W praktyce przetwarzane w postać cyfrową są dwie wielkości analogowe: czas i napięcie. Pozostałe wielkości fizyczne przetwarzane są w odpowiednich przetwornikach na napięcie lub czas. Najprostszy układ do odmierzania czasu składa się z generatora częstotliwości wzorcowej, układu zliczającego generowane impulsy i układu zatrzymującego zliczanie po określonym czasie, który jest proporcjonalny do wartości wielkości mierzonej. Jeżeli wielkością jest napięcie, którego wartość została zamieniona na proporcjonalny odcinek czasu, to otrzymujemy prosty przetwornik A/D napięcie-czas. Wielkość tą najłatwiej jest mierzyć przy użyciu techniki cyfrowej. Wśród wielu metod przetwarzania A/D i wielu konstrukcji przetworników A/D na szczególną uwagę zasługuje przetwornik z podwójnym całkowaniem (rzadziej spotykana, ale dokładniej odzwierciedlająca zasadę działania nazwa to przetwornik z dwukrotnym całkowaniem). Jest to typ przetwornika integracyjnego, a więc takiego który przetwarza napięcie na proporcjonalny odcinek czasu. Jego zaletą jest niezależność nachylenia charakterystyki przetwarzania od stałej czasowej integratora i od częstotliwości generatora zegarowego. Schemat blokowy przetwornika z dwukrotnym całkowaniem przedstawiono na rysunku 4. 3
Rys. 4. Schemat blokowy przetwornika A/D z dwukrotnym całkowaniem. Zasada działania przetwornika oparta jest na dwukrotnym całkowaniu napięcia wejściowego. Kondensator C1 jest najpierw ładowany przez ustalony czas prądem o natężeniu proporcjonalnym do wartości napięcia wejściowego (mierzonego), a następnie rozładowany prądem o stałej wartości aż do osiągnięcia zera w czasie t. Czas, w którym kondensator zostaje całkowicie rozładowany jest proporcjonalny do napięcia mierzonego UI. Wyjście komparatora K1 będąc w stanie wysokim uaktywnia bramkę B1 do której dołączony jest generator zegarowy. Impulsy zegarowe zliczane są w liczniku binarnym i po zdekodowaniu wyświetlane na wyświetlaczu. Zasadę działania przetwornika przedstawiono na rysunku 5. Rys. 5. Cykl przetwarzania przetwornika z dwukrotnym całkowaniem. Zliczona liczba jest proporcjonalna do wartości sygnału wejściowego, którym najczęściej jest napięcie mierzone. Metoda dwukrotnego całkowania pozwala osiągnąć bardzo dużą dokładność przetwarzania, niezależną od stałości parametrów zastosowanych elementów. Na dokładność przetwarzania nie mają wpływu: - pojemność kondensatora integratora, - stałość częstotliwości generatora zegarowego. Głównym czynnikiem wpływającym na dokładność i powtarzalność przetwarzania jest stabilność temperaturowa napięcia odniesienia. Decyduje ono o stałości źródła prądu, które rozładowuje kondensator w drugim etapie przetwarzania. Wytwarzanie precyzyjnych źródeł napięcia i prądu nie stanowi obecnie problemu. Przetworniki z dwukrotnym całkowaniem są powszechnie stosowane w miernikach uniwersalnych i multimetrach. Jak łatwo można zauważyć, miernik z tego typu przetwornikiem posiada wewnętrzny generator, licznik binarny, źródło napięcia wzorcowego. Wykorzystując te układy konstruktorzy projektują multimetry, przy pomocy których można wykonać pomiary: - natężenia prądu AC, DC, - napięcia AC,DC, - rezystancji, - pojemności, - indukcyjności, - częstotliwości, - temperatury, - zwarcia, - napięcia przewodzenia złącza półprzewodnikowego, - statycznego współczynnika wzmocnienia prądowego hfe. 3. Program ćwiczenia: 3.1. Poznanie budowy, zasady działania oraz poprawnej obsługi oscyloskopu. 3.2. Poznanie parametrów elektrycznych i możliwości pomiarowych mierników cyfrowych. 3.3. Pomiar częstotliwości i amplitudy sygnału elektrycznego przy pomocy oscyloskopu. 3.4. Pomiar częstotliwości metodą Lissajous. 3.5. Pomiar wartości elementów biernych i czynnych. 4
4. Przebieg ćwiczenia: 4.1. Należy poznać dane katalogowe przyrządów: - oscyloskop analogowy: HUNG-CHANG 3502C, - oscyloskop cyfrowy: Tektronix TDS1002, - gegnerator funkcj: METEX MXG-9810A, - multimetr: METEX M-3270D, - multimetr: METEX M-3650, - multimetr: METEX M-3660D, - zasilacz laboratoryjny: NDN DF1731SB3A, - uniwersalny system testowy: DF6911. Tabela 1. Dane katalogowe oscyloskopu Tektronix TDS1002 Lp. Dane techniczne Jednostka Wartość 1. Uin min [mv] 2. Uin max [V] 3. f min [Hz] 4. f max [MHz] 5. Ilość zakresów U 6. Ilość zakresów f 7. Separacja kanałów [1kHz] [db] 8. Zin [MΩ] 9. Napięcie kalibracji Uc [V] 10. Częstotliwość kalibracji fc [khz] Tabela 2. Dane katalogowe multimetru METEX M-3660D Lp. Funkcja Jednostka Zakres pomiarowy 1. Napięcie stałe 2. Napięcie przemienne 3. Natężenie prądu stałego 4. Natężenie prądu przemiennego 5. Rezystancja 6. Pojemność 7. Częstotliwość 8. Wzmocnienie hfe 9. Test zwarci i diod 4.2. Należy wykonać pomiary częstotliwości oraz amplitudy sygnału generatora, łącząc układ według schematu z rysunku 6. Rys 6. Schemat układu pomiaru częstotliwości Tabela 3. Pomiar częstotliwości przy pomocy oscyloskopu f1=50hz f1=500hz f1=1000hz f1=10khz Ugen [V] U [V] U [V] U [V] U [V] 0,1 1 2 5 5
gdzie: f0 - częstotliwość mierzona oscyloskopem f1 - częstotliwość mierzona częstościomierzem multimetru METEX M3270D U1 - amplituda sygnału ustawiana przy f=1khz Amplitudę sygnału sinusoidalnego w generatorze należy regulować, odczytując wartość mierzoną przez oscyloskop. Następnie proszę zmierzyć wartość napięcia przemiennego multimetrem i wpisać wyniki pomiarów do tabeli 4. We wnioskach należy wyjaśnić przyczynę różnicy w wynikach pomiarowych. Przed przystąpieniem do pomiarów przy użyciu oscyloskopu analogowego, należy dokonać jego kalibracji. Standardowo sygnał kalibrujący jest sygnałem elektrycznym o kształcie prostokątnym i następujących parametrach: f=1khz, U=1V. Jeżeli wartości sygnału są niestandardowe, to w pobliżu gniazda występuje odpowiednie oznaczenie. Przykładowo w oscyloskopie typu HUNG-CHUNG 6504 parametry przebiegu kalibracyjnego są następujące: f=1khz U=0,5V. 4.3. Należy wykonać pomiar częstotliwości metodą Lissajous łącząc przyrządy pomiarowe zgodnie ze schematem na rysunku 7. Rys. 7. Schemat połączeń do pomiaru częstotliwości metodą Lissajous. Za pomocą oscyloskopu można porównać częstotliwości dwóch przebiegów elektrycznych. W tym celu przełącznik podstawy czasu należy ustawić w pozycji X-Y. Jeden z generatorów dołączyć do płytek odchylających X (CH1), drugi do płytek odchylających Y (CH2). Po dokonaniu obserwacji należy uzupełnić puste pola w tabeli 5. Tabela 4. Obserwowane krzywe Lissajous 4.4. Korzystając z miernika pojemności, rezystancji, napięcia złącza diodowego oraz Beta-Metru (hfe) proszę wykonać pomiary i wypełnić poniższą tabelę: Tabela 5. Pomiar elementów elektronicznych i przyrządów półprzewodnikowych. Lp. Element Symbol Wartość odczytana Wartość zmierzona Jednostka Tolerancja 1. Kondensator C1-2. Kondensator C2-3. Kondensator C3-4. Rezystor R1-5. Rezystor R2-6. Rezystor R3-7. Dioda D1 2N4006-8. Dioda D2 1N4148-9. Dioda LED D3 red - 10. Dioda LED D4 yellow - 11. Tranzystor T1 2N2222-12. Tranzystor T2 BC550-13. Tranzystor T3 BC308-6
Odczytywanie wartości rezystancji i tolerancji na podstawie kodu paskowego. Tabela 6. Kod kolorowy Kolor Cyfry znaczące Mnożnik Tolerancja Współczynnik temperaturowy [ppm/k] Srebrny - 10-2 10% - Złoty - 10-1 5% - Czarny 0 10 0-250 Brązowy 1 10 1 1% 100 Czerwony 2 10 2 2% 50 Pomarańczowy 3 10 3 15% - Żółty 4 10 4-25 Zielony 5 10 5 0,5% 20 Niebieski 6 10 6 0,25% 10 Fioletowy 7 10 7 0,1% 5 Szary 8 10 8-1 Biały 9 10 9 - - Brak paska - - 20% - Odczytywanie wartości rezystancji i tolerancji na podstawie kodu paskowego. Trzy paski 1 pasek 1 cyfra 2 pasek 2 cyfra 3 pasek mnożnik Cztery paski 1 pasek 1 cyfra 2 pasek 2 cyfra 3 pasek mnożnik 4 pasek tolerancja złoty Pięć pasków 1 pasek 1 cyfra 2 pasek 2 cyfra 3 pasek 3 cyfra 4 pasek mnożnik 5 pasek tolerancja Sześć pasków 1 pasek 1 cyfra 2 pasek 2 cyfra 3 pasek 3 cyfra 4,7MΩ 20% 5,1kΩ 5% 196kΩ 1% 7
4 pasek mnożnik 5 pasek tolerancja 6 pasek współ.temp. Jaka to wartość rezystancji i tolerancji? złoty srebrny Jaka to wartość rezystancji i tolerancji? Który z kodów jest prawidłowy? 1) 2) 5. Wnioski: Należy przedstawić własne wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia. 6. Wykaz przyrządów pomiarowych: Należy zapisać nazwy i symbole przyrządów pomiarowych używanych w trakcie ćwiczenia. 7. Zagadnienia do samodzielnego opracowania 7.1. Budowa i zasada działania lampy oscyloskopowej. 7.2. Kalibracji oscyloskopu przed przystąpieniem do pomiarów. 7.3. Pomiar napięcia i częstotliwość za pomocą oscyloskopu. 7.4. Konstrukcja multimetru, zasada działania przetwornika A/D z dwukrotnym całkowaniem. 7.5. Wyjaśnić dlaczego przetworniki z dwukrotnym całkowaniem znalazły szerokie zastosowanie w przyrządach pomiarowych. 7.6. Przedstawić możliwe zastosowania multimetru połączonego z komputerem PC. 7.7. Dlaczego zmierzone wartości napięć progowych w diodach odbiegały znacząco od odczytanych wartości katalogowych. 7.8. Budowa i zasada działania częstościomierza. 7.9. Wyjaśnić pojęcie klasy dokładności: 0.3% +2deg. 8. Wykaz literatury: 1. P.HOROWITZ, W.HILL Sztuka elektroniki 2. S.SOCLOF Zastosowania analogowych układów scalonych 3. A.CHWALEBA Pracownia elektroniczna- elementy układów elektronicznych 4. U.TIETZE, CH.SCHENK "Układy półprzewodnikowe" 5. K.MICHAŁOWSKI Elektrotechnika z elektroniką 6. Instrukcje obsługi przyrządów pomiarowych: - oscyloskop analogowy: HUNG-CHANG 3502C, - oscyloskop cyfrowy: Tektronix TDS1002, - gegnerator funkcj: METEX MXG-9810A, - multimetr: METEX M-3270D, - multimetr: METEX M-3650, - multimetr: METEX M-3660D, - zasilacz laboratoryjny: NDN DF1731SB3A, - uniwersalny system testowy: DF6911. 8