1

Uwagi prowadzącego ćwiczenie:

Wykaz przyrządów znajdujących się na stanowiskach

Lp.

Nazwa przyrządu

Typ

Producent

1

2

3

4

5

6

INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH

WYDZIAŁ ELEKTRONIKI WAT

Zakład Systemów Informacyjno-Pomiarowych

Laboratorium Miernictwa Elektronicznego 2

Ćwiczenie 4

Temat: POMIARY ZNIEKSZTAŁCEŃ NIELINIOWYCH

Grupa:

Data wykonania ćwiczenia:
..................................................................

Zespół w składzie:

1.

2.

3.

Data oddania sprawozdania:
..................................................................
Ocena:
..................................................................
Prowadzący ćwiczenie:
..................................................................

2

1. POMIARY WSPÓŁCZYNNIKA ZAWARTOŚCI HARMONICZNYCH
(ZNIEKSZTAŁCEŃ NIELINIOWYCH).
1.1. Układ pomiarowy

1.2. Pomiary

Sygnały badane połączyć z miernikiem zniekształceń nieliniowych:
a) PMZ – 11
- przełącznik KALIBRACJA ustawić w pozycji 300V,.
- przełącznik ZNIEKSZTAŁCENIA ustawić w pozycji 100% (biały klawisz),
- ustawić odpowiedni zakres częstotliwości,
- wcisnąć i puścić przycisk KALIBRACJA,
- przełącznik i potencjometr KALIBRACJA ustawić tak, aby uzyskać pełne wychylenie wskaźnika (100%),
- wcisnąć i puścić przycisk POMIAR,
- przełącznikiem ZNIEKSZTAŁCENIA ustawić odpowiednią czułość ,
- po wykonaniu pomiaru przełącznik ZNIEKSZTAŁCENIA ustawić w pozycji 100%.

b) HM 8027
- wcisnąć przycisk 100% CAL,
- przełącznikiem ATTENUATOR oraz pokrętłem LEVEL ustawić na wskaźniku cyfrowym 100%,
- pokrętłem dostrojenia ustawić częstotliwość środkową filtru środkowo-zaporowego tak, aby nie świeciły się
obydwa trójkąty (diodowy wskaźnik dostrojenia),
- wcisnąć przycisk 100% a następnie 10% jeżeli zniekształcenia są mniejsze od 10%,
- po wykonaniu pomiaru włączyć przycisk CAL.
Zmierzyć współczynniki zawartości harmonicznych podanych w tabeli sygnałów napięciowych.
Wyniki pomiarów i obliczeń zamieścić w tabeli.

Współczynnik „h” i „h

1

”

„h” [%] zmierzony miernikiem

HM 8027 lub PMZ – 11

„h

1

” [%] obliczony

Częstotliwość

Kształt

100 Hz

1 kHz

10 kHz

%

100

1

2

1







h

h

h

Uzasadnić otrzymane wyniki pomiarów.

f = 1kHz

Generator

funkcyjny

Miernik

zniekształceń

nieliniowych

3

2. ZAPOZNANIE SIĘ Z PRACĄ CYFROWEGO ANALIZATORA WIDMA.
2.1. Układ pomiarowy.

2.2. Pomiary

A) Wykonać następujące czynności:
- włączyć zasilanie oscyloskopu,
- włączyć sprzężenie zmiennoprądowe kanału „CH1”: AC,
- połączyć układ pomiarowy wg. schematu z p.2.1,
- nacisnąć przycisk [Auto],
- narysować w tabeli oscylogram badanego sygnału w dziedzinie czasu oraz zmierzyć jego podstawowe
parametry.













B) W celu otrzymania widma sygnału, wykonać następujące czynności:
- nacisnąć przycisk [Math],
- w „menu” ekranowym nacisnąć przycisk [Operate] i pokrętłem wielofunkcyjnym wybrać FFT,
- dwukrotnie nacisnąć przycisk [1] - wyłączenie kanału „CH1”,
- nacisnąć przycisk [Math],
- w „menu” ekranowym nacisnąć przycisk [Display] i wybrać „Full screen” – cały ekran,
- w „menu” ekranowym nacisnąć przycisk [Scale] i wybrać „dBVrms” - poziom w decybelach
względem 1Vrms,
- regulując pokrętłem współczynnika czasu D

t,

, ustawić na ekranie

5



7 prążków,

- w „menu” ekranowym nacisnąć przycisk [Window] i pokrętłem wielofunkcyjnym wybrać odpowiednie okno
wycinające,
- narysować w tabelach oscylogramy badanego sygnału w dziedzinie częstotliwości dla różnych okien
wycinających.

Oscylogramy sygnału w dziedzinie częstotliwości przy różnych typach okien

Okno prostokątne (rectangle)

Okno Hanning’a

Oscylogram sygnału w dziedzinie czasu

Zmierzone parametry

U

p-p

=

T =


t

+

=

źródło sygnału do

kompensacji sondy

pomiarowej

CH1

Cyfrowy analizator

widma

(oscyloskop cyfrowy)

4

Oscylogramy sygnału w dziedzinie częstotliwości przy różnych typach okien

Okno Hamming’a

Okno Blackman’a

3. SPRAWDZENIE WŁAŚCIWOŚCI OKIEN WYCINAJĄCYCH

Właściwości okien wycinających według instrukcji obsługi oscyloskopu:
Okno prostokątne (rectangle) − najlepsza rozdzielczość częstotliwości, najgorsza amplitudy.
Okno Hanning’a i okno Hamming’a − lepsza dokładność częstotliwości niż w oknie prostokątnym, gorsza
amplitudy, okno Hamming’a ma nieznacznie lepszą rozdzielczość częstotliwości niż okno Hanning’a.
Okno Blackman’a − najlepsza dokładność amplitudy, najgorsza częstotliwości.

3.1. Układ pomiarowy.

3.2. Pomiary

Parametry sygnału pomiarowego (ustawione na oscyloskopie):
- kształt: napięcie sinusoidalne,
- U

p-p

= 2V

- f = ……….. kHz.
Wykonać operacje jak w p. 2.2.B).
Zmierzyć częstotliwość i napięcie składowej podstawowej widma sygnału pomiarowego przy różnych typach
okien wycinających.
W celu przeprowadzenia pomiarów następujące czynności:
- w polu „MENU” nacisnąć przycisk [Cursor] i pokrętłem wielofunkcyjnym wybrać „ Manual”,
- w „menu” ekranowym nacisnąć przycisk [Source] i pokrętłem wielofunkcyjnym wybrać „FFT”,
- w „menu” ekranowym nacisnąć przycisk [Type] i pokrętłem wielofunkcyjnym wybrać „X” lub „Y”,
- w „menu” ekranowym nacisnąć przycisk [CurA_ _],
- regulując pokrętłem wielofunkcyjnym ustawiać kursor w odpowiedniej pozycji i zmierzyć napięcie oraz
częstotliwość.

Okno prostokątne

(rectangle)

Okno Hanning’a

Okno Hamming’a

Okno Blackman’a

f

Hz

U

1

dBV

U

2

V

U

1

– zmierzone napięcie składowej podstawowej wyrażone w [dBV],

20

2

1

10

U

U



– obliczone napięcie składowej podstawowej wyrażone w [V].

Wy

CH1

Cyfrowy analizator

widma

(oscyloskop cyfrowy)

Generator
funkcyjny

5

4. ANALIZA WIDMOWA W ZAKRESIE M.CZ. (ZASTOSOWANIE CYFROWEGO
ANALIZATORA WIDMA)
4.1. Układ pomiarowy jak w p. 3.1.
4.2. Pomiary

Przeprowadzić analizę widmową sygnałów napięciowych o kształtach wg tabeli i parametrach podanych przez
prowadzącego: f

1



…………...........,

U

p-p



……............….

W celu otrzymania widma badanych sygnałów wykonać czynności zgodnie z p. 2.2.
Ustawić na ekranie

5



7 prążków (9



13 składowych harmonicznych).

W celu przeprowadzenia pomiarów składowych harmonicznych wykonać następujące czynności:
- w polu „MENU” nacisnąć przycisk [Cursor] i pokrętłem wielofunkcyjnym wybrać „ Manual”,
- w „menu” ekranowym nacisnąć przycisk [Source] i pokrętłem wielofunkcyjnym wybrać „FFT”,
- w „menu” ekranowym nacisnąć przycisk [Type] i pokrętłem wielofunkcyjnym wybrać „X” lub „Y”,
- w „menu” ekranowym nacisnąć przycisk [CurA_ _],
- regulując pokrętłem wielofunkcyjnym ustawiać kursor w odpowiedniej pozycji i zmierzyć napięcie oraz
częstotliwość poszczególnych składowych harmonicznych,
Wyniki pomiarów i obliczeń zamieścić w tabeli.

n



1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

f

n

Hz

U

n

[dBV]

U

n

[mV]

U

n

[dBV]

U

n

[mV]

U

n

[dBV]

U[mV]

Oznaczenia :
n - numer harmonicznej,
f

n

– częstotliwość n-tej harmonicznej zmierzona analizatorem widma,

U

n

– napięcie n-tej harmonicznej,

U

n

[dBV] = 20log









RMS

V

RMS

V

n

U

1

,

 





20

10

dBV

n

U

RMS

V

n

U



.

Na podstawie otrzymanych wyników:
- narysować widma amplitudowe badanych sygnałów,
- obliczyć współczynniki „h” i „h

1

” badanych napięć:

100%

U

U

h

1

n

2
n

2

n

2
n

















,

100%

2

n

2

n

U

1

h

2

1

U











- zmierzyć „h” miernikiem zniekształceń nieliniowych.
Wyniki obliczeń zanotować w tabeli

Kształt

h

h

1

h - zmierzone miernikiem

zniekształceń nieliniowych

6

5. ANALIZATOR WIDMA Z PRZEMIANĄ CZĘSTOTLIWOŚCI

Widok płyty czołowej i rozmieszczenie podstawowych elementów regulacyjnych

5.1. Zapoznanie się z pracą analizatora widma.
5.1.1. Układ pomiarowy.

5.1.2. Pomiary

Badany sygnał napięciowy podłączyć do oscyloskopu (połączenie „1”na rysunku z p. 5.1.1).
Parametry napięciowe badanych sygnałów (ustawione na oscyloskopie):
- f ≈ 1 MHz,
- U

p-p

≈ 0,1 V,

- kształt zgodnie z tabelą.
Ustawić tłumik analizatora widma na maksymalne tłumienie „­− 40 dB”.
Połączyć generator funkcji z analizatorem widma (połączenie „2”na rysunku z p. 5.1.1).
W celu otrzymania widma badanych sygnałów wykonać następujące operacje:
- nacisnąć przycisk [1] – częstotliwość centralna,
- korzystając z klawiatury cyfrowej ustawić częstotliwość centralną na wartość 5 MHz i ponownie nacisnąć
przycisk [1],
- naciskając wielokrotnie przycisk [SPAN], ustawić rozpiętość na 10 MHz.
Narysować widma amplitudowe podanych w tabeli sygnałów napięciowych.

2

1

Analizator widma

HM5510

Generator
funkcyjny

Oscyloskop

Ostrość

Jasność

Kontrast

RBW

SPAN

1

2

3

Tłumik

TUNNING

Sieć

Klawiatura

cyfrowa

(regulacja

częstotliwości

centralnej)

Wejście

Ekran

8



10 działek

Wskaźnik cyfrowy

1 – zmiana częstotliwości centralnej, SPAN – rozpiętość,
2 – MARKER (włączenie wskaźnika), RBW – szerokość pasma rozdzielczości,
3 – poziom odniesienia, TUNNING – strojenie

7

Nacisnąć przycisk [MARKER].
Pokrętłem [TUNNING] ustawić wskaźnik (świecący punkt ekranu) w odpowiednich punktach widma.
Zapisać na wykresie odpowiednie wartości częstotliwości i amplitudy kolejnych prążków.

8

5.2. Analiza widmowa sygnałów impulsowych.

5.2.1.Układ pomiarowy

5.2.2. Pomiary
Badanie widma sygnału impulsowego o różnych współczynnikach przerywistości



= T

i

/t

i

.

Zastosowany w ćwiczeniu generator impulsów prostokątnych typ KZ-1508A jest generatorem
programowanym. Sterowanie pracą generatora odbywa się przy pomocy klawiatury, przełączników kodujących
okres i czas trwania impulsów oraz przełącznika obrotowego do regulacji amplitudy impulsów.
Elementy te umieszczone są na płycie czołowej przyrządu.
Z zestawu klawiszy do programowania rodzaju pracy generatora, wybrać [INT] – generacja impulsów
prostokątnych o regulowanych wartościach t

i

, T

i

, U

i

.

UWAGA: wstępne ustawienie parametrów badanych sygnałów wykonać wg punktu 5.1.2.
Za pomocą przełączników kodujących okres powtarzania i czas trwania impulsów oraz przełącznika
obrotowego, ustawić następujące wartości napięcia impulsowego o współczynniku przerywistości



= 2:

- okres T

i

= 1



s (częstotliwość f

i

= 1MHz),

- czas trwania impulsu t

i

= 0,5



s,

- amplituda impulsu U

i

= 0,1V.

Ustalony na oscyloskopie sygnał przełączyć na wejście analizatora widma
Dla zadanych parametrów sygnału impulsowego narysować jego widmo amplitudowe.
Otrzymywanie napięć impulsowych o innej przerywistości (wypełnieniu):
A) przy t

i

= const., zmniejszyć częstotliwość badanego sygnału tak aby uzyskać żądany współczynnik

przerywistości ,
B) ) przy T

i

= const (f

i

= const.), zmieniać t

i

zgodnie z tabelą.

Na podstawie otrzymanego widma wyznaczyć:
- amplitudy poszczególnych prążków w [dz],
- odstęp między prążkami w [kHz],
- pasmo częstotliwości B [MHz],
- punkty zerowania obwiedni [MHz]
- częstotliwości maksymalnych wartości listków bocznych [MHz].
Wyniki obserwacji i pomiarów zamieścić w tabelach.

2

1

Oscyloskop

Generator
impulsów

prostokątnych

Analizator

widma

f

U

Punkty zerowania

Maksymalne wartości listków

bocznych widma

Obwiednia

widma

9

A) Badanie widma sygnału impulsowego przy t

i

= const

t

i

= 0,5



s,



=

i

t

T

Widmo amplitudowe

Wyniki

pomiarów

2



f =

B =
Punkty zerowania [MHz]:


Częstotliwości maksymalnych
wartości listków bocznych [MHz]:

4



f =

B =
Punkty zerowania [MHz]:


Częstotliwości maksymalnych
wartości listków bocznych [MHz]:

6



f =

B =
Punkty zerowania [MHz]:


Częstotliwości maksymalnych
wartości listków bocznych [MHz]:

8



f =

B =
Punkty zerowania [MHz]:


Częstotliwości maksymalnych
wartości listków bocznych [MHz]:

10



f =

B =
Punkty zerowania [MHz]:


Częstotliwości maksymalnych
wartości listków bocznych [MHz]:

10

B) Badanie widma sygnału impulsowego przy T

i

= const (f

i

= const.).

T

i

= 1



s (częstotliwość f

i

= 1MHz),

t

i

Widmo amplitudowe

Wyniki

pomiarów

0,4



s



f =

B =
Punkty zerowania [MHz]:


Częstotliwości maksymalnych
wartości listków bocznych [MHz]:

0,3



s



f =

B =
Punkty zerowania [MHz]:


Częstotliwości maksymalnych
wartości listków bocznych [MHz]:

0,2



s



f =

B =
Punkty zerowania [MHz]:


Częstotliwości maksymalnych
wartości listków bocznych [MHz]:

Oznaczenia :
n – numer harmonicznej,



f = f

n

- f

n-1

- odstęp między kolejnymi harmonicznymi,

B = n



f - pasmo częstotliwości

Porównać wyniki z punktu A) i B).

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

1) Protokół pomiarowy z wypełnionymi tabelami.
2) Przykłady obliczeń do każdego punktu pomiarowego.
3) Wymagane wykresy (odpowiednio opisane).
4) Porównanie wyników pomiarów z danymi technicznymi.
5) Własne wnioski, spostrzeżenia i uwagi wynikające z przeprowadzonych pomiarów i obserwacji.

11

Przykładowe pytania kontrolne.

1. Podać definicje "h" ; "h

1

" ; "h

n

".

2. Metody pomiaru współczynnika zniekształceń nieliniowych.
3. Miernik współczynnika zniekształceń nieliniowych.
4. Rozkład sygnału okresowego na szereg Fouriera.
5. Przekształcenie Fouriera.
6. Dyskretne przekształcenie Fouriera ( oraz FFT ).
7. Analizator harmonicznych z regulowanym filtrem.
8. Analizator harmonicznych z przełączanymi filtrami.
9. Analizator harmonicznych z przemianą częstotliwości.
10. Analizator widma z przemianą częstotliwości.
11. Cyfrowy analizator widma.

Wykaz literatury do ćwiczenia

1) A.Chwaleba, M.Poniński, A.Siedlecki, „Metrologia elektryczna”, Wyd. 5, 6, 7, 8, 9 WNT, 1996r, 1998r,
2000r, 2003r, 2007r.
2) A. Jellonek, Z. Karkowski "Miernictwo radiotechniczne" WNT, 1972r. Wyd. IV
3) J. Mirski " Miernictwo elektroniczne" WKiŁ, 1973r.
4) M. Stabrowski "Miernictwo elektryczne : cyfrowa technika pomiarowa " Ofic. Wyd. Politechniki
Warszawskiej 1994r.
5) J. Rydzewski. „Pomiary oscyloskopowe” WNT, Warszawa 1994r.
6) M. Stabrowski. „Cyfrowe przyrządy pomiarowe” Wyd. PWN, 2002.