instrukcja - Politechnika Warszawska

Politechnika Warszawska
Wydział Elektryczny
Laboratorium Teletechniki
Skrypt do ćwiczenia T.02 .
Woltomierz RMS oraz Analizator Widma
1. Woltomierz RMS oraz Analizator Widma
Ćwiczenie to ma na celu poznanie możliwości zastosowania Woltomierza RMS /
Miernika mocy jako Woltomierza wartości skutecznych (ang. Root Mean Square - RMS)
międzyszczytowych (ang. peak - to - peak) napięcia oraz zapoznanie się z obsługą
Analizatora Widma i jego funkcjami wykorzystywanymi w kolejnych ćwiczeniach
wykonywanych na zajęciach Laboratorium Telekomunikacji.
1.1. Woltomierz RMS - Część teoretyczna
Rodzaje pomiarów jakie będą wykonywane w tym ćwiczeniu dla różnych sygnałów
okresowych zostały pokazane na rysunku 1.1.
Rysunek 1.1. Sygnały okresowe.
Maksymalną wartością amplitudy sygnału okresowego jest wartość A, nazwana wartością
szczytową. Poza sygnałem z rysunku 1.1 (e), amplituda wszystkich sygnałów zawiera się
pomiędzy maksimum (+A) a minimum (-A) wartości. Amplituda pomiędzy (+A) i (-A)
nazywana jest amplitudą międzyszczytową i wynosi 2A.
W momencie gdy wykonywane są pomiary napięć, A nazywane jest napięciem szczytowym
lub Uszczyt. Pomiar od wartości (+A) do (-A) pozwala na poznanie wartości napięcia
międzyszczytowego, oznaczanego jako Up-p.
Wartość średnia.
Średnia wartość sygnału równa jest polu powierzchni zawartej pomiędzy krzywą sygnału a
osią poziomą, podzieloną poprzez długość jednego okresu.
Rysunek 1.2. Wartość średnia sygnału.
Według powyższej definicji, średnia wartość sygnału z rysunku 1.2 (a) wyliczana jest w
następujący sposób:
AŚr =
(40 ⋅1) + (20 ⋅1) − (10 ⋅ 2) = 40 = 10
4
4
Takie same obliczenia można wykonać dla sygnału sinusoidalnego z rysunku 1.2 (b), lecz nie
jest to konieczne ponieważ powierzchnia (1) = powierzchni (2), w związku z czym wartość
średnia dla tego sygnału wynosi zero (ponieważ znaki są przeciwne). Z zerową wartością
średnią mamy do czynienia zawsze wtedy, gdy dodatnie i ujemne powierzchnie zdefiniowanej
krzywej są sobie równe.
Wartość RMS
Ponieważ wartość średnia nie jest używana przy opisie falowych sygnałów okresowych,
dlatego do ich opisu używana jest wartość RMS nazywana wartością skuteczną sygnału
okresowego (ang. Root Mean Square - RMS).
Istniejący związek pomiędzy szczytową wartością amplitudy a wartością RMS został
pokazany na rysunku 1.3.
Rysunek 1.3. Relacja pomiędzy wartością szczytową a wartością RMS.
Zazwyczaj, przyrządy pomiarowe takie jak woltomierze AC przygotowane są do odczytu
napięcia RMS, podczas pomiaru sygnału sinusoidalnego. Dlatego wartość 10 [V] sygnału AC,
odczytana poprzez przyrząd wyposażony w odczyt RMS napięcia odpowiada wartości ok.
14,2 [V] napięcia szczytowego lub 28,4 [V] napięcia międzyszczytowego.
Woltomierz wartości RMS powinien odczytywać wartość napięcia RMS niezależnie od
częstotliwości lub kształtu fali. Tylko taki przyrząd pomiarowy może być używany do
pomiaru napięcia RMS, dźwięku, etc.
1.2. Woltomierz RMS - Część praktyczna
Opis ćwiczenia
Ćwiczenie to w początkowej fazie polega na pomiarze amplitudy różnych sygnałów
elektrycznego. W zależności od kształtu mierzonego sygnału (sygnał: sinusoidalny,
prostokątny, piłokształtny, impulsowy) otrzymuje się różne pomiary wartości skutecznej
napięcia. Na Rysunku 1.4 zostały pokazane elementy wykorzystywane w ćwiczeniu. Składają
się na nie:
-
Zasilacz / Dwukanałowy wzmacniacz audio (ang. Power supply / Dual audio
amplifier)
Dwukanałowy generator funkcji (ang. Dual function generator)
Woltomierz rzeczywistej wartości RMS (ang. True RMS voltmeter)
Oscyloskop (ang. Oscilloscope)
RMS – wartość skuteczna – (ang. Root Mean Square)
Dwukanałowy
Generator
Funkcji
Wyjście
kanału A
Wejście
kanau 1
Wejście
pomiarowe
Oscyloskop
Woltomierz
RMS
Rysunek 1.4. Schemat układu do pomiaru wartości skutecznej i średniej napięcia.
Sygnał wyjściowy z kanału A Dwukanałowego Generatora Funkcji zostaje podany na wejście
kanału 1 w Oscyloskopie oraz na wejście pomiaru napięcia w Woltomierzu RMS.
W ramach ćwiczenia zostaną także sprawdzone związki zachodzące miedzy wartościami
szczytowymi amplitud a wartościami skutecznymi sygnałów.
1.3. Analizator Widma - Część teoretyczna
Wstęp
Analizator Widma jest urządzeniem, które pozwala na obserwację właściwości sygnałów
w dziedzinie częstotliwości. Na przykład w ćwiczeniu 14: „Kluczowanie częstotliwości
(FSK)” Analizator Widma został wykorzystany do obserwacji: widma sygnału FSK oraz
wpływu stosunku ∆f/Rb na widmo sygnału FSK. Na Rysunku 1.5 został przedstawiony
przykładowy przebieg z Analizatora Widma, który wyraźnie ilustruje wpływ stosunku ∆f/Rb
na widmo sygnału FSK. Łatwo zauważyć, że przebieg taki pozwala na dogłębną analizę
danego sygnału oraz jego właściwości.
b)
Moc
Moc
a)
0
Częstotliwość
0
Częstotliwość
Rysunek 1.5. Wpływ stosunku ∆f/Rb na widmo sygnału FSK: a) ∆f/Rb=2, b) ∆f/Rb=0.25
Analizator Widma wykorzystywany w symulatorze zawiera dwie pamięci, które
umożliwiają zapamiętanie dwóch różnych widm sygnałów. Posiadanie dwóch sygnałów
pozwala na dokładne ich porównanie. Aby zapamiętać dany przebieg należy w polu
MEMORY kliknąć przycisk STORE 1 lub STORE 2 odpowiadające kolejno pamięci 1 i 2
(Przyciski te znajdują się u dołu Analizatora Widma). W celu wyświetlenia zapamiętanych
przebiegów należy w polu MEMORY kliknąć przycisk VIEW 1 lub VIEW 2. Ponadto w każdej
chwili można zatrzymać obserwowane widmo sygnału. Do zatrzymania widma sygnału służy
przycisk REFRESH znajdujący się nad wyświetlaczem Analizatora Widma.
W obszarze SPECTRAL DATA Analizatora Widma znajdują się przyciski O, V, H, które
służą do wywołania i wygaszenia (O) kursorów pionowych (V) i poziomych (H). Kursory te
służą do odczytania wartości amplitudy bądź częstotliwości w dowolnym miejscu
obserwowanego widma.
Ponadto w Analizatorze Widma można dokonać następujących ustawień:
-
Impedancja wejścia (ang. Input Impedance),
Maksymalny sygnał wejściowy (ang. Maximum Input),
Pasmo częstotliwości (ang. Frequency Range),
Zakres częstotliwości (ang. Frequency Span),
Podziałka amplitudy (ang. Scale).
Gałki ADJUST służą do dokładnego wyregulowania zakresu częstotliwości oraz wartości
maksymalnego sygnału wejściowego. Cyfrowy wyświetlacz znajdujący się w obszarze
CENTER FREQUENCY służy do wyświetlenia wartości częstotliwości w miejscu położenia
kursora CF.