Systemy pomiarowe

Sprawozdanie z laboratorium

Mateusz Smoleń

Piotr Wychowański

1. Wzmacniacze operacyjne

   1. Wstęp teoretyczny

Wzmacniacze operacyjne w zależności od charakterystyki częstotliwościowej lub przejściowej mogą dokonywać operacji dodawania, odejmowania, całkowania, różniczkowania, logarytmowania i wielu innych i dlatego są stosowane w maszynach liczących, w przetwornikach analogowo-cyfrowych (A / D) i cyfrowo-analogowych (D / A) oraz w układach pomiarowych.

Rys.1.1 Symbol ogólny wzmacniacza operacyjnego

Parametry idealnego wzmacniacza operacyjnego to między innymi: nieskończenie wielka impedancja wejściowa, impedancja wyjściowa równa zero, nieskończenie wielki współczynnik wzmocnienia.

Wzmacniacz nieodwracający charakteryzuje:

- posiada dużą rezystancję wejściową ,

- wzmacnia napięcie stałe i zmienne,

- wzmocnienie wynosi:

- napięcie na wejściu ‘ujemnym’ wzmacniacza operacyjnego jest równe napięciu wejściowemu.

Rys.1.2. Wzmacniacz nieodwracający

Wzmacniacz odwracający charakteryzuje:

-rezystancja wejściowa jest równa ,

- wzmocnienie wynosi: i może być mniejsze od jedności,

- wzmacnia (osłabia) napięcie stałe i zmienne,

- napięcie na wejściu ‘ujemnym’ wzmacniacza operacyjnego jest równe zeru (wirtualna masa).

Rys.1.3. Wzmacniacz odwracający

1.2. Część laboratoryjna

W ćwiczeniu wykorzystano:

- płytkę umożliwiającą zbudowanie wzmacniaczy poprzez odpowiednie połączenie przewodami,

- generator sinusoidalny,

- rezystory: R1=1kΩ, R2=10klΩ, R3=100kΩ,

- zasilacz.

a) Wzmacniacz odwracający

U We	U Wy
0	0,03
1	0,06
2	0,157
3	0,263
4	0,362
5	0,459
6	0,562
7	0,661
8	0,757
9	0,86
10	0,96

Rys.1.4. Charakterystyka statyczna wzmacniacza odwracającego K=0.1

a) Wzmacniacz nieodwracający

Rys.1.5. Charakterystyka statyczna wzmacniacza nieodwracającego K=2

U We	U Wy
0	0,05
1	2,03
2	4,18
3	6,25
4	8,25
5	10,2
6	12,12
7	13,1
8	14,03
9	14,04
10	14,04

Rys.1.6. Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza nieodwracającego

Wnioski: Otrzymane charakterystyki statyczne mają postać nie idealne liniową. Nie liniowość może się objawiać błędem pomiarowym. Pełna charakterystyka w całym zakresie napięciowym powinna przyjąć kształt o zarysie histerezy, w obszarze bliskim wartości znamionowej powinna ulec zakrzywieniu w wyniku zniekształcenia sygnału wyjściowego. Na podstawie charakterystyki częstotliwościowej stwierdzono, że wzmacniacz dobrze pracuje dla małych częstotliwości, a dla wyższych zaczyna tłumić sygnał wejściowy.

2. Przetworniki AC/DC

   1. Charakterystyka statyczna przetwornika AC

Diody	Pomiar w dół	Pomiar w górę
4	3	2
0	0	0
0	0	0
0	0	1
0	0	1
0	1	0
0	1	0
0	1	1
0	1	1
1	0	0
1	0	0
1	0	1
1	0	1
1	1	0
1	1	0
1	1	1
1	1	1

Tab.2.1. Wyniki pomiarów

Rys.2.1. Charakterystyka statyczna przetwornika A/C

1. Charakterystyka dynamiczna przetwornika A/C

W celu sporządzenia charakterystyki dynamicznej podłączono wyjścia przetwornika A/C za pomocą karty pomiarowej National Instrument z komputerem. Na wejście zadano sygnał piłokształtny, następnie sinusoidalny

1. Przebiegi dla sygnału piłokształtnego.

Rys.2.2. Wyjścia przetwornika A/C dla sygnału piłokształtnego

Kolejnym krokiem była zamiana otrzymanej wartości binarnej na wartość napięcia w kodzie dziesiętnym.

Rys.2.3. Porównanie sygnału analogowego z cyfrowym

1. Przebiegi dla sygnału sinusoidalnego.

Rys.2.4. Wyjścia przetwornika A/C dla sygnału sinusoidalnego

Rys.2.5. Porównanie sygnału analogowego z cyfrowym

2. Sposoby zapisu pliku, porównanie Waveform Graph z Waveform Chart oraz pomiar prędkości silnika z en kodera

   1. Porównanie Waveform Graph z Waveform Chart

Do tego zadania posłużono się programem z rys 3.1.

Rys.3.1. Schemat pomiaru

Program 3.1 składa się z bloku Simulate Signal który to symuluje sygnał sinusoidalny o częstotliwości 20.1Hz, amplitudzie 1 zakłóconym szumem białym o amplitudzie 0.6. Następnie sygnał ten jest wyświetlany za pomocą Waveform Graph i Waveform Chart.

Rys.3.2. Porównanie wyświetlanych wyników przez Waveform Graph i Waveform Chart

Waveform Graph wyświetla wszystkie otrzymane wartości na raz. Dodatkowo zakłada, ze wszystkie dane są rozmieszczone równomiernie. Waveform Chart zapamiętuje w buforze i wyświetla pewną liczbę punktów. W momencie przepełnienia bufora następuje nadpisanie danych.

1. Sposoby zapisu plików

Do zapisu plików z danymi służy bloczek Write To Measurment File (Rys.3.1). Na rys 3.3 pokazano okno tego bloczka.

Rys.3.3. Okno bloczka Write To Measurment File.

File Name - wybór pliku w którym zostaną zapisane dane pomiarowe.

Action - możliwość zapisu zapisu danych do wielu plików.

File Format – format zapisu

Segment Headers – opcje nagłówków

X value columns – możliwość zapisu danych osi odciętych do każdego kanału, tylko jedna, lub jej brak

Rys.3.4. Opcje zapisu wielu plików.

Przykładowe dane pomiarowe

Dla ustawionych parametrów:

X Value Columns One Column per Channel oraz parametrów zgodnych z rys 3.4 otrzymano wyniki:

Rys. 3.5. Sposób nadawania nazw wielu plikom

LabVIEW Measurement

Writer_Version 2

Reader_Version 2

Separator Tab

Decimal_Separator ,

Multi_Headings Yes

X_Columns Multi

Time_Pref Relative

Operator Sony

Date 2011/06/14

Time 17:20:27,182159

***End_of_Header***

Channels 2

Samples 100 100

Date 2011/06/14 2011/06/14

Time 17:20:27,182159 17:20:27,182159

X_Dimension Time Time

X0 0,0000000000000000E+0 0,0000000000000000E+0

Delta_X 0,001000 0,001000

***End_of_Header***

X_Value Sine with Uniform Noise X_Value Sine with Uniform Noise 1 Comment

0,000000 -0,419021 0,000000 -0,560323

0,001000 -0,143626 0,001000 0,527725

0,002000 0,494250 0,002000 -0,307514

0,003000 -0,193700 0,003000 0,423221

0,004000 0,375205 0,004000 0,003742

0,005000 0,246601 0,005000 0,606296

0,006000 1,045531 0,006000 0,976922

0,007000 0,902779 0,007000 1,270356

0,008000 0,450433 0,008000 1,362338

0,009000 0,897621 0,009000 1,042158

0,010000 0,443484 0,010000 1,127208

0,011000 1,447189 0,011000 0,816244

0,012000 1,163554 0,012000 1,315610

0,013000 1,347945 0,013000 0,434284

0,014000 1,122500 0,014000 1,345471

0,015000 1,057198 0,015000 0,579799

1. Pomiar prędkości silnika prądu stałego z wykorzystaniem en kodera

W celu pomiaru prędkości silnika wykorzystano en koder. Na jego wyjściu uzyskano sygnał prostokątny rys 3.5. Następnie sygnał ten został poddany transformacie Fouriera dzięki której uzyskano częstotliwość tego sygnału. W związku z tym, iż en koder był 2 bitowy otrzymaną wartość częstotliwości podzielono przez 4. W celu wyrażenia prędkości w Obr/ min wartość ta przemnożono przez 60.

Rys.3.6. Sygnał z en kodera

Rys.3.7. Transformata Fouriera sygnału z en kodera

Prędkość silnika: V=170/4*60 = 2550 obr/min

2. Pomiar temperatury oraz prędkości dysku twardego

   1. Pomiar temperatury

Pomiar ten polegał na podłączeniu termopary do karty pomiarowej oraz odczytaniu aktualnej temperatury w pomieszczeniu. Kolejnym krokiem było zbadanie temperatury rezystora, którego zasilono napięciem 7 V.

1. Temperatura w pomieszczeniu laboratoryjnym wynosiła 27 [⁰C].

2. Zmiana temperatury zasilonego rezystora

Rys.4.1. Pomiar temperatury rezystora

1. Pomiar prędkości dysku twardego

W celu zrealizowania pomiaru prędkości dysku twardego komputera bez konieczności bezpośredniego dostępu do niego, wykorzystano akcelerometr podłączony do karty pomiarowej. Sygnał z akcelerometru poddany został szybkiej transformacie Fouriera dzięki czemu otrzymano rozkład częstotliwościowy tego sygnału. Z otrzymanego rozkładu odczytano częstotliwość pracy dysku twardego, którą to następnie zamieniono na obr/min.

Rys.4.2. Sygnał z akcelerometru

Rys.4.3. Transformata Fouriera sygnału. Wykres górny – cały zakres, dolny – zbliżenie na szukane częstotliwości.

Z wykresu odczytano częstotliwość 120Hz. W celu zamiany jednostki na obr/min wartość tą pomnożono przez 60. W wyniku czego otrzymano, że prędkość dysku twardego wynosi 7200 obr/min.