I. Cel ćwiczenia ĆW. 3: BADANIE PODZESPOŁÓW APAATY ELEKTONICZNEJ Opracował: dr inż. Andrzej ylski Celem ćwiczenia jest poznanie metod pomiaru wybranych parametrów podzespołów aparatury elektronicznej. II. Zagadnienia. Ogólna charakterystyka urządzeń elektronicznych powszechnego zastosowania - zasilacze, stabilizatory napięć i prądów, wzmacniacze, przyrządy pomiarowe. 2. Źródła napięcia stałego, zasilacze - podstawowe układy blokowe, właściwości, parametry techniczne, zasady pomiaru parametrów. 3. Źródła napięcia zmiennego, generatory - podstawowe układy blokowe, właściwości, parametry techniczne, zasady pomiaru parametrów. 4. Tory pomiarowe woltomierzy elektronicznych napięć stałych i zmiennych. Podstawowe parametry metrologiczne woltomierzy III. Wprowadzenie 0 Podzespoły elektronicznych urządzeń pomiarowych rządzenia pomiarowe zbudowane są, rys.0.: z przetwornika pierwotnego, układu pomiarowego, źródła sygnału odniesienia zasilającego układ pomiarowy, zespołu dzielników oraz wzmacniaczy normalizujących sygnał, z układu przetwornika AC/DC, wzmacniacza całkującego lub innego przetwornika sygnału (często jest to przetwornik wartości skutecznej), przetwornika A/C, transkodera, pola odczytowego. ćw. 3/str.
przetwornik pierwotny układ pomiarowy dzielniki wzmacniacz AC/DC wzmacniacz całkujący A/C transkoder pole odczytowe źródło sygnału odniesienia zasilacz układ sterowania separator ys. 0. Schemat blokowy przyrządu pomiarowego W przyrządzie pomiarowym należy wyodrębnić jego wejścia i wyjścia. Najczęściej spotyka się cztery typy wejść: analogowe, cyfrowe, sygnału odniesienia, synchronizacji, zasilające. Parametry elektryczne opisujące właściwości poszczególnych podzespołów można podzielić na parametry wejściowe, wyjściowe i przejściowe. Do parametrów wejściowych należy zaliczyć: odzaj wejścia (symetryczne, niesymetryczne, izolowane, nieizolowane, stałoprądowe, zmiennoprądowe, itp) Na rys. 0.2 przedstawiono podstawowe rodzaje wejść i wyjść analogowych: niesymetryczne symetryczne (różnicowe). a. b. we C we podzespół/przyrząd przetwornik wy we- C we- podzespół/przyrząd przetwornik wy- C we+ wy+ we+ ys. 0.2 Schemat podzespołu/przyrządu pomiarowego z wejściem niesymetrycznym i symetrycznym. ćw. 3/str. 2
Podstawowe parametry wejściowe podzespołów/przyrządów to: rezystancja i pojemność wejściowa odpowiednio we i C we, np. =0MΩ, C=5pF, Maksymalny sygnał wejściowy lub przedział wartości tego sygnału zapewniający prawidłową jego pracę (sygnał nie powodujący przekroczenia zakresu pomiarowego podzespołu lub całego przyrządu ) maksymalna wartość napięcia wejściowego, przy którym wzmacniacz prawidłowo pracuje wemax. Wyjścia podzespołów/przyrządów mogą być: z polem odczytowym rys.0.3, rys.0.4: analogowym, cyfrowym, graficznym, a b 0 2 3 4 5 6 7 8 9 0 c ys.0.3 Przykłady przetworników napięcie - przesunięcie a. przyrząd magneto-elektryczny, b. linijka świetlna, c. punkt świetlny. Przetworniki analogowe są stosowane tam gdzie jest konieczny szybki odczyt wartości, która może przekraczać założone granice w celu szybkiej reakcji np. w samolotach, w samochodach itp. Dokładność odczytu z takiego przyrządu oblicza się według wzoru (0.) gr kl = ± 00 (0.) x gdzie : gr - jest wartością graniczną z błędów bezwzględnych wskazań tego przetwornika, nie jest istotne miejsce występowania tego błędu, może to występować w okolicy 0 lub ćw. 3/str. 3 n
dowolnej np. maksymalnej wartości. Na wartość tego błędu ma wpływ w pierwszej kolejności jakość mechanicznego zawieszenia wskazówki, a w następnej kolejności warunki pracy, temperatura, wilgotność, napromieniowanie, zewnętrzne pola elektromagnetyczne, elektrostatyczne itp. x n - wartość zakresu przyrządu (znacznik n oznacza wartość nominalną wskazania, w przedziale wartości od 0 - n przyrząd zachowuje klasę. Zdarzają się przyrządy, dla których maksymalny przedział wskazań nie pokrywa się z przedziałem nominalnym i wartość minimalna nie jest równa 0, wówczas x n = x 2 - x. Wartość x 2 i x odczytywana jest z podziałki przyrządu (najczęściej oznaczone są te punkty na skali kropką), lub z dokumentacji technicznej. a. b. c. ys.0.4 Przykłady wskaźników cyfrowych, a. segmentowy, b. punktowy, c. mozaikowy Pola odczytowe cyfrowe wprowadzają błąd rozdzielczości (dyskretyzacji). Wartość tego błędu jest równa wartości przyporządkowanej jednemu kwantowi pola dy (wartości odpowiadającej najmniej znaczącemu ziarnu). Ta sama sytuacja jest we wskaźnikach liniowych, cyfrowych. Najczęściej spotykane wskaźniki cyfrowe to: lampowe, fluoroscencyjne, LED, ciekłokrystaliczne. Wyróżnia się również różne typy wskaźników w zależności od sposobu obrazowania znaków: segmentowe, punktowe, mozaikowe. informacyjne - analogowe - cyfrowe (interfeace np. S232 itp Parametry wyjść informacyjnych analogowych (rys.0.2) to: rezystancja wyjściowa wy, maksymalna moc wyjściowa P max, ćw. 3/str. 4
maksymalne napięcie wyjściowe. Najczęściej spotykane wyjścia informacyjne analogowe to: - napięciowe np. V,kΩ, co oznacza, że w przedziale napięcia (0 - ) V zachowane są parametry podane w danych technicznych przyrządu i rezystancja wewnętrzna wynosi kω, pozwala to obliczyć spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej źródła w przypadku obciążenia przyrządu znanym prądem, - prądowe np. 0-20mA lub 4-20 ma, to znaczy, że zachowane są parametry podane w danych technicznych przyrządu w podanych przedziałach prądu, a w drugim wariancie dodatkową właściwością jest to, że prąd 4 ma odpowiada zerowej wartości sygnału i jest zastosowane w liniach przesyłania informacji w celu wykrycia na niej przerwy elektrycznej. Parametry przejściowe podzespołu/przyrządu to: rodzaj przetwarzania, -napięcie/napięcie (/), -napięcie/prąd (/I) itp, współczynnik przetwarzania (np. wzmocnienie napięciowe), dokładność przetwarzania pasmo przenoszonych częstotliwości (B= f), współczynnik szumów (np. napięcie szumów odniesione do wejścia), współczynnik zniekształceń nieliniowych -h [%], współczynnik kształtu k, odstęp sygnał - szum F[dB] 0. Blok zasilający rządzenia elektroniczne posiadają blok zasilający, wykorzystujący energię elektryczną z sieci 230V, 50 Hz, lub z zespołu baterii. Sposób rozprowadzenia energii zasilającej poszczególne bloki przyrządu pomiarowego przedstawiono na rys. 0.5. W urządzeniach elektronicznych konieczne jest rozdzielenie toru zasilania układów analogowych, od układów cyfrowych, co znacznie zmniejsza przenikanie zakłóceń pomiędzy torami. Konieczne jest również zastosowanie niezależnych filtrów C w poszczególnych blokach, a nawet dodatkowych filtrów C przed wymagającymi podzespołami, pracującymi z bardzo małymi sygnałami. Zastosowanie równoległego połączenia dwóch kondensatorów, elektrolitycznego (o odpowiednio dużej pojemności) i tantalowego lub innego o małej indukcyjności resztkowej, powoduje filtrowanie zakłóceń w znacznie szerszym paśmie częstotliwości niż przy zastosowaniu ćw. 3/str. 5
tylko kondensatora elektrolitycznego. Poszerzenie pasma następuje w kierunku wysokich częstotliwości. wzmacniacz przet pier. ukł. dziel pom. niki źr. syg. odn. masa analogowa masa cyfrowa zasilanie układów cyfrowych zasilanie układów analogowych AC/ wzm. trans DC całk. A/C koder ukł. ster. sepa - rator pole odczy towe 220V, 50Hz stabilizator napięcia ys.0.5. Schemat zasilacza napięcia stałego 0.2 Dzielniki normalizujące sygnał Zadaniem dzielnika napięciowego, rys.0.6, jest zmniejszenie wartości sygnału. u 2 u 2 ys.0.6 Schemat dzielnika napięcia skompensowanego częstotliwościowo Niektóre parametry dzielników napięcia: rezystancja wejściowa ( o - rezystancja obciążenia): we = + 2 o (0.2) podział napięcia: k = 2 2 + 2 (0.3) ćw. 3/str. 6
0.3 Wzmacniacze normalizujące - odwracający Wzmacniacz odwracający jest przedstawiony na rys.0.7. 2 u + u 2 3 ys.0.7 Schemat wzmacniacza odwracającego Podstawowe wielkości opisujące wzmacniacz: rezystancja wejściowa: we (0.4) wzmocnienie: k 2 (0.5) 0.4 Wzmacniacz normalizujący - nieodwracający. u 3 + r 2 u 2 ys.0.8 Schemat wzmacniacza nieodwracającego Podstawowe wielkości opisujące wzmacniacz: rezystancja wejściowa: wzmocnienie: we 3 3 + r r (0.6) ćw. 3/str. 7
k + 2 (0.7) 0.5 Przetwornik AC/DC Zadaniem przetwornika AC/DC jest przetworzenie sygnału wejściowego przemiennego na sygnał zmienny odpowiadający modułowi sygnału wejściowego lub będący tylko jego dodatnią (ujemną) częścią. Przykład takiego układu jest na rys.0.9. 2 2 D + 3 4 D 2 ys.0.9 Schemat dokładnego detektora jednopołówkowego 0.6 Wzmacniacz całkujący Przykład wzmacniacza całkującego przedstawiono na rys.0.0. Dla wzmacniacza całkującego uproszczony wzór ma postać wzoru (0.8) t t 2 2 = k u u(t)dt = u(t) dt (0.8) C C 0 0 C 2 u + u 2 3 ys.0.0 Schemat wzmacniacza całkującego ćw. 3/str. 8
Już po pierwszym okresie sygnał wyjściowy osiąga wartość średnią. Ze wzrostem stałej czasowej układu całkującego, sygnał wyjściowy zmierza do wartości stałej. 0.7 Wzmacniacz selektywny z układem 2T W układach elektronicznych jest korzystne ograniczanie pasma przenoszonych częstotliwości z uwagi na czułość urządzenia, odporność na zakłócenia, stabilność pracy itp. Jako układy selektywne wykorzystywane są w obszarze małych częstotliwości ( do 0MHz) mostek Wiena i układ 2T (mostek 2T). Przykład wzmacniacza selektywnego środkowoprzepustowego przedstawiono na rys.0.. C C 0,5 2C u + u 2 2 ys.0. Schemat wzmacniacza selektywnego ω o = C (0.9) 0.8 Generatory Generatory systematyzuje się według różnych cech np.: zakresu generowanych częstotliwości : generatory częstotliwości podakustycznych ( 0,00 Hz 20 Hz), generatory częstotliwości akustycznych ( 20 Hz 20 khz), generatory częstotliwości ponadakustycznych ( 20 khz 200 khz), generatory wielkiej częstotliwości ( 00 khz 50 MHz), generatory bardzo wielkiej częstotliwości ( 50 MHz 300 GHz), kształtu generowanego przebiegu : generatory napięć sinusoidalnych, ćw. 3/str. 9
impulsów prostokątnych, przebiegów trójkątnych i piłokształtnych, generatory szumów, generatory dewiacyjne. Sygnałów wzorcowych: generatory kwarcowe, generatory z atomowym wzorcem częstotliwości itd. W laboratoriach stosuje się generatory pomiarowe, którego schemat funkcjonalny przedstawia rys. 0.2. wzmacniacz mocy wy generator wzbudzający wzmacniacz separator woltomierz częstościomierz dzielnik napięcia ys.0.2 Schemat funkcjonalny generatora pomiarowego Blok generatora wzbudzającego dla generatorów pracujących w danym paśmie częstotliwości to np.: wzmacniacz z mostkiem Wiena, (0,-)MHz., generatory Hartleya, Meissnera, Colpittsa (-000)MHz Schemat generatora wzbudzającego z mostkiem Wiena przedstawiono na rysunku rys.0.3. we - + C wy C 2 ys.0.3. Schemat układu generatora z mostkiem Wiena ćw. 3/str. 0
W generatorze tym, w sprzężeniu zwrotnym, zastosowano układ mostkowy. Przez odpowiedni dobór wartości elementów mostka uzyskuje się spełnienie warunków generacji. Generatory pomiarowe C są budowane na zakres częstotliwości 0, Hz do MHz. Częstotliwość sygnału wyjściowego jest regulowana w sposób ciągły jednocześnie zmieniając wartości obu rezystorów oraz skokowy przy jednoczesnej zmianie wartości pojemności kondensatorów C. Napięcie wyjściowe z generatorów pomiarowych C odznacza się małym współczynnikiem zniekształceń nieliniowych (poniżej 0,%) oraz dużą stabilnością częstotliwości (,5 0-4 ). 0.9 Pomiar wybranych parametrów zasilaczy Właściwości zasilaczy podzespołów lub przyrządów pomiarowych wpływają na parametry ich pracy. Pomiar zakresu regulacji napięcia stabilizowanego, charakterystyki obciążeniowej, rezystancji dynamicznej można przeprowadzić w układzie przedstawionym na rys. 0.4. oscyloskop zasilacz A V = V ~ s ys.0.4 kład do pomiaru parametrów zasilacza Zakres regulacji napięcia stabilizowanego dotyczy takiego przedziału zmian napięcia, w którym parametry jego są w granicach podanych w instrukcji. Do nich należy zaliczyć obciążenie znamionowe, współczynnik szumów i współczynnik tętnień. Obciążenie znamionowe - to maksymalna wartość prądu, która nie powoduje przekroczenia współczynnika tętnień i uszkodzenia zasilacza rys 0.5. szkodzenie zasilacza może nastąpić po przekroczeniu maksymalnej mocy P max. Na rys.0.5 narysowane są linią przerywaną wykresy mocy traconej w elemencie końcowym zasilacza dla 3 napięć wyjściowych 5V, 0V, 5V - 5, 0, 5 =f(i 0 ) oraz wykres maksymalnej mocy - P max =f(i 0 ) Miejsca przecięć linii z wykresów mocy, mówią o maksymalnej wartości prądu, jaki może dać zasilacz dla danych wartości napięć. Wartości tych napięć zaznaczone są punktami na wykresach przedstawiających zmianę napięcia zasilacza w funkcji ćw. 3/str.
pobieranego prądu (linie ciągłe). Linia ciągła poprowadzona przez te punkty przecina się z osią prądu obciążenia I 0 =3,A. Przy mniejszych napięciach wyjściowych można pobierać z zasilacza mniejszy prąd ponieważ różnica napięć pomiędzy napięciem z transformatora po wyprostowaniu i odfiltrowaniu, a napięciem wyjściowym, rośnie wraz ze zmniejszaniem się napięcia wyjściowego z zasilacza. Tym samym wzrasta moc tracona w elemencie zasilacza (w stabilizatorze). 5, 0, 5 =f(i 0 ) P max =f(i 0 ) P 5,P 0,P 5 =f(i 0 ) 6 4 2 0 8 r 5,r 0,r 5 =f(i 0 ) 6 4 2 0 300 900 2500 300 3700 4300 4900 I 0 ys.0.5 Wykresy właściwości zasilacza w funkcji prądu obciążenia: u=5,0,5 =f(i 0 ), P max =f(i 0 ), P u=5,0,5 =f(i 0 ), r u=5,0,5 =f(i 0 ), Prąd maksymalny Ponieważ w zasilaczach maksymalny prąd obciążenia jest przyjmowany jako jedna wartość, wobec tego ten zasilacz, z punktu widzenia mocy, jaką można w nim stracić, może pracować z maksymalnym prądem do I max =3 A. ezystancja dynamiczna Na rys.0.5 przedstawiono również przebieg zmian wartości rezystancji dynamicznej r= f(i 0 ), której wartość można obliczyć ze wzoru (0.0) z wykresu =f(i 0 ) r = (0.0) I 0.9 Pomiar wybranych parametrów generatorów Na rys.0.6 przedstawiono układ do pomiaru niektórych właściwości generatorów. ćw. 3/str. 2
Pomiar zniekształceń nieliniowych h mzh - jest to miernik zniekształceń nieliniowych, którym mierzy się współczynnik zniekształceń nieliniowych h. Wartość tego współczynnika jest podawana w %, a rzadziej w db. Obserwując na oscyloskopie sygnał wyjściowy z miernika zniekształceń (jest to sygnał badany pozbawiony składowej podstawowej) można wyodrębnić w nim zakłócenia pochodzące z sieci zasilającej 50Hz, inne wzbudzenia wewnętrzne badanego generatora lub pochodzące z innych źródeł zewnętrznych o charakterystycznej wartości częstotliwości. mzh oscyloskop częstościomierz generator V d ys.0.6 kład do badania generatora Pomiar częstotliwości. Częstościomierz w układzie pomiarowy pozwala na pomiar częstotliwości generowanych, można również dokonać nim pomiaru stabilności częstotliwości Pomiar rezystancji wyjściowej. Pomiar rezystancji wyjściowej generatora przeprowadza sie przez pomiar napięcia wyjściowego dla dwóch wartości rezystancji obciążenia generatora d, - dla rezystancji nieskończenie dużej oraz i - dla rezystancji o wartości di i oblicza się ja według wzoru (0.) zakładając, że składowa bierna impedancji wyjściowej jest do pominięcia i ( zwyi = = i di i i ) di = (0.) ćw. 3/str. 3
IV. Program ćwiczenia. Pomiary wybranych parametrów zasilacza stabilizowanego: zakresu regulacji napięcia wyjściowego wy, charakterystyki obciążeniowej zasilacza wy= f(io), wyznaczenie wartości rezystancji wyjściowej i rezystancji dynamicznej. Pomiar współczynnika tętnień, obserwacja na oscyloskopie przebiegu składowej zmiennej. 2. Pomiary wybranych właściwości generatora funkcyjnego, sprawdzenie skalowania wybranego zakresu częstotliwości, pomiar współczynnika zniekształceń nieliniowych, charakterystyki obciążeniowej generatora. Obliczenie wartość impedancji wyjściowej dla f=khz, wyznaczenie zakresu zmian napięcia wyjściowego przy dopasowaniu impedancji. 3. Pomiar w wybranych punktach toru przyrządu pomiarowego wartości napięć mierzonego sygnału i obliczenie wartości współczynników przetwarzania toru woltomierza, regulacja wzmocnienia, wyznaczenie pasma przenoszonych częstotliwości. V. Pytania kontrolne. Podać definicje parametrów źródeł napięcia i prądu stałego, 2. Podać definicje parametrów źródeł napięcia i prądu przemiennego, 3. Przedstawić metodę pomiaru rezystancji wyjściowej przetwornika, 4. Omówić układ do pomiaru charakterystyki przenoszenia wzmacniacza, 5. Omówić pojęcie szerokość pasma 6. Omówić pojęcie współczynnik zniekształceń nieliniowych, 7. Omówić pojęcie współczynnik tętnień 8. Omówić pojęcie rezystancji dynamicznej zasilacza VI. Literatura. Piotrowski J., Podstawy miernictwa WNT Warszawa 2002 2. Badźmirowski K., i inni, Miernictwo elementów półprzewodnikowych i układów scalonych, WKŁ Warszawa 984. 3. Horowitz P., Hill W., Sztuka elektroniki, WKŁ, Warszawa 997 4. Jellonek A., Karkowski Z., Miernictwo radiotechniczne WNT Warszawa 972 5. ylski A., Metrologia II prąd zmienny, zeszów, OWPz, 2006. 6. Sydenham P.H; Podręcznik metrologii, WK Warszawa 990. 7. omer E.,Miernictwo przemys³owe ćw. 3/str. 4