Cel ćwiczenia

Ćwiczenie 6
Pomiary wielkości elektrycznych za pomocą oscyloskopu
6.1. Cel ćwiczenia
Zapoznanie z budową, zasadą działa oscyloskopu oraz oscyloskopowymi metodami
pomiarowymi. Wykonanie pomiarów wielkości elektrycznych (okresu, wartości maksymalnej
i międzyszczytowej, przesunięcia fazowego, częstotliwości) za pomocą oscyloskopu.
6.2. Pomiar czułości wejść X i Y badanego oscyloskopu
6.2.1. Schemat układu pomiarowego
UWAGA!
Pomiary należy wykonać w położeniu 1 V/div (1 V/cm) przełącznika obwodu
wejściowego X i Y. W tym celu należy wyłączyć podstawę czasu (pokrętło regulacji
podstawy czasu skręcić maksymalnie w prawą stronę) i zmieniając wartość napięcia
podawanego z generatora na wejście oscyloskopu, mierzyć długość linii na ekranie. Wyniki
zanotować w tabeli.
6.2.2. Tabela pomiarowa
Wejście X
Długość linii
Uv
div
V
10
8
6
4
Um
V
S=
Wejście Y
Długość linii
Uv
div
V
8
6
4
2
Sx
div/V
dlugosc
linii
2 ⋅U m
1
⎡ div ⎤
⎢⎣ V ⎥⎦
Um
V
Sy
div/V
6.3. Obserwacja i odwzorowanie różnych przebiegów okresowo zmiennych
6.3.1. Schemat układu pomiarowego
6.3.2. Oscylogramy i podstawowe parametry przebiegów napięcia
sinusoidalnie zmiennego, prostokątnego oraz trójkątnego.
Dla częstotliwości i napięć
podanych przez nauczyciela należy odrysować
z oscyloskopu przebiegi
napięcia sinusoidalnie zmiennego, prostokątnego oraz
trójkątnego. W oparciu o oscylogramy wyznaczyć podstawowe parametry przebiegów:
okres, częstotliwość,
amplitudę
oraz napięcie międzyszczytowe. Zaznaczyć na
oscylogramach następujące wielkości: okres, amplitudę oraz napięcie międzyszczytowe.
Pracować w trybie z włączoną podstawą czasu.
W oparciu o podane wzory należy wykonać obliczenia, a wyniki zanotować obok
oscylogramów.
•
•
Tobl – okres obliczony w oparciu o oscylogram
Tobl = Pt ⋅ l
Pt – wybrana podstawa czasu
l – długość okresu w działkach odczytana z oscylogramu
f obl – częstotliwość obliczona w oparciu o oscylogram
1
f obl =
Tobl
f gen – częstotliwość przebiegu ustawiona na generatorze
•
U mobl – amplituda przebiegu obliczona w oparciu o oscylogram
•
U mobl = C y ⋅ l
C y – stała podziałki wejścia Y
•
l – długość amplitudy w działkach odczytana z oscylogramu
U ppobl – międzyszczytowa wartość napięcia obliczona w oparciu o oscylogram
U ppobl = 2 ⋅ U mobl
•
•
UV –skuteczna wartość napięcia wskazywana przez woltomierz
U obl – obliczona wartość napięcia skutecznego
Um
U obl = obl
2
2
UWAGA:
Na wejście Y oscyloskopu podać sygnał o częstotliwości f = ........... Hz i ustawić
na woltomierzu napięcie UV = ........... V (wartości te podaje nauczyciel). Nie zmieniać tych
wartości tylko rodzaj przebiegu (sinusoidalnie zmienny, prostokątny, trójkątny).
Pt = ......................................
C y = ......................................
Przebieg sinusoidalny
Tobl = ......................................
f obl = ......................................
U ppobl = .....................................
UV
Uobl
Δ U = U obl − U V
V
V
V
fgen
fobl
Δ f = f obl − f gen
Hz
Hz
Hz
δU =
%
δf =
Przebieg prostokątny
Tobl = ......................................
f obl = ......................................
U ppobl = .....................................
Przebieg trójkątny
Tobl = ......................................
f obl = ......................................
U ppobl = .....................................
3
ΔU
⋅ 100%
UV
Δf
f gen
%
⋅ 100%
6.4. Pomiar nieznanej częstotliwości za pomocą krzywych (figur) Lissajous
Podstawowymi narzędziami do pomiaru częstotliwości przebiegów elektrycznych
są częstościomierze o różnych zasadach działania i budowach. W niektórych badaniach,
szczególnie przy dużych częstotliwościach radiowych stosowana jest metoda zwana
porównawczą, w której wykorzystujemy krzywe Lissajous.
6.4.1. Schemat układu pomiarowego i charakterystyka stosowanej metody
Metoda porównawcza polega na zrównaniu częstotliwości wzorcowej fw
z częstotliwością mierzoną fx. Zgodność częstotliwości można zaobserwować na ekranie
oscyloskopu w postaci krzywych Lissajous. W ten sposób mogą być porównywane tylko
częstotliwości, których stosunek jest liczbą całkowitą. Pomiar metodą porównawczą może
być bardzo dokładny, jeżeli dysponuje się bardzo dokładnym, regulowanym wzorcem
częstotliwości.
Zasadę podłączenia do oscyloskopu napięć o porównywanych częstotliwościach
podaje powyższy rysunek. Dwa napięcia sinusoidalne, doprowadzone do płytek
odchylających X i Y pracującego w trybie dwukanałowym, tworzą na ekranie oscyloskopu
(z wyłączoną podstawą czasu) obrazy, tzw. Krzywe Lissajous, których kształt zależy od
stosunku amplitud, stosunku częstotliwości i przesunięcia fazowego między obydwoma
napięciami. W przypadku, gdy stosunek częstotliwości jest równy stosunkowi liczb
całkowitych, na ekranie oscyloskopu obserwuje się obraz nieruchomy, w innych przypadkach
obraz jest w ciągłym ruchu. Sposób powstawania krzywych Lissajous przedstawia
następujący rysunek:
Wyróżniamy kilka rodzajów krzywych Lissajous, zależy to od stosunku częstotliwości
wzorcowej i częstotliwości mierzonej. Najczęściej mamy do czynienia z krzywymi Lissajous
pierwszego rodzaju (fw:fx = 1:1). Są niemi elipsa, okrąg i prosta. Czasami możemy mieć
jednak do czynienia z krzywymi Lissajous wyższych rzędów. Przykładowe krzywe Lissajous
wyższych rzędów mają postać:
4
fw 2
=
fx 1
fw 2
=
fx 3
fw 4
=
fx 3
Pomiar częstotliwości z wykorzystaniem figur Lissajous polega na wyznaczeniu
stosunek częstotliwości wzorcowej i mierzonej. W tym celu oblicza się liczbę punktów
przecięcia krzywej z prosta równoległą do osi poziomej (osi X) oraz liczbę punktów
przecięcia z prostą równoległą do osi pionowej (osi Y). Proste powinny być tak prowadzone,
aby nie przechodziły przez punkty węzłowe krzywych. Następnie obliczenia częstotliwości
nieznanej dokonujemy w oparciu o następujący wzór:
f w nx
=
f x ny
f x = fw ⋅
ny
nx
gdzie: nx – liczba punktów przecięcia krzywej z osią poziomą oscyloskopu, ny – liczba
punktów przecięcia krzywej z osia pionową, fw – częstotliwość podawana z generatora
wzorcowego, fw – częstotliwość wzorcowa.
UWAGA:
Odrysować oscylogramy dla
dwóch spośród wymienionych stosunków częstotliwości
f
1 1 2 3 6 3
wskazanych przez prowadzącego w : , , , , , .
fx 2 1 1 2 1 5
6.4.2. Oscylogramy
fw
= ..............................
fx
fw
= ..............................
fx
5
6.5. Pomiar przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem
w obwodzie za pomocą oscyloskopu dwukanałowego
6.5.1. Schemat układu pomiarowego
6.5.2. Rysunek wyjaśniający zasadę pomiaru
ϕ=
lx
⋅ 360 0
l
UWAGA:
Dokonać pomiaru kąta przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem sinusoidalnym
podawanym z generatora funkcyjnego i napięciem na rezystorze R. Pracować należy w trybie
z włączoną podstawą czasu oraz w trybie dwukanałowym. Skuteczna wartość napięcia
zmierzona na rezystancji R podzielony prze wartość rezystancji jest równy wartości
skutecznej prądu płynącego w obwodzie.
Wartość rezystancji R oraz pojemności C podaje prowadzący.
6.5.3. Tabela pomiarowa
Przesuwnik
fazowy
Lp.
-
1
2
3
4
5
6
7
8
f
Hz
100
200
300
400
500
600
700
800
Przesuwnik 1
l
dz
C = …….….nF
lx
dz
ϕ
°
R = ………..Ω
6