POMIARY PARAMETROW SYGNALOW

Białostocka
Politechnika
Wydział Elektryczny
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Metrologii
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu
METROLOGIA
Kod przedmiotu
TS1C 200 008
Kod AK
Ćwiczenie pt.
POMIARY PARAMETRÓW SYGNAŁÓW
OKRESOWYCH OSCYLOSKOPEM CYFROWYM
Numer ćwiczenia
M 16
Opracował:
dr inż. Adam Idźkowski
Białystok 2015
Wszystkie prawa zastrzeżone.
Wszystkie nazwy handlowe i towarów występujące w niniejszej
instrukcji są znakami towarowymi zastrzeżonymi lub nazwami
zastrzeżonymi odpowiednich firm odnośnych właścicieli.
2
1.
Wprowadzenie
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z właściwościami
pomocniczego sprzętu pomiarowego, który będzie używany przez nich
w trakcie ćwiczeń laboratoryjnych z metrologii.
W instrukcji tej zawarte są opisy, objaśnienia, wskazówki i pytania
kontrolne dotyczące najważniejszych wiadomości z zakresu obsługi
oscyloskopu cyfrowego. Oscyloskop jest jednym z najważniejszych i najbardziej
uniwersalnych przyrządów pomiarowych.
Jego cenną zaletą jest zdolność wyświetlania na ekranie nieruchomych
obrazów sygnałów elektrycznych zmiennych w czasie. Przedmiotem ćwiczeń
będą pomiary parametrów sygnałów okresowych z uwzględnieniem
prawidłowego sposobu skalowania przebiegu na ekranie oscyloskopu.
2. Płyta czołowa i interfejs użytkownika oscyloskopu
Jedną z pierwszych czynności, jaką należy wykonać przed rozpoczęciem
obsługi oscyloskopu, jest zaznajomienie się z jego płytą czołową (Rys. 1).
Rys. 1a. Płyta czołowa oscyloskopu serii DS5000.
3
Rys. 1b. Wejścia, pokrętła, przyciski oscyloskopu cyfrowego.
a. Wejścia oscyloskopu
Na płycie czołowej znajdują się dwa wejścia (kanały) oscyloskopu oznaczone
jako CH1 i CH2 (Rys. 1b), do których można podłączyć sygnały napięciowe.
EXT TRIG jest wejściem zewnętrznego wyzwalania (nie będzie wykorzystywane
w ćwiczeniach).
przewód
ekranowany
Źródlo
napięcia OUT
elektryczngo
Oscyloskop
sygnal
masa
CH1
Rys. 2. Sposób podłączenia źródła napięcia do wejścia CH1 oscyloskopu.
4
Sposób podłączania oscyloskopu do źródła napięcia jest przedstawiony na
Rys. 2. Można to zrobić przy pomocy przewodu ekranowanego (Rys. 3).
Rys. 3. Przewód ekranowany z wtykami BNC - sygnał na żyle w środku, masa na obudowach
wtyków i ekranie przewodu.
Aby uniknąć uszkodzenia oscyloskopu, należy pamiętać aby napięcie
wejściowe na złączu BNC (wejściu kanału) nie przekraczało wartości
Vmax= 400 V. Impedancja wejściowa wynosi 1M (wg noty na płycie
czołowej).
b. Parametry przebiegu napięcia okresowego
Przypomnienie z teorii obwodów:
 Um– amplituda napięcia,
 Usk– wartość skuteczna napięcia (
2
– wzór prawdziwy tylko dla
sinusoidy),
 ω – pulsacja (ω 2πf, gdzie f – częstotliwość),
 T – okres (
1
),
 φu - kąt fazowy napięcia .
5
Na Rys. 4 przedstawiono oznaczenia parametrów sygnału napięciowego
stosowane w oscyloskopach cyfrowych.
Vmax
Vpp
Vrms
Vavg
Period
Rys. 4. Oznaczenia mierzonych parametrów stosowane w oscyloskopie (z ang. max –
maximum (maksymalna), rms – root mean square (skuteczna), pp – peak-to-peak
( iędzy zczytowa), avg average (średnia).
c. Przyciski i pokrętła oscyloskopu
Przyciski współpracują z MENU wyświetlanymi na ekranie oscyloskopu
i pozwalają uzyskać dostęp do wielu jego własności związanych z kanałami
CH1 i CH2, a także np. do funkcji matematycznych MATH.
Pokrętła (SCALE, POSITION) służą m.in. do ustawiania współczynników
skali i regulacji położenia przebiegu w kierunku pionowym (napięcie)
i poziomym (czas - w trybie pracy Y-T). VERTICAL oznacza kierunek pionowy,
a HORIZONTAL – kierunek poziomy. Współczynniki skali osi pionowej są
określone w woltach (czułość), a osi poziomej w sekundach (podstawa czasu).
Ich wartości są pokazywane na dolnym pasku ekranu oscyloskopu.
Przed pomiarem (np. amplitudy) oscylogram powinien być dobrze
wyskalowany w osi pionowej i poziomej (Rys. 5). Dobre wyskalowanie
wpływa na dokładność podawanych parametrów napięciowych i czasowych
badanego sygnału. Wyniki mogą być podawane automatycznie
przez
oscyloskop na ekranie lub obliczane przez użytkownika na podstawie liczby
odczytanych działek z podziałki i mnożenia jej przez wartość współczynnika
skali).
6
Dobrze
wyskalowany
przebieg
napięcie w woltach
Źle
wyskalowane
przebiegi
czas w sekundach
Tryb Y-T
Rys. 5. Przebiegi na ekranie oscyloskopu dobrze i źle wyskalowane.
d. Blok odchylania pionowego – ustawienia kanałów
Każdy z kanałów oscyloskopu ma własne menu obsługowe, które rozwija się po
naciśnięciu odpowiedniego przycisku CH1 lub CH2. Ustawienia wszystkich
pozycji MENU są przedstawione w poniższej tablicy.
Tablica 1.
Menu
Ustawienia
AC
COUPLING
DC
Typ sygnału
GND
wejściowego
BW LIMIT
Wł.
Ograniczenia
szerokości
Wył.
pasma
1X
10X
PROBE
100X
Sonda
1000X
DIGITAL
FILTER
Filtr cyfrowy
Skokowo
(Coarse)
Volts/div
Płynnie
(Fine)
Wł.
INVERT
Wył.
Odwrócenie
Komentarze
Wybranie typu AC blokuje składową DC sygnału. Przy
wybraniu typu DC przechodzi zarówno składowa DC jak i AC
Wybranie typu GND odłącza sygnał wejściowy.
Ogranicza szerokość pasma kanału do 20 MHz w celu redukcji
wyświetlania zakłóceń.
Po wybraniu ,,Wył." otrzymuje się pełne pasmo.
Ustawić tłumienie sondy tak, aby dopasować je do czułości
odchylania pionowego oscyloskopu (domyślnie 1X)
Ustawienia filtru cyfrowego
Przełącznikiem tym wybiera się zgrubnie rozdzielczość
regulacji pokrętłem skali SCALE w sekwencji skoków 1-2-5.
Dokładne zmiany rozdzielczości małymi skokami między
nastawami zgrubnymi.
Włączenie funkcji odwrócenia sygnału wejściowego.
Przywrócenie oryginalnego wyświetlania przebiegu.
7
Na Rys. 6. pokazano wpływ składowej stałej na wartość parametrów przebiegu
napięcia sinusoidalnego. Wybór trybu sprzężenia COUPLING AC spowoduje
zablokowanie składowej stałej (na rysunku sinusoida grubsza, czarna). Jeśli
natomiast przebieg ma być widziany ze składową stałą, to należy wybrać
COUPLING DC. Należy pamiętać, że wartości parametrów napięciowych
(Vmax, Vrms, Vavg) podawane na ekranie będą różne w obu trybach
sprzężenia.
Bez składowej
stałej
Ze składową
stałą
napięcie
Vmax+VDC
Vmax
składowa stała
Vavg=VDC
VDC
Vavg=0
czas
Tryb Y-T
Rys. 6. Przebieg sinusoidalny ze składową stałą i bez składowej stałej.
Maksymalne napięcie Vmax, które można zmierzyć przy pomocy oscyloskopu
wynosi 400 V. Do pomiaru napięć powyżej 40 V należy wykorzystać sondę
(Rys. 7), która zawiera dzielnik napięcia o przekładni 10.
Rys. 7. Fabryczna sonda przełączana 1x lub 10x (z dzielnikiem napięcia o przekładni 10),
przewód z „krokodylkiem” podłącza się do masy.
8
Do pomiaru dużych (większych niż 40 V) różnic potencjałów można
wykorzystać sondę TESTEC TT-SI 9001 (Rys. 8). Dodatkowo, sonda ta
separuje masę badanego układu od masy (i uziemienia) oscyloskopu. Dane
techniczne tej sondy przedstawione są w Tablicy 2.
Rys. 8. Sonda TESTEC TT-SI 9001.
Tablica 2.
Dane techniczne sondy
Maksymalne napięcie wejściowe
±70 V (DC + peak AC)
(w zależności od wyboru współczynnika
lub
podziału 1:10 lub 1:100)
±700 V (DC + peak AC)
Maksymalne napięcie wyjściowe
±7 V (DC + peak AC)
Pasmo
0-25 MHz
Impedancja wejściowa sondy
4 MΩ / 5,5 pF
Dokładność
±2%
Wymiary
170 x 63 x 21 mm
Zasilanie
+6 V DC lub 4 baterie AA
Uwaga: Wyjście BNC sondy musi być podłączone do wejścia CH1 oscyloskopu, a
dodatkowy (czarny) przewód sondy musi być połączony z uziemieniem oscyloskopu.
9
e. Blok odchylania poziomego – ustawienia podstawy czasu
Na ekranie oscyloskopu można odczytać ustawioną wartość podstawy czasu
(podziałki skali) w jednostkach czasu na działkę (1 cm). Ze względu na to, że
wszystkie aktywne (wyświetlone) w danym momencie przebiegi wykorzystują
tę samą podstawę czasu, oscyloskop wyświetla jedną wartość dla wszystkich
aktywnych kanałów, z wyjątkiem, gdy używa się funkcji Delayed (opóźnionego
odchylania).
Aby wyświetlić menu podstawy czasu (odchylania poziomego), należy
nacisnąć przycisk MENU. Ustawienia tego menu są wyszczególnione w poniższej
tablicy:
Tablica 3.
Menu
Ustawienia
Wł.
Wył.
DELAYED
Opóźnienie
TIME BASE
Tryb pracy
(podstawa
czasu)
Y-T
X-Y

Komentarze
Wejście w tryb opóźnionego odchylania.
Wyłączenie trybu opóźnionego odchylania
Przedstawia zależność napięcia na osi pionowej w funkcji
czasu na osi poziomej.
Przyporządkowuje wartości w kanale CH1 osi X, a
wartości w kanale CH2 osi Y.

 Znak ten zaznacza położenie w pamięci






Rys. 9. Znaki i pasek stanu.
10
punktu wyzwalania.
Znak ten „[
]” reprezentuje aktualne
położenie przebiegu w pamięci.
Znak ten zaznacza położenie punktu
wyzwalania w oknach przebiegu.
Pasek stanu - wyświetlona ustawiona
wartość podstawy czasu (głównej
podstawy czasu).
Pasek stanu - ustawiona wartość offsetu
wyzwalania
podstawy
czasu
w
odniesieniu do środka okna.
Ważne uwagi:
Y-T:
Konwencjonalny format wyświetlania oscyloskopu. Przedstawia on jak
napięcie przebiegu (na osi pionowej) zmienia się z czasem (na osi poziomej).
X-Y:
Format wyświetlania na osi poziomej wartości napięcia sygnału z kanału 1,
a na osi pionowej napięcia sygnału z kanału 2.
f. Pomiar automatyczny (MEASURE)
Aby wyświetlić MENU ustawień pomiaru automatycznego, należy
nacisnąć przycisk MEASURE. Przyciskami z prawej strony ekranu można
dokonywać ustawień i mierzyć parametry wymienione w Tablicach 4-6.
Tablica 4.
Menu
Źródło
(Source)
Ustawienia
Komentarze
CH1
Kanał 1 jako źródło mierzonego sygnału,
CH2
Kanał 2 jako źródło mierzonego sygnału.
Napięcie (Voltage)
Czas
(Time)
Wyczyść
(Clear)
Pokaż wszystko
(Display All)
-
Napięcie jako mierzony parametr. Patrz Tablica 4.
-
Czas jako mierzony parametr. Patrz Tablica 5.
-
Kasowanie wyników pomiaru wyświetlony na ekranie.
Wył.
Wł.
Wyłączyć wyświetlanie wszystkich wyników pomiaru.
Włączyć wyświetlanie wszystkich wyników pomiaru.
Pomiar napięcia – wybrane parametry (patrz też Rys. 4)
Tablica 5.
Menu
Vpp
Komentarz
Wartość międzyszczytowa napięcia
Vmax
Napięcie maksymalne (MAX)
Vmin
Napięcie minimalne (MIN)
Vavg
Wartość średnia napięcia (AVG)
Vrms
Wartość skuteczna napięcia (RMS)
Vamp
Wartość amplitudy napięcia (podwojona)
11
Pomiar czasu – wybrane parametry (patrz też Rys. 4 i Rys. 10)
Tablica 6.
Menu
Komentarz
Częstotliwość (Freq)
Częstotliwość przebiegu okresowego (f)
Okres (Period)
Okres (T)
Czas narastania (Rise time)
Czas narastania impulsu (tr)
Czas opadania (Fall time)
Czas opadania impulsu (tf)
Rys. 10. Czas narastania i opadania impulsu napięciowego.
Uwaga:
Wyniki pomiarów automatycznych będą wyświetlane w dole ekranu. W tym
samym czasie można wyświetlić maksymalnie trzy wyniki. Następny, nowy
wynik pomiaru spowoduje przesunięcie na ekranie poprzednich wyników w lewo,
o jedno miejsce.
12
g. Pomiary przy pomocy kursorów
Aby włączyć kursory naciskamy przycisk CURSOR. Można wybrać
kursory pionowe (pomiar czasu, Rys. 11) lub poziome (pomiar napięcia, Rys. 12)
Rys. 11. Pomiar czasu przy pomocy kursorów [6].
Rys. 12. Pomiar napięcia przy pomocy kursorów [6].
Na ekranie pojawiają się dwa kursory w postaci linii. Jeden jest zawsze aktywny, a
drugi pasywny. W trybie manualnym kursor aktywny można przesuwać pokrętłem
POSITION (oscyloskopy serii DS5000). Na ekranie wyświetlane są zmierzone
różnice czasów lub poziomów napięć.
Kursory można wyłączyć przyciskiem związanym z menu ekranowym OFF.
13
Menu ekranowe dla kursorów
Menu
Ustawienia
Ręczny
Tryb (Mode)
(Manual)
Śledzenie
(Track)
Automatyczny
(Auto)
Napięcie
Typ (Type)
(Voltage lub Y)
Czas
(Time lub X)
Źródło (Source) CH1
CH2
MATH
Menu
Ustawienia
Napięcie
Cursor A
Czas
Napięcie
Cursor B
Czas
Komentarz
Tryby pomiaru z użyciem kursorów
Użyć kursor, aby zmierzyć parametry napięciowe
przebiegu
Użyć kursor, aby zmierzyć parametry czasowe
przebiegu
Wybrać jako źródło sygnału kanał 1
Wybrać jako źródło sygnału kanał 2
Wybrać jako źródło operacje matematyczne
Komentarz
Kręcąc pokrętłem regulacji położenia w pionie POSITION,
przesunąć kursor A w kierunku pionowym.
Kręcąc pokrętłem regulacji położenia w pionie
POSITION, przesunąć kursor A w kierunku poziomym.
Kręcąc pokrętłem regulacji położenia w pionie POSITION,
przesunąć kursor B w kierunku pionowym.
Kręcąc pokrętłem regulacji położenia w pionie
POSITION, przesunąć kursor B w kierunku poziomym.
Uwaga:
W oscyloskopie DS1052 naciskamy przycisk MENU ekranowego CurA lub CurB
i kręcimy pokrętłem znajdującym się przy przyciskach MENU (świeci się nad nim
pole z zaokrągloną strzałką).
14
Zadania (część A)
Sprzęt pomiarowy (uzupełnić brakujące dane)
Producent
Typ
RIGOL
DS5000 lub DS1052
Sonda oscyloskopowa
TESTEC
TT-SI 9001
Generator funkcyjny
NDN
JC5603P
Woltomierz cyfrowy
UNI-T
UT71D
Oscyloskop cyfrowy
Dekada rezystancyjna
Dekada pojemnościowa
Zadanie 1
skutecznej
–
Pomiary
amplitudy,
okresu,
wartości
Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu amplitudę, okres, wartość
międzyszczytową i wartość skuteczną zaproponowanego przez prowadzącego
sygnału okresowego (np. o kształcie sinusoidy). Schemat układu pomiarowego
przedstawiony jest na Rys. 13.
Generator
funkcyjny
przewód
ekranowany
Oscyloskop
Rys. 13. Schemat układu pomiarowego.
Wyniki odczytów i obliczeń zanotować w Tabelach 1 i 2.
Uwaga:
Zalecane jest, aby to zadanie każdy student wykonał samodzielnie!
15
Tabela 1. Wartości amplitudy i okresu wyznaczone na podstawie podziałki oscyloskopu oraz
współczynników skali osi pionowej i poziomej.
Współczynnik skali osi pionowej
(CH1)
Amplituda sygnału w centymetrach
ay =...........................mV/cm, V/cm
Amplituda w jednostkach napięcia
Vmax = ayhy.......................mV, V
niepotrzebne skreślić
hy = ...........................................cm
niepotrzebne skreślić
Współczynnik skali osi poziomej
(Time)
Okres sygnału w centymetrach
ax = ................ s/cm, ms/cm, s/cm
Okres sygnału w jednostkach czasu
T = axhx..........................s, ms, s
niepotrzebne skreślić
hx = ...........................................cm
niepotrzebne skreślić
Tabela 2. Pomiary automatyczne (przycisk MEASURE).
Amplituda w jednostkach napięcia
Vmax = ..............................mV, V
niepotrzebne skreślić
Wartość
skuteczna
(RMS) Vrms = ..............................mV, V
niepotrzebne skreślić
w jednostkach napięcia
Vpp= ..............................mV, V
Wartość międzyszczytowa
niepotrzebne skreślić
w jednostkach napięcia
T = ……..........................s, ms, s
Okres sygnału w jednostkach czasu
niepotrzebne skreślić
Zapisać przebieg z ekranu oscyloskopu na pendrive (prz ycisk STORAGE), t yp
pliku CSV. Prz yciskiem EXTERNAL otwiera się katalog plików zapisanych
na pendrive. Dalej: prz ycisnąć NEW FILE, wprowadzić nazwę pliku
i prz ycisnąć SAVE.
W sprawozdaniu należy sporządzić wykres punktowy na podstawie
zarejestrowanego pliku CSV . W tym celu trzeba otworzyć plik CSV
w arkuszu kalkulacyjnym MS Excel (najlepiej z poziomu menu Dane,
Z tekstu). Dane liczbowe w pliku CSV są oddzielone przecinkami.
Dodatkowo wartości liczbowe w pliku są z kropkami i należy zamienić
je na przecinki (Znajdź, Za ień).
Zamieścić przebieg z tytułem i opisanymi osiami. Zaznaczyć na
nim: Vmax, Vrms, T oraz Vpp. Zw rócić uwagę na korelację
pomiędzy wartościami zmierzonymi przy pomocy oscyloskopu,
a zaznaczonymi na wydrukowanym przebiegu.
16
Zadanie 2 – Badanie szeregowego obwodu RC - pomiar
amplitudy i okresu sygnału wejściowego i wyjściowego
Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu parametry sygnałów z generatora (U1) oraz
z wyjścia (U2) obwodu RC.
R
G
U1
C
U2
CH 2
CH 1
Rys. 14. Szeregowy obwód RC (G - generator NDN JC5603P, CH1 i CH2 – kanały
oscyloskopu).
1. Ustawić na generatorze napięcie sinusoidalne U1 o wartości międzyszczytowej
Vpp=10 V i częstotliwości f = 15 kHz (uwaga: ładowa tała <DC offset> na
generatorze powinna być równa 0).
2. Zmierzyć amplitudy sygnałów w kanałach CH1 i CH2.
a) przy pomocy podziałki oscyloskopu Vmax = ayhy,
gdzie: ay –współczynnik odchylenia pionowego w V/cm, hy – amplituda w cm,
b) automatycznie - przycisk MEASURE.
Tabela 3. Wyniki pomiaru amplitud dwiema metodami.
Napięcie U1
CH1
Napięcie U2
CH2
a)
b)
3. Zmierzyć okres sygnału wejściowego U1 lub wyjściowego U2:
a) przy pomocy podziałki oscyloskopu T = axhx,
gdzie: ax –współczynnik odchylenia poziomego w V/cm, hx – okres w cm,
b) automatycznie - przycisk MEASURE,
c) przy pomocy kursorów – przycisk CURSOR, Mode Manual (patrz str. 13-14).
17
Tabela 4. Wyniki pomiaru okresu trzema metodami.
a)
b)
c)
Okres T
Zadanie 3
sieciowego
-
Pomiar
wartości
skutecznej
napięcia
Uwaga:
Ze względu na bezpieczeństwo , montaż tego układu pomiarowego oraz
włączanie napięcia sieciowego należ y wykon ywać t ylko pod nadzorem
prowadzącego zajęcia!
Przy pomocy sondy TESTEC i oscyloskopu zmierzyć napięcie sieciowe
regulowane przy pomocy autotransformatora.
Parametry sygnału wejściowego (z autotransformatora)
U1 = od 0 do 260 V (RMS), f = 50 Hz
Kolejność czynności:
a. Zmontować układ według Rys. 15. Sprawdzić czy pokrętło (suwak)
autotransformatora jest na zerze. Pamiętać o podłączeniu przewodu
uziemienia sondy z uziemieniem oscyloskopu.
b. Ustawić woltomierz cyfrowy na napięcie zmienne (AC), zakres 1000 V
lub automatyczny.
c. Ustawić wartość współczynnik tłumienia (ang. attenuation ratio) sondy
TESTEC na 1:100. Włączyć sondę.
d. W oscyloskopie ustawić tłumienie sondy PROBE na 100X.
e. Poprosić prowadzącego o sprawdzenie układu i włączenie
autotransformatora do sieci. Włączyć włącznik WŁ.
f. Ustawiać kolejne wartości napięcia U1 na woltomierzu cyfrowym
(Tabela 5) i mierzyć wartość skuteczną za pomocą oscyloskopu.
Dokonywać odczytów U2 z oscyloskopu przy jak największym przebiegu
na ekranie. Wyniki zapisać w Tabeli 5.
18
Rys. 15. Schemat połączeń układu do pomiaru napięcia sieciowego (AT – autotransformator,
V- woltomierz cyfrowy UT71D).
Tabela 5. Pomiar wartości skutecznej napięcia sieciowego.
U1
V
U2
V
20
40
80
120
160
200
W sprawozdaniu należy:
Wyjaśnić prz ycz yny ewentualnych różnic wartości napięć U 1 i U 2 .
19
240
260
Zadania (część B)
Zadanie 4 - Pomiar przesunięcia fazowego pomiędzy
napięciem i prądem oraz wartości skutecznej prądu
w dwójniku szeregowym RC
Rys. 16 a. Napięcie i prąd są zgodne w fazie.
Rys. 16 b. Napięcie jest opóźnione względem
prądu o Δt.
Przypomnienie z teorii obwodów:
W przypadku obciążenia czysto rezystancyjnego kąt fazowy pomiędzy
napięciem a prądem wynosi Δφ=φu-φi=0°. Oznacza to, że napięcie i prąd są
zgodne w fazie (Rys. 11 a). W przypadku obciążenia czysto pojemnościowego
kąt fazowy pomiędzy napięciem a prądem wynosi Δφ=φu-φi= -90°. Przesunięcie
fazowe pomiędzy napięciem i prądem zasilającym dwójnik RLC zawiera się
w przedziale <-90º; +90º>.
W obwodzie RC napięcie jest opóźnione względem prądu (Rys. 16 b).
Opóźnienie Δt należy zmierzyć przy pomocy oscyloskopu w sekundach
i przeliczyć na kąt fazowy φ w stopniach.
Rys. 17. Schemat połączeń (G- generator NDN JC5603P, R – dekada rezystancyjna, C –
dekada pojemnościowa, R1 150 Ω dodatkowy rezystor wewnątrz „czarnego pudełka”
umożliwiający pomiar prądu, CH1 i CH2 – kanały oscyloskopu do pomiaru napięcia i prądu).
20
Kolejność czynności:
1) Połączyć obwód według Rys. 17. Dołączyć do „czarnego pudełka”
dekady: rezystancyjną i pojemnościową, generator funkcyjny G
i oscyloskop.
Dane: C = 0,054 F; Vpp = 6 V; f = 15 kHz, R z zakresu od 0 do 250 Ω.
(lub inne wartości podane przez prowadzącego)
2) Zmierzyć okres Tu sinusoidy napięcia zasilającego obwód:
 wcisnąć przycisk CURSOR;
 ustawić: Mode MANUAL, Type TIME (lub X),
Cursor A CH1, Cursor B CH1;
 przesuwać kursory (linie pionowe) kręcąc pokrętłem POSITION
(oscyloskopy serii DS5000) lub pokrętłem znajdującym się przy
przyciskach MENU (oscyloskop DS1052E), ustawić kursory
w punktach przejścia sygnału przez zero.
3) Zmierzyć przy pomocy kursorów opóźnienie Δt pomiędzy przebiegami
w obu kanałach (ustawienia jak wyżej ale tym razem Cursor A CH1, a
Cursor B CH2).
4) Obliczyć przesunięcie fazowe pomiędzy przebiegami korzystając
z zależności
 
360  t
.
Tu
5) Wyniki pomiarów i obliczeń wpisać do Tabeli 6.
6) Na podstawie wskazań oscyloskopu i wartości rezystancji R1 obliczyć
wartość skuteczną prądu płynącego przez ten obwód.
21
Tabela 6. Wyniki: wartości skuteczne napięć i prądu, okres, przesunięcie fazowe.
Ustawiona wartość rezystancji R=...................Ω
Okres
Tu
μs
Vrms(1)
V
( C H1 )
Opóźnienie
Δt
μs
Vrms(2)
mV
( C H2 )
Kąt fazowy
Δφ
°
Irms=Vrms(2)/R1
mA
W sprawozdaniu należy:
Zamieścić obliczenia teoretycznej wartości kąta fazowego pomiędzy napięciem a prądem dla
odczytanej wartości R z rezystora dekadowego oraz podanych wartości C i f .
Porównać teoretyczną wartość kąta fazowego z wartością zmierzoną przy pomocy
oscyloskopu.
Zadanie 5 – Wyznaczenie wartości rezystancji lub
pojemności, na podstawie pomiaru wartości przesunięcia
fazowego pomiędzy napięciem i prądem w dwójniku
szeregowym RC
Dane np: C = 0,054 F; Vpp = 6 V; f = 15 kHz, Δφ z zakresu od -20 do -50º
(lub inne wartości podane przez prowadzącego).
22
Zadanie 6 – Badanie szeregowego obwodu RC
Zmierzyć przy pomocy oscyloskopu parametry sygnałów z generatora (U1) oraz
z wyjścia (U2) obwodu RC (Rys. 18).
R
G
U1
C
U2
CH 2
CH 1
Rys. 18. Szeregowy obwód RC (G - generator NDN JC5603P, CH1 i CH2 – kanały
oscyloskopu).
a. Wyznaczanie charakterystyki amplitudowej
transmitancji napięciowej w obwodzie RC
i
fazowej
Transmitancję napięciowo-napięciową czwórnika w stanie jałowym (I2=0)
określamy jako iloraz napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego. W ogólnym
przypadku jest ona liczbą zespoloną. Charakterystyką amplitudową tej transmitancji
nazywamy stosunek amplitudy/wartości skutecznej napięcia wyjściowego do
amplitudy/wartości skutecznej napięcia wejściowego. Charakterystyką fazową
nazywamy przebieg wartości argumentu tej transmitancji w funkcji częstotliwości f
(lub pulsacji ω).
K u ( j ) 
U 2 ( j )
 K u ( )  e j arg Ku ( )
U 1 ( j )
U 2 ( )
U1 ( ) I
, arg K u ( )  arg U 2 ( )
K u ( ) 
2 0
23
arg U1 ( ) 0
I1
U1
wejście
I1
I2
czwórnik
U2
I2 wyjście
Rys. 19. Układ z Rys. 18 jako czwórnik.
Badany układ jest filtrem dolnoprzepustowym o częstotliwości granicznej
f gr 
1
.
2RC
Częstotliwość graniczna jest to wartość częstotliwości, dla której kończy się pasmo
przepustowe filtru. Stosunek amplitud U2/U1 równa się wtedy
.
Dla uproszczenia oznaczeń przyjmijmy dalej, że:
K u ( )  K u , arg K u ( )   .
Kolejność czynności:
1. W układzie z Rys. 18 nastawić na generatorze sygnał sinusoidalny
o amplitudzie U1=5 V. Dla każdej wartości częstotliwości f w zakresie od
100 Hz do 1 MHz zmierzyć amplitudę napięcia wyjściowego U2 oraz
przesunięcie Δt w czasie pomiędzy napięciem wyjściowym i wejściowym
(uwaga: oba przebiegi muszą być ustawione symetrycznie względem osi czasu,
a przesunięcie należy mierzyć przy pomocy kursorów). Zwrócić uwagę, aby
napięcie U1 było jednakowe dla wszystkich wartości częstotliwości.
2. Dla każdej wartości częstotliwości obliczyć moduł transmitancji Ku i
przesunięcie fazowe Δφ ze wzoru wzorów:
K u ( ) 
U 2 ( )
U1 ( ) I
  2
2 0
Wyniki pomiarów i obliczeń zapisywać w Tabeli 7.
24
t
T
 2ft .
Tabela 7. Wyniki pomiarów i obliczeń.
0,1
0,2
0,5
1
kHz
f
U2
V
Ku
-
Δt
μs
Δφ
rad
f
kHz
U2
V
Ku
-
Δt
μs
Δφ
rad
200
500
2
5
10
20
50
100
1000
Parametry obwodu RC:
R 10 kΩ, C 1 nF
W sprawozdaniu należy:
Nar ysować charakter ystykę amplitudową transmitancj i K u w funkcj i częstotliwości f.
Nar ysować charakter ystykę fazową transmitancj i K u w funkcj i częstotliwości f.
Obliczyć i zaznaczyć na wykresach częstotliwość graniczną f g r . Zastosować na osi
częstotliwości podziałkę logar yt miczną.
Charakteryst yki sporządzić w programie MS Excel lub wykreślić na papierze
milimetrowym. Zaznacz yć na nich charakteryst yki teoret yczne (idealne).
b. Pomiar stałej czasowej
Stała czasowa – Jest to czas, po którym składowa przejściowa maleje e-krotnie
względem swojej wartości początkowej (Rys.
20 i 21). Przy jej pomocy można
opisać czas osiągania stanu ustalonego w obserwowanym układzie, po zmianie
wartości sygnału wejściowego lub zmianie (komutacji) w obwodzie.
  RC – stała czasowa obwodu szeregowego RC
(4τ÷5τ) – czas trwania stanu nieustalonego w obwodzie RC lub RL.
25
Rys. 20. Przebieg napięcia na kondensatorze
po załączeniu źródła napięciowego DC
e - liczba Eulera ≈ 2,718
Rys. 21. Przebieg napięcia rozładowania
kondensatora w obwodzie RC.
Kolejność czynności:
1. W układzie z Rys. 18 ustawić napięcie prostokątne U1 o wartości
międzyszczytowej Vpp 10 V i częstotliwości f = 5 kHz.
2. Regulować pokrętłami SCALE i POSITION tak, aby otrzymać interesujący
fragment obrazu przebiegu w dużym powiększeniu (jak na Rys. 22 b.)
Rys. 22 a. Źle wyskalowany obraz przebiegu. .
Rys. 22 b. Dobrze wyskalowany obraz przebiegu.
3. Zmierzyć stałą czasową. W tym celu należy:
a) zmierzyć wartość międzyszczytową napięcia U2, zapisać do tabeli jako A.
b) posługując się definicją, zmierzyć stałą czasową τm (dla ładowania
i rozładowania kondensatora). Aby odnaleźć dokładną wartość stałej
czasowej i odpowiadającego jej napięcia wcisnąć przycisk CURSOR
i ustawić Cursors Mode na Track.
4. Obliczyć teoretyczną wartość τ stałej czasowej dla parametrów: R=10 kΩ
i C=1nF. Porównać zmierzoną wartość τm z wartością teoretyczną τ.
5. Wyniki zapisać do Tabeli 8.
26
Tabela 8. Wyniki pomiarów i obliczeń.
A
V
A
e
V
 1
A1  
 e
V
Ładowanie
τm
μs
τ
μs
Rozładowanie
W sprawozdaniu należy:
Naszkicować (dobr ze wyskalowane) pr zebiegi z oscyloskopu. Zaznaczyć na nich
stałą czasową. Skomentować wyni ki.
Literatura
1. Bolkowski S.: eoria obwodów ele trycznych, WNT Warszawa 2012.
2. Chwaleba A., Poniński M., Siedlecki A.: Metrologia elektryczna, WNT
Warszawa 2014.
3. Osiowski J., Szabatin J.: Pod tawy teorii obwodów T.1 i 3, WNT Warszawa
2008.
4. Kamieniecki A.: W półcze ny o cylo op: budowa i po iary, Wydawnictwo
BTC Legionowo 2009.
5. Rydzewski J. : Pomiary oscyloskopowe, WNT Warszawa 2007.
6. RIGOL DS5000 – instrukcja obsługi (user manual), http://www.rigol.com
Wymagane wiadomości
1. Parametry podstawowych przebiegów okresowych.
2. Definicje wartości średniej i skutecznej przebiegu okresowego.
3. Dzielnik napięcia.
27
4. Przebieg modułu i kąta fazowego impedancji elementów R L C
połączonych szeregowo i równolegle.
5. Wykresy wskazowe dla połączeń szeregowych i równoległych elementów
R L C.
6. Czwórnik, definicje transmitancji i stałej czasowej w szeregowym obwodzie
RC.
7. Definicja i podstawowe charakterystyki przy rezonansie napięć
w szeregowym obwodzie RLC.
Wymagania BHP
Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z instrukcją
BHP i instrukcją przeciw pożarową oraz przestrzeganie zasad w nich zawartych. Wybrane
urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym mogą posiadać instrukcje stanowiskowe.
Przed rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z instrukcjami stanowiskowymi wskazanymi
przez prowadzącego.
W trakcie zajęć laboratoryjnych należy przestrzegać następujących zasad.
 Sprawdzić, czy urządzenia dostępne na stanowisku laboratoryjnym są w stanie
kompletnym, nie wskazującym na fizyczne uszkodzenie.
 Sprawdzić prawidłowość połączeń urządzeń.
 Załączenie napięcia do układu pomiarowego może się odbywać po wyrażeniu zgody
przez prowadzącego.
 Przyrządy pomiarowe należy ustawić w sposób zapewniający stałą obserwację, bez
konieczności nachylania się nad innymi elementami układu znajdującymi się pod
napięciem.
 Zabronione jest dokonywanie jakichkolwiek przełączeń oraz wymiana elementów
składowych stanowiska pod napięciem.
 Zmiana konfiguracji stanowiska i połączeń w badanym układzie może się odbywać
wyłącznie w porozumieniu z prowadzącym zajęcia.
 W przypadku zaniku napięcia zasilającego należy niezwłocznie wyłączyć wszystkie
urządzenia.
 Stwierdzone wszelkie braki w wyposażeniu stanowiska oraz nieprawidłowości w
funkcjonowaniu sprzętu należy przekazywać prowadzącemu zajęcia.
 Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń nie
należących do danego ćwiczenia.
 W przypadku wystąpienia porażenia prądem elektrycznym należy niezwłocznie
wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych za pomocą wyłącznika bezpieczeństwa,
dostępnego na każdej tablicy rozdzielczej w laboratorium. Przed odłączeniem napięcia
nie dotykać porażonego.
28