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
Download
Random flashcards
123

2 Cards oauth2_google_0a87d737-559d-4799-9194-d76e8d2e5390

Create flashcards