1. Ćwiczenie wprowadzające
advertisement
1. Ćwiczenie wprowadzające 1. Ćwiczenie wprowadzające Celem ćwiczenia jest zapoznanie studenta z podstawowymi wielkościami fizycznymi używanymi w elektronice, z oznaczeniami elementów takich jak rezystory, kondensatory, cewki służących do budowy omawianych w dalszych ćwiczeniach układów, a także zaznajomienie z aparaturą wykorzystywaną podczas laboratorium. Szczegółowo zostaną przybliżone zasady konstrukcji układów elektronicznych w oparciu o schemat obwodu, student zaznajomiony zostanie z obsługą urządzeń zasilacza, generatora przebiegów oraz aparatury pomiarowej tj. woltomierza, amperomierza i oscyloskopu. Podczas zajęć do wykonania jest 10 zadań oznaczonych kolorem niebieskim, które pozwalają zapoznać się z działaniem aparatury, pomierzyć wielkości elektryczne elementów oraz układów, jak i również sprawdzić podstawowe prawa fizyki w praktyce. 1.1. Podstawy teoretyczne 1.1.1. Jednostki układu SI Wśród najczęściej używanych w elektronice jednostek układu SI znajdują się takie wielkości jak: Wielkość Oznaczenie czas t okres T częstotliwość f napięcie U prąd I Jednostka [s] sekunda [s] sekunda [Hz] herc [V] volt [A] amper Należy przy tym zwrócić uwagę, że częstotliwość jest równa odwrotności okresu i obie wielkości można wzajemnie przeliczać korzystając z zależności: f = 1/T. Przydatne przedrostki jednostek układu SI: p n µ m k M G - piko 10-12 - nano 10-9 - mikro 10-6 - mili 10-3 - kilo 103 - mega 106 - giga 109 np. pF np. ns np. µA np. mH np. kV np. MΩ np. GHz Szymon Szczęsny © 2011 1 1. Ćwiczenie wprowadzające 1.1.2. Oznaczenia elementów obwodów Podstawowe elementy obwodów elektrycznych posiadają swoje standardowe oznaczenia i jednostki: Symbol Opis Oznaczenie Jednostka Rezystancja R Ω (om) C F (farad) L H (henr) U V (volt) u, u(t) V (volt) I, J A (amper) Kondensator (pojemność) Cewka (indukcyjność) Źródło napięcia stałego (przeważnie bez oznaczeń +/-) Źródło napięcia zmiennego lub Źródło prądu stałego Rezystor, cewka oraz kondensator są elementami pasywnymi (inaczej biernymi), co oznacza, że bez doprowadzonego do ich zacisków napięcia prąd w nich nie płynie. Przeciwieństwem są elementy aktywne – na przykład źródła z powyższej tabeli, które powodują przekształcenie energii elektrycznej. W ramach tej definicji elementem aktywnym są również elementy półprzewodnikowe (np. wzmacniacze). W układach prądu stałego cewka stanowi zwarcie, to znaczy, że jest ona najbardziej zbliżona do rezystora, gdyż jako element rzeczywisty w postaci nawiniętego przewodu posiada jedynie niewielką rezystancję. Kondensator w układzie prądu stałego stanowi z kolei przerwę, to znaczy, że prąd przez taki element nie płynie. Cewka i kondensator są tak zwanymi elementami reaktancyjnymi, których konduktancja wyrażona w tych samych jednostkach co rezystancja zależy od częstotliwości sygnałów zmiennych w układzie. Ponadto wśród często używanych oznaczeń schematów odnajdujemy poniższe symbole: Symbol Opis Masa Amperomierz Woltomierz Przełącznik Szymon Szczęsny © 2011 2 1. Ćwiczenie wprowadzające UWAGA: Podczas dokonywania pomiarów prądu i napięcia należy zwrócić uwagę na właściwe podłączenie aparatury pomiarowej. Woltomierz podłączać należy równolegle, z kolei amperomierz szeregowo. Bardziej szczegółowo sposób łączenia obu mierników zostanie omówiony w punkcie 1.2.2. podczas omawiania multimetru laboratoryjnego. 1.1.3. Oznaczenia rezystorów Z uwagi na stosunkowo nieduże gabaryty elementów, jakimi są rezystory, przyjęto uproszczone sposoby zapisu oznaczeń ich wielkości [2]. a) Oznaczenie cyfrowo-literowe IEC - opiera się o ideę przedrostków jednostek układu SI. W tej metodzie oznaczeń w miejscu przecinka pojawia się odpowiednia litera oznaczająca mnożnik wartości zapisanej cyframi: R – x 1, K – x 1000, M – x 1000000. Przykładowo: R24 – 0,24Ω 2R7 – 2,7Ω 68R – 68Ω 820R, K82 – 820Ω 56K – 56kΩ 4M7 – 4,7MΩ b) Na podobnej idei oparty jest standard MIL, gdzie mnożnikiem jest trzecia cyfra: 563 – 56kΩ 270 – 27Ω 472 – 4,7kΩ R47 – 0,47Ω Ponadto producenci podają często tolerancję, która wyraża dokładność wykonania elementu. Odpowiednie wartości tolerancji mają swoje symbole: N – 30%, M – 20%, K – 10%, J – 5%, G – 2%, H – 1%. c) Wielkość najmniejszych rezystorów nie pozwala na zastosowanie oznaczeń cyfrowych lub literowych, które byłby po prostu nieczytelne. Dlatego przyjęto powszechnie używanie oznaczeń w postaci kodu barwnych pasków. Liczba pasków waha się w przedziale 4 – 6: - dla 4 pasków – 2 pierwsze oznaczają wartość rezystancji, trzeci stanowi mnożnik, a czwarty określa wartość tolerancji; - dla 5 pasków – 3 pierwsze oznaczają wartość rezystancji, czwarty stanowi mnożnik, a piąty określa wartość tolerancji. System używany dla rezystorów o małej tolerancji błędu; - dla 6 pasków – tak, jak dla 5 pasków, przy czym szósty określa współczynnik temperatury Szymon Szczęsny © 2011 3 1. Ćwiczenie wprowadzające Kolor Srebrny Złoty Czarny Brązowy Czerwony Pomarańczowy Żółty Zielony Niebieski Fioletowy Szary Biały Brak x Wartość liczbowa 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - Mnożnik 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 10000000 100000000 1000000000 - Tolerancja 10% 5% 1% 2% 15% 0,5% 1,25% 0,1% 20% Przykład: 1.1.4. Oznaczenia kondensatorów + Kondensatory – podobnie jak i rezystory – były dawniej oznaczane kodem paskowym [3]. Na chwilę obecną większość producentów używa oznaczeń cyfrowo-literowych. Wartość pojemności zapisywana jest przy pomocy trzech cyfr. Dwie pierwsze to liczby znaczące, natomiast trzecia jest mnożnikiem, przez który należy pomnożyć wartość z dwóch pierwszych cyfr, aby uzyskać wynik zapisany w pikofaradach. Przykładowo: 220 – 22pF 564 – 560nF 105 – 1mF Ponadto dodatkowe oznaczenia informują o napięciu znamionowym (małe litery) oraz o dopuszczalnej tolerancji (duże litery). UWAGA! O ile rezystory i cewki są symetryczne, tzn. że kierunek ich polaryzacji (przyłączenie potencjałów dodatniego i ujemnego do wyprowadzeń) jest dowolny, o tyle w przypadku kondensatorów elektrolitycznych nieprawidłowa polaryzacja może spowodować jego uszkodzenie, a nawet wybuch. Kondensatory elektrolityczne w odróżnieniu od mniejszych kondensatorów ceramicznych posiadają na swoich obudowach oznaczenie w postaci znaków minusa „-" (często również czarnego lub szarego paska) nóżki, która powinna być dołączona do niższego potencjału niż druga z nóżek kondensatora. Poniżej przykłady oznaczeń kondensatorów elektrolitycznych [1]: Szymon Szczęsny © 2011 4 1. Ćwiczenie wprowadzające 1.1.5. Konduktancje zastępcze Kondensatory, cewki i rezystory są elementami standaryzowanymi, a to oznacza, że istnieją ustalone standardowe wartości tych elementów. By uzyskać wartości niestandardowe należy połączyć szeregowo lub równolegle kilka elementów według określonych reguł: 1) Rezystancja zastępcza szeregowego połączenia rezystorów jest sumą rezystancji obu rezystorów Rzastępcza = R1 + R2 2) Rezystancja zastępcza równoległego połączenia rezystorów jest równa stosunkowi iloczynu ich rezystancji do sumy ich rezystancji: 1 Rzastepcza = 1 1 RR + , Rzastepcza = 1 2 R1 R2 R1 + R2 3) Reguła 1) i 2) stosują się tak samo dla indukcyjności zastępczej połączeń szeregowego i równoległego cewek. 4) Pojemność zastępcza szeregowego połączenia kondensatorów jest odwrotnością sumy odwrotności pojemności każdego z tych kondensatorów Szymon Szczęsny © 2011 5 1. Ćwiczenie wprowadzające 1 C zastepcza = 1 1 + C1 C2 5) Pojemność zastępcza równoległego połączenia kondensatorów jest sumą pojemności obu kondensatorów: C zastepcza = C1 + C2 1.1.6. Obwody elektryczne Obwodem elektrycznym nazywamy połączenie elementów aktywnych i pasywnych w taki sposób, aby istniała co najmniej jedna droga zamknięta umożliwiająca przepływ prądu. Gałąź to fragment obwodu utworzony przez jeden lub kilka elementów połączonych ze sobą. Węzeł jest punktem obwodu elektrycznego, z którego wychodzą co najmniej trzy przewody (tzw. gałęzie). Oczko to zbiór gałęzi połączonych ze sobą tak, by tworzyły drogę zamkniętą dla prądu. Usunięcie dowolnej gałęzi z tego zbioru powoduje, że oczko nie tworzy już drogi zamkniętej. Poniżej przedstawiono przykład obwodu elektrycznego złożonego z trzech oczek oznaczonych czerwonymi literami rzymskimi i elipsami, trzech gałęzi oznaczonych zielonymi literami a, b i c oraz dwóch węzłów oznaczonych cyframi arabskimi 1 i 2: Amplituda sygnału okresowego jest równa maksymalnej wartości osiąganej przez sygnał harmoniczny. Dla przebiegu sinusoidalnego jest ona równa połowie wartości międzyszczytowej. Wartość międzyszczytowa to różnica modułów minimalnej oraz maksymalnej wartości sygnału harmonicznego. Wartość skuteczna prądu przemiennego to taka wartość prądu stałego, która w ciągu czasu równego okresowi sygnału zmiennego spowoduje odłożenie tej samej energii na oporniku. Dla sygnału sinusoidalnego daje się ona wyliczyć z zależności: Szymon Szczęsny © 2011 6 1. Ćwiczenie wprowadzające I= I MAX 2 , gdzie IMAX jest wartością amplitudy sygnału. 1.1.7. Prawo Ohma Zasadniczo istnieje kilka praw Ohma wiążących ze sobą wielkości napięcia, prądu, jego gęstości oraz rezystancji elementu, przez który płynie prąd – w tym z uwzględnieniem przekroju i długości użytego przewodnika. Podstawowe jest jednak tzw. Pierwsze prawo Ohma, które mówi, że: Natężenie prądu stałego I jest proporcjonalne do całkowitej siły elektromotorycznej w obwodzie zamkniętym bądź różnicy potencjałów U między końcami (wyprowadzeniami) części obwodu nie zwierającej źródeł siły elektromotorycznej. Współczynnikiem proporcjonalności jest konduktancja G będąca odwrotnością rezystancji R zmierzonej pomiędzy tymi wyprowadzeniami: I = GU , I = U R 1.1.8. Pierwsze prawo Kirchhoffa Pierwsze prawo Kirchhoffa mówi, że suma natężeń prądów wpływających do węzła jest równa sumie natężeń prądów wypływających z węzła. I1 + I2 = I3 + I4 + I5 I1 + I 2 + I 3 + ... + I n = 0 ∑I i =0 i 1.1.9. Drugie prawo Kirchhoffa Istnieją różne sposoby formułowania tego prawa, jednak z punktu widzenia skrótowego omówienia wcześniejszych zagadnień można by prawo to sformułować następująco: Suma wszystkich spadków napięć oraz sił elektromotorycznych źródeł napięcia jest równa zero w danym oczku nawet, jeśli oczko to jest elementem większego obwodu. Poniższy przykład ilustruje drugie prawo Kirchhoffa. Jest to fragment większego obwodu, w którym zaznaczono czerwonym kolorem jedno z oczek. Strzałka pokazuje umownie przyjęty Szymon Szczęsny © 2011 7 1. Ćwiczenie wprowadzające kierunek odczytywania oczka zaczynając od źródła napięcia U1, poprzez rezystory R2, R3 i na źródle U2 kończąc. Równanie tego oczka ma następującą postać: U1 – i2·R2 – i4·R3 – U2 = 0 U1 – U2 = i2·R2 + i4·R3 1.2. Aparatura w laboratorium W skład zestawu laboratoryjnego wchodzi: a) Płyta prototypowa Breadboard b) multimetr RIGOL DM3051 c) uniwersalne urządzenie zasilające NDN DF6911 z generatorem funkcyjnym, zasilaczem stałoprądowym oraz izolowanym galwanicznie miernikiem d) oscyloskop RIGOL DS1022CD 1.2.1. Płyta prototypowa Breadboard Szymon Szczęsny © 2011 8 1. Ćwiczenie wprowadzające Do łączenia elementów służy prototypowa płyta stykowa złożona, której otwory ułożone są w cztery kolumny. Dwie, najszersze środkowe kolumny zawierają 64 wiersze – każdy po pięć zwartych ze sobą otworów. Dwie zewnętrzne kolumny – każda po 100 otworów – posiadają połączenia takie, jak zaznaczono kolorowymi liniami na powyższym rysunku. 1.2.2. Obsługa multimetru RIGOL DS1022CD Multimetr jest uniwersalnym urządzeniem pomiarowym pozwalającym m*ierzyć wartości elementów pasywnych (rezystancję 4., pojemność 5.), wartości napięć i prądów stałych 2. oraz wartości skuteczne napięć i prądów zmiennych 3. Multimetr posiada również tester diod 7. oraz detektor zwarć 6. wykorzystywany przy analizie poprawności obwodu. Multimetr włącza się przy użyciu przycisku 1. Po prawej stronie znajdują się wejścia pozwalająca dołączyć przewody, którymi bada się poszczególne wielkości w obwodzie. Ich zastosowanie jest następujące: a) wejście 8. wraz z wejściem 10. pozwala na badanie rezystancji, pojemności, napięć stałych i zmiennych, testowanie diod oraz użycie detektora zwarć. b) Wejście 9. wraz z wejściem 10. pozwala na badanie prądu stałego i zmiennego Uwaga! Badanie rezystancji dokonywane może być tylko i wyłącznie przy braku napięcia w badanym obwodzie. Miernik rezystancji bardzo łatwo można uszkodzić podłączając go do nawet niewielkiej różnicy potencjałów. Woltomierz dołączany jest równolegle, to znaczy, że badanie napięcia, czyli wpięcie woltomierza do badanego układu nie wymaga rozłączania układu. Wyprowadzenia 8 oraz 10 z multimetru powinny być dołączone do dwóch różnych punktów w obwodzie, pomiędzy którymi chcemy zmierzyć napięcie. Amperomierz dołączany jest szeregowo w układzie, a to oznacza, że obwód musi zostać rozłączony w punkcie, w którym chcemy zmierzyć przepływ prądu. Poniższe schematy ilustrują obie sytuacje: pomiar spadku napięcia w gałęzi AB zawierającej rezystor R oraz pomiar prądu płynącego przez ten rezystor: Szymon Szczęsny © 2011 9 1. Ćwiczenie wprowadzające Uwaga! Amperomierz stanowi zwarcie, dlatego należy zachować ostrożność włączając go w obwód elektryczny. Przykładowo - amperomierz włączony na dwóch zaciskach źródła spowoduje jego zwarcie i może doprowadzić do uszkodzenia aparatury pomiarowej lub zasilającej. Zadanie 1. Pomiar elementów pasywnych Przy pomocy płyty prototypowej i multimetru dokonać pomiaru wartości rezystancji i pojemności dla dwóch dowolnych rezystorów i kondensatorów. Czy wartości wskazywane przez miernik są zgodne z oznaczeniami elementów? Za pomocą detektora zwarć sprawdź schemat połączeń płyty prototypowej. 1.2.3. Obsługa modułu NDN DF6911 W skład modułu wchodzi generator przebiegów funkcyjnych (na poniższym rysunku oznaczony jako I.), izolowany galwanicznie od reszty układu multimetr (oznaczenie II.) oraz zasilacz stałoprądowy (III.). 1.2.3.1. Obsługa zasilacza stałoprądowego (III.) Zasilacz stałoprądowy (DC POWER SUPPLY) jest elementem uniwersalnego urządzenia zasilającego NDN DF6911. Posiada on włącznik oznaczony jako POWER ON, OFF, Szymon Szczęsny © 2011 10 1. Ćwiczenie wprowadzające przełącznik DISPLAY SELECTION pozwalający na wybór trybu zasilania (A – źródło prądowe, V – źródło napięciowe). Po prawej stronie znajduje się 6 wyprowadzeń tzw. gniazd bananowych. Czarnym kolorem oznakowany jest potencjał niższy (-), czerwonym potencjał wyższy (+). Dwa górne wyprowadzenia stanowią źródło napięcia stałego o wartości 5V lub źródło prądu stałego o wartości 2A. Środkowa para wyprowadzeń stanowi źródło napięcia stałego o wartości 15V lub źródło prądu stałego o wartości 1A. Dolna para jest źródłem sterowanym, którego wartość zmieniająca się w zakresie od 0 – 30V lub 0 – 1A zależy od wartości ustalonej za pomocą pokręteł Voltage oraz Current. Oba pokrętła oprócz tego, że pozwalają ustawić wartość wymuszenia, która wyświetlana jest na wyświetlaczu LCD, działają również jako ograniczniki napięcia lub prądu. Przykładowo – istnieje możliwość ustalenia w trybie napięciowym maksymalnej wartości napięcia równej 5V, a następnie w trybie prądowym regulacja prądu będzie odbywała się w zakresie od 0A aż do wartości, w której na zaciskach źródła napięcie wynosić będzie 5V. Rozwiązanie to znajduje zastosowanie w przypadku testowania układów, dla których określony jest dopuszczalny prąd lub dopuszczalne napięcie zasilania. Zadanie 2. Źródło napięciowe Ustaw zasilacz w trybie napięciowym. Sprawdź przy pomocy multimetru RIGOL DM3051 wartość napięcia, na zaciskach górnej i środkowej pary wyprowadzeń z zasilacza. Czy wartość ta zależy od ustawień pokręteł CURRENT i VOLTAGE? Sprawdź wartość napięcia na dolnej parze wyprowadzeń. Czy wartość ta zmienia się w wyniku operacji pokrętłem VOLTAGE? Czy wartość ta pokrywa się z wartością na wyświetlaczu LCD zasilacza? Jaki jest efekt całkowitego przekręcenia pokrętła CURRENT w lewą stronę? Zadanie 3. Źródło prądowe Ogranicz wartość dopuszczalną napięcia do 5V dla dolnej pary wyprowadzeń. Następnie przełącz zasilacz w tryb prądowy i ustaw 0A przekręcając pokrętło CURRENT maksymalnie w lewą stronę. Przy wyłączonym zasilaczu zmontuj poniższy schemat używając rezystora R1 dużej mocy o wartości 10Ω. W roli amperomierza wystąpić może wskaźnik LCD wartości zasilania na zasilaczu. Szymon Szczęsny © 2011 11 1. Ćwiczenie wprowadzające Włącz zasilacz. Kręcąc pokrętłem CURRENT zwróć uwagę jak rośnie prąd płynący przez oczko w obwodzie. Czy wartość graniczna wskazywanego napięcia na multimetrze, dla której prąd przestaje rosnąć, jest taka sama, jak ustawiono w trybie napięciowym na zasilaczu? Uwaga! Rezystor grzeje się w wyniku płynącego przez niego prądu. Czy wartość tego prądu jest zgodna z prawem Ohma? 1.2.3.2. Obsługa generatora funkcyjnego (I.) Generator funkcyjny pozwala na wygenerowanie przebiegów sinusoidalnych, trójkątnych oraz prostokątnych (przyciski nr 3). Częstotliwość sygnału ustala się poprzez pokrętło nr 1. oraz ustawienie mnożnika (przyciski nr 2). Aktualna częstotliwość wyświetlana jest na wyświetlaczu (nr 5) wraz z podaniem jednostek (Hz, kHz, MHz). Wartość amplitudy ustala się za pomocą pokrętła nr 4. Generator nie wyświetla jednak wartości amplitudy. Pomocny przy jej zbadaniu okaże się wchodzący w skład zestawu laboratoryjnego oscyloskop. Gniazdo BNC nr 6. stanowi wyjście z generatora. Aby przetestować działanie generatora potrzebne będzie zaznajomienie się z funkcjonalnością przyrządu pomiarowego, jakim jest oscyloskop. 1.2.4. Obsługa oscyloskopu Oscyloskop RIGOL DS1022CD jest urządzeniem pozwalającym wykreślić przebiegi sygnałów w obwodzie elektrycznym oraz pomierzyć charakterystyczne parametry. Obsługa oscyloskopu oraz omówionego wcześniej generatora zostanie przybliżona poprzez instrukcję pozwalające na wykonanie następujących zadań 4 - 8. Szymon Szczęsny © 2011 12 1. Ćwiczenie wprowadzające Zadanie 4. Sygnał sinusoidalny, skalowanie, pozycjonowanie Podłącz za pomocą przewodu BNC sygnał z wyjścia generatora na wejście kanału pierwszego w oscyloskopie (wejście CH1). Włącz oscyloskop, a następnie włącz generator. Ustaw na generatorze przebieg sinusoidalny o częstotliwości 5kHz. Zwróć uwagę, jak przebieg widoczny na oscyloskopie reaguje na zmiany częstotliwości. W dolnej części ekranu powinny pojawić się wartości napięcia oraz czasu przypadające na jedną działkę ekranu (jedną kratkę wykreśloną przerywanymi liniami). Sprawdź, czy suma kratek pomnożona przez wartość przypadającą na działkę odpowiada okresowi zadanego sygnału, tj. odwrotności częstotliwości ustawionej na generatorze? Sprawdź działanie dwóch pokręteł SCALE oraz dwóch pokręteł POSITION. Pozwalają one przemieszczać przebieg na ekranie oraz na jego skalowanie. Zadanie 5. Kursory, wartość międzyszczytowa Spróbuj dobrać wartość międzyszczytową sygnału równą 2.3V. Amplituda zmienia się w wyniku obrotów pokrętłem generatora oznaczonym jako AMPL, jednak jej wartość nie jest wyświetlania na generatorze. W dolnej części oscyloskopu widoczna jest wartość podziałki napięcia, tj. informacja o tym, jaką wartość napięcia reprezentuje jedna kratka, ale dokładne zbadanie amplitud sygnału wymaga użycia kursorów. Naciśnij przycisk Cursor na oscyloskopie. W prawej części ekranu pojawi się menu, które można wyłączyć przy pomocy przycisku MENU ON/OFF. Menu podzielone jest na 5 sekcji, którym odpowiadają przyciski zlokalizowane po prawej stronie ekranu. Posługując się przyciskami spróbuj wybrać tryb kursorów Manual. Przydatne może okazać się pokrętło znajdujące się na lewo od przycisku Cursor. W trybie manualnym użytkownik wybiera typ kursorów. Opcja X pozwala na sterowanie położeniem poziomym kursorów i przydaje się np. przy badaniu okresu sygnału. Natomiast Opcja Y pozwala na sterowanie położeniem pionowym kursorów i przyda się nam podczas sprawdzania amplitudy sygnału. Na dole dostępnego menu znajduje się opcja wyboru, którym z dwóch kursorów chcemy operować (możliwe jest przesuwanie dwóch Szymon Szczęsny © 2011 13 1. Ćwiczenie wprowadzające kursorów jednocześnie). Wybierz opcję Y, a następnie ustaw oba kursory tak, by móc zmierzyć amplitudę. Kręcąc pokrętłem generatora spróbuj dobrać wartość międzyszczytową sygnału tak, aby wynosiła ona 2.3V. Końcowy efekt powinien wyglądać jak poniżej: Zadanie 6. Zapis danych z oscyloskopu Oscyloskop RIGOL posiada możliwość zapisu przebiegów w postaci mapy bitowej na zewnętrznym nośniku USB lub w komputerze, z którym jest skomunikowany. Uruchom program Ultrascope i połącz się z oscyloskopem klikając Connect to Oscilloscope. Następnie kliknij Virtual Panel. Powinienneś zobaczyć na monitorze ten sam przebieg, który widoczny jest na oscyloskopie. W tym trybie pracy oscyloskop daje się sterować tylko za pomocą interfejsu w programie Ultrascope. Pokrętła i przyciski na panelu oscyloskopu są wyłączone. Aby powrócić do poprzedniego trybu pracy, kliknij Disconnect. Szymon Szczęsny © 2011 14 1. Ćwiczenie wprowadzające Zadanie 7. Sygnał trójkątny Zmień przebieg na trójkątny o częstotliwości 500kHz. W celu uzyskania wyniku na oscyloskopie kliknij AUTO. Sprawdź również działanie przycisku RUN/STOP. Następnie wybierz tryb kursora TRACK. Ustaw oba kursory na szczytach przebiegu i zmierz jego okres. Powinien być on wyświetlony jako wartość ∆X. Czy wyświetlana wartość 1/∆X odpowiada częstotliwości ustawionej na generatorze? Zadanie 8. Wartość skuteczna Wykorzystując oscyloskop oraz multimetr zmierz wartość skuteczną napięcia sygnału sinusoidalnego o amplitudzie 1V. Czy wartość wskazana przez multimetr odpowiada wartości teoretycznej? Wykonaj podobne badanie dla przebiegu trójkątnego o wartości międzyszczytowej 2V. Jaka zależność teoretyczna opisuje wartość skuteczną sygnału trójkątnego? 1.3. Praktyczne zadania problemowe Zadanie 9. Prawa Kirchhoffa Dla poniższego schematu sprawdź poprawność obu praw Kirchhoffa. Układ składa się z dwóch węzłów, trzech oczek oraz trzech gałęzi. Jako elementy R1, R2, R3 wybierz dowolne rezystory o wartościach z przedziału 1 kΩ – 10kΩ. Zadanie 10. Stała czasowa τ Wcześniejsze zadania z pewnością pokazały już, że parametry zbudowanych obwodów mogą w pewnym stopniu odbiegać od oczekiwanych. Najczęstszymi przyczynami różnic są tolerancje elementów oraz dodatkowe rezystancje złącz i pojemności połączeń (w tym również połączeń wewnątrz mierników, niezerowa rezystancja amperomierza, niezerowa konduktancja woltomierza), których na teoretycznym schemacie się nie uwzględnia. Rezystancje przewodów łączących elementy są prawie zerowe, jednak pojemność typowej sondy oscyloskopowej to [40–100]pF/m bez kompensacji. Te tzw. pasożytnicze elementy mogą znacząco pogarszać pracę układów. Jednym z parametrów, który określa jakoś urządzenia, jest czas reakcji jego odpowiedzi tj. reakcji na wymuszenie podane na wejście. Istnieje kilka stałych określających czas reakcji, a jedną z nich jest tzw. stała czasowa, której wartość wyrażona w sekundach jest równa iloczynowi pasożytniczej rezystancji i pojemności: Szymon Szczęsny © 2011 15 1. Ćwiczenie wprowadzające τ = R·C Stała czasowa określa czas po jakim wartość sygnału na wyjściu zmieni się e-krotnie w stosunku do wartości ustalonej U0 tak, jak pokazują to poniższe wykresy: Stosunkowo łatwo jest zobrazować jej sens fizyczny w układzie szeregowego połączenia rezystora i kondensatora. Po przyłożeniu napięcia stałego równego 5V kondensator zostanie naładowany do napięcia 5V, jednak nie stanie się to od razu. Prąd ładujący, który będzie płynął w gałęzi szeregowego połączenia RC aż do naładowania kondensatora, jest ograniczony przez rezystor zgodnie z prawem Ohma. Im większy rezystor, tym mniejszy prąd w gałęzi i tym samym czas ładowania kondensatora dłuższy. Z chwilą naładowania kondensatora prąd w gałęzi przestanie płynąć, gdyż kondensator w obwodzie prądu stałego stanowi przerwę. Celem wyznaczenia składowej stałej szeregowego połączenia elementów RC zmontuj poniższy schemat: Przyjmij następujące wartości elementów: C1 = 0,47µF ceramiczny R1 = 2,4kΩ e – przebieg prostokątny Amplituda –1V f = 100Hz Szymon Szczęsny © 2011 16 1. Ćwiczenie wprowadzające Na oscyloskopie powinieneś zobaczyć następujący przebieg ilustrujący zniekształcenie sygnału prostokątnego przez zjawisko ładowania i rozładowywania pojemności za pomocą rezystora: W celu zestawienia wymuszenia oraz odpowiedzi układu doprowadź do drugiego kanału oscyloskopu (CH2) prostokątny sygnał z wejścia. Przeanalizuj proces ładowania i rozładowania kondensatora w wyniku zmian sygnału wejściowego. Korzystając z kursorów zmierz wartość składowej stałej i porównaj z wyliczoną. Czy wartość tej składowej zależy od częstotliwości i amplitudy wymuszenia? Odsyłacze: [1] http://pl.wikipedia.org/wiki/Kondensator_elektrolityczny [2] http://serwis-tv.com/opornik.html [3] http://hobby-elektronika.eu/kondensatory.html Szymon Szczęsny © 2011 17
