Elektroniczne techniki pomiarowe
- laboratorium
Ćwiczenie 3
 Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wyko-
rzystaniem oscyloskopu cyfrowego
Instrukcja laboratoryjna
 Człowiek - najlepsza inwestycja
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Warszawa 2010
2 Ćwiczenie 3
 Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
3. Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzy-
staniem oscyloskopu cyfrowego
3.1. Cel ćwiczenia
1. Poznanie oscyloskopu cyfrowego oraz zasady transmisji danych pomiarowych
2. Zapoznanie się z analizą oraz metodami filtracji danych pomiarowych
3.2. Przedmiot ćwiczenia i pomoce
3.2.1. Przedmiot ćwiczenia
Przedmiotem ćwiczenia jest oscyloskop cyfrowy współpracujący z kompute-
rem stacjonarnym PC
3.2.2. Wymagane zagadnienia teoretyczne
Budowa i zasada działania oscyloskopu cyfrowego, protokoły transmisji da-
nych, znajomość zagadnienia analizy i filtracji danych pomiarowych.
3.3. Sprawozdanie z ćwiczenia
W sprawozdaniu nale\
y zamieścić :
a) Protokół zawierający schematy układów pomiarowych, wyniki pomiarów,
wyniki obliczeń i wykresy
b) Wnioski w formie komentarza do uzyskanych wyników
Elektroniczne techniki pomiarowe
 Ćwiczenie 3 3
 Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
3.4. Wstęp
Rozwój przetworników analogowo-cyfrowych (wprowadzonych do zastosowań w la-
tach sześćdziesiątych XX wieku) oraz powszechna dostępność nowoczesnych metod
szybkiego przetwarzania danych spowodował upowszechnienie się oscyloskopów cy-
frowych. Częstotliwości próbkowania w najlepszych, dostępnych komercyjnie modelach
oscyloskopów cyfrowych sięgają 10 GHz. W modelach przeznaczonych do powszech-
nego u\
ytku pasmo to jest ograniczone do dziesiątek megaherców, co jednak w zupełno-
ści wystarcza do większości prac laboratoryjnych.
Dodatkowo w oscyloskopach cyfrowych są stosowane wbudowane układy cyfrowej
analizy sygnału mierzonego np. do matematycznego wyznaczania wartości napięć śred-
nich i skutecznych w badanego przebiegu. Oscyloskopy cyfrowe zapewniają równie\

mo\
liwość bezpośredniego połączenia z komputerem PC. Dlatego te\
oscyloskopy cy-
frowe stały się w praktyce najbardziej uniwersalnymi urządzeniami do badania zarówno
powtarzalnych jak i jednorazowych przebiegów elektrycznych.
3.5. Oscyloskop cyfrowy i jego mo\
liwości pomiarowe
Uproszczony schemat strukturalny oscyloskopu cyfrowego przedstawiono na rys. 1.
Linia
opóz
niająca
Układ
We Układ S&H A/C Pamięć rekonstrukcji
przebiegu
Sygnał
Mikro-
synchroniza Wyświetlacz
komputer
cjiy
RS-232
/
GPIB
Rys. 3.1. Uproszczony schemat strukturalny oscyloskopu cyfrowego.
Elektroniczne techniki pomiarowe
4 Ćwiczenie 3
 Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
Sygnał wyjściowy ze wzmacniacza wejściowego podawany jest na układ próbkują-
co-pamiętający S&H (ang. sample and hold). W układzie S&H zostaje pobrana i za-
pamiętana analogowa wartość chwilowa przebiegu w chwili jego próbkowania. Zapa-
miętana w postaci analogowej w układzie S&H wartość chwilowa przebiegu zostaje
następnie przetworzona na wartość cyfrową w przetworniku analogowo-cyfrowym
(najczęściej stosowane są przetworniki 8 bitowe). Wartość cyfrowa, odpowiadająca
jednej pobranej próbce przebiegu, zostaje zapamiętana w pamięci cyfrowej. Zapamię-
tany przebieg, po pobraniu go z pamięci cyfrowej, podawany jest na układ rekonstruk-
cji przebiegu. Mierzony przebieg mo\
e być  zamro\
ony na stałe w pamięci cyfrowej i
pomimo odłączenia sygnału od wejścia oscyloskopu, mo\
e być odtwarzany dowolnie
długo na ekranie. Mo\
liwe jest równie\
uzyskanie obrazu aktywnego (tzw. praca z od-
świe\
aniem) przez okresowe kasowanie zawartości pamięci i ponowne jej wypełnianie
sygnałem o aktualnym kształcie. Oprócz mo\
liwości bezpośredniego odtwarzania
przebiegów na ekranie, oscyloskop cyfrowy pozwala równie\
na przesłanie tych prze-
biegów w postaci cyfrowej, poprzez interfejs do dalszego matematycznego przetwa-
rzania i analizy. Interfejs taki pozwala równie\
na zdalne sterowanie nastawami oscy-
loskopu i organizację pobierania próbek (liczba próbek w rekordzie, moment rozpo-
częcia próbkowania, liczba zarejestrowanych rekordów). Najczęściej wykorzystywany
w tym celu są interfejsy RS 232 i GPIB.
3.6. Stanowisko pomiarowe
Badany w ćwiczeniu system zawiera:
" oscyloskop cyfrowy HP 54603B współpracujący z komputerem PC,
" generator NDN DF1642B,
" przetwornik napięcie prąd U/I (wykorzystywany jest Histerezograf HD 1-75),
" badane rdzenie, z materiałów magnetycznie miękkich.
Przedstawiony na rysunku 3.2. system jest zło\
ony z dwóch bloków: blok magne-
sowania (zawierający generator i przetwornik), oraz blok pomiarowy (oscyloskop cy-
frowy współpracujący z komputerem PC).
Elektroniczne techniki pomiarowe
 Ćwiczenie 3 5
 Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
Rys. 3.2. Struktura badanego systemu pomiarowego
W skład systemu pomiarowego wchodzą:
- Generator NDN DF 1642B
- Przetwornik napięcie-prąd U/I
- Oscyloskop cyfrowy HP 54603 B
- Komputer stacjonarny PC
- Badany rdzeń z materiału magnetycznie miękkiego
Ćwiczenie składa się z dwóch etapów: pomiar i akwizycja danych oraz analiza i zo-
brazowanie wyników pomiarów.
Parametry badanego rdzenia pierścieniowego:
Materiał Ferryt Mn-Zn F 807
Równowa\
na długość drogi magnetycznej le 8,168 cm
Równowa\
ny przekrój poprzeczny Se 0,588 cm2
Liczba zwojów uzwojenia magnesującego z1, 20 zwojów
Liczba zwojów uzwojenia pomiarowego z2 50 zwojów
Elektroniczne techniki pomiarowe
6 Ćwiczenie 3
 Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
3.7. Przebieg ćwiczenia
3.7.1. Przygotowanie stanowiska
a. Do zestawionego systemu dołączyć uzwojony rdzeń:
- Uzwojenie magnesujące Z1 do zacisków wyjściowych przetwornika napięciowo prądowe-
go U/I.
- Uzwojenie pomiaroweZ2 na wejście 1 oscyloskopu.
b. Włączyć oscyloskop, komputer, generator i przetwornik U/I, (w obecności prowadzącego).
c. Ustawić częstotliwość pracy generatora na 350 Hz ą5 Hz, przebieg sinusoidalny.
d. Zmieniając (pokrętłem amplituda na generatorze) amplitudę sygnału magnesującego i po-
miarowego obserwować zmiany tych przebiegów na oscyloskopie, a\
do uzyskania wyraz
-
nego sygnału magnesującego oraz wyraz
nych niezniekształconych pików sygnału pomia-
rowego.
3.7.2. Procedura akwizycji danych
Po uruchomieniu systemu Windows otwieramy katalog Miernictwo znajdujący się na
pulpicie a następnie katalog z numerem grupy (np. gr 36a). Uruchamiamy program Excel
poprzez otwarcie pliku Obróbka (dwukrotnie klikając myszką). Gdy program jest ju\
uru-
chomiony zapisujemy otwarty plik pod nazwą gr (nr.gr.) zespół (nr.zesp.) np. gr 36a zespół
3. W pliku obróbka mamy przykładowe dane i procedury do przetwarzania danych zebranych
z oscyloskopu. (nie usuwać tych danych!!!!)
Nale\
y przejrzeć zakładki w arkuszu. Zwrócić szczególną uwagę na sygnał przed i po
filtracji na wykresach magnesowanie i pomiar. Zapoznać się z działaniem filtra zastosowane-
go do przetwarzania danych.
Elektroniczne techniki pomiarowe
 Ćwiczenie 3 7
 Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
Rys. 3.3. Program Excel z paskiem zadań HP 54600 Scope do pobierania danych z oscylo-
skopu.
Wraz z programem Excel zostanie uruchomiony automatycznie program HP BenchLink XL
54600 a na ekranie będzie uwidoczniony jako pasek zadań HP 54600 Scope jak na rysunku 3.
Nale\
y sprawdzić połączenie z oscyloskopem klikając na drugą ikonę paska zadań HP 54600
Scope z rysunku 3. Zostanie uruchomione okno dialogowe jak rysunku 4. Po uzyskaniu po-
twierdzenia kontaktu na złączu RS 232 pomiędzy komputerem a oscyloskopem mo\
na za-
mknąć okno dialogowe.
Rys. 3.4. Okno testowania połączenia
Elektroniczne techniki pomiarowe
8 Ćwiczenie 3
 Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
Naciskamy na czwartą ikonę XY <" na pasku zadań, uruchomione zostanie okno ustawień po-
łączenia przedstawione na rysunku 5.
Rys. 3.5. Ustawienie właściwości akwizycji danych
Następnie po naciśnięciu przycisku OK zostanie uruchomiony proces akwizycji danych, po
zakończeniu którego okno dialogowe zostanie zamknięte, a dane zostaną zapisane w arkuszu
Excel w zakładce Scopedata2.
3.5.3. Procedura przetwarzania i analizy danych
Dane na wyjściu oscyloskopu zawierają najczęściej tzw. offset oraz szumy występują-
ce przy pomiarze ka\
dego sygnału. Do eliminacji tych zakłóceń posłu\
ą procedury zapisane w
otwartym pliku w zakładce Scope Data1
Zebrane dane pomiarowe z zakładki Scopedata2 nale\
y zaznaczyć (oprócz 1 wiersza) i
skopiować ( Ctrl + C) i wkleić do zakładki Scopedata1 klikając na komórkę A5 i wciskając
Ctrl+V.
Elektroniczne techniki pomiarowe
 Ćwiczenie 3 9
 Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
Filtracja danych
Pierwszym etapem jest filtracja danych otrzymanych w czasie pomiaru. Mo\
na tego
dokonać stosując prosty filtr inercyjny (kolumny E do N). Typową stałą filtru jest wartość 0,8
obserwując jednocześnie wyniki mo\
na modyfikować tą stałą w zakresie 0,6-0,9.
Wskazanie pełnego okresu przebiegu i likwidacja offsetu
Typowy okres zawiera się w przedziale komórek 270  854 z arkusza excel, jednak
dane nale\
y zweryfikować dla otrzymanego przebiegu. Offset likwiduje się poprzez odejmo-
wanie od wszystkich punktów pomiarowych połowy ró\
nicy pomiędzy największą a naj-
mniejszą wartością przebiegu. Otrzymany wykres sporządzony z danych po likwidacji offsetu,
powinien być symetryczny względem osi.
Całkowanie
By uzyskać wartości indukcji nale\
y dokonać całkowania przebiegu. W tym celu nale-
\
y sumować wartości przebiegu dodając kolejne wartości i zapisywać kolejne sumy. W pliku
excel wykonywane jest to automatycznie w kolumnie P.
Wykres uzyskany mo\
e pokazywać niedomkniętą pętle, nale\
y doprowadzić do jej
zamknięcia poprzez zmianę wartości w komórce Q270 tak by komórka R265 wskazywała
wartość zbli\
oną do zera.
Wykres powinien być symetryczny względem osi X i Y .
Skalowanie osi
Dane otrzymane z pomiarów oscyloskopowych wyra\
one są w woltach i nale\
y je
przeliczyć na jednostki odpowiadające właściwym wielkościom mierzonym. Jak pole magne-
sujące H w A/m a indukcja magnetyczna B w mT.
Procedurę przeliczenia zaproponują studenci wykonujący ćwiczenie.
Elektroniczne techniki pomiarowe
10 Ćwiczenie 3
 Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
3.6. Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
- opracowane dane pomiarowe,
- wyznaczone charakterystyki,
- algorytm przeliczania wartości opisanych na osiach charakterystyk
- opis zastosowanych algorytmów filtracji danych pomiarowych
- dyskusje otrzymany wyników
- wnioski
3.7. Literatura
[1] Chwaleba A.  Miernictwo elektryczne WNT 2003
[2] Rydzewski J.  Pomiary oscyloskopowe WNT 1999
[3] Marciniuk A.  Podstawy miernictwa elektrycznego  dla kierunków elektronika , Wydaw-
nictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002
[4] Tumański S.  Technika pomiarowa WNT 2007
[5] Bieńkowski A.  Magnetosprę\
yste zjawisko Villariego w ferrytach i mo\
liwość jego wyko-
rzystania w budowie przetworników naprę\
eń i sił" Oficyna Wydawnicza Politechniki War-
szawskiej, Warszawa 1995
Elektroniczne techniki pomiarowe