1

Uwagi prowadz

ą

cego

ć

wiczenie:

Wykaz przyrządów znajdujących się na stanowiskach

Lp.

Nazwa przyrządu

Typ

Producent

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH

WYDZIAŁ ELEKTRONIKI WAT

Zakład Systemów Informacyjno-Pomiarowych

Laboratorium Miernictwa Elektronicznego

Ć

wiczenie 3

Temat: POMIARY NAPI

Ę

CIA PRZEMIENNEGO

Grupa:

Data wykonania

ć

wiczenia:

..................................................................
Data oddania sprawozdania:
..................................................................
Ocena:
..................................................................

Zespół w składzie:

1.

2.

3.

Prowadz

ą

cy

ć

wiczenie:

..................................................................

2

A) Zestawienie parametrów wykorzystywanych przyrządów pomiarowych
Tabela ta jest podstawą opracowania sprawozdania z ćwiczenia.

typ

przyrządu

rodzaj

przyrządu

błąd graniczny

∆

g

U,

oznaczenia:

w.z. - wartość zakresu

w.m. - wartość mierzona

zakres

częstotliwości

impedancja

wejściowa

rodzaj

przetwornika

AC/DC

∆

g

U =

±

1,5% w.z.

10Hz-20kHz

V-640

multimetr

analogowy

dla zakresu 1,5mV:

∆

g

U =

±

(1,5% w.z.+1,5%w.m)

∆

g

U =

±

(1,5% w.z.+1,5%w.m)

30Hz

÷

10kHz

10Hz

÷

30Hz

10kHz

÷

20kHz

dla zakresów

1,5mV

÷

150mV:

10M

Ω



60pF

dla zakresów

0,5V

÷

1,5kV:

100M

Ω



20pF

m.cz. - wartości
ś

redniej

w.cz. - wartości
szczytowej

dla zakresu 200,000 mV:

∆

U =

±

(1,0% w.m + 0,1% w.z)

∆

U =

±

(0,2% w.m + 0,1% w.z)

∆

U =

±

(2,0% w.m + 0,2% w.z)

∆

U =

±

(4,0% w.m + 0,2% w.z)

10 Hz

÷

45 Hz

45 Hz

÷

20 kHz

20 kHz

÷

50 kHz

50 kHz

÷

100 kHz

DM3052

multimetr

cyfrowy

dla zakresu 2 V

÷

750,00 V:

∆

U =

±

(1,0% w.m + 0,1% w.z)

∆

U =

±

(0,2% w.m + 0,1% w.z)

∆

U =

±

(1,0% w.m + 0,1% w.z)

∆

U =

±

(2,0% w.m + 0,2% w.z)

10 Hz

÷

45 Hz

45 Hz

÷

20 kHz

20 kHz

÷

50 kHz

50 kHz

÷

100 kHz

1 M

Ω

±

2%

<

100pF

Przetwornik

rzeczywistej

wartości

skutecznej

(True RMS)

B) Sposób podłączenia mierzonego napięcia do gniazd wejściowych multimetru cyfrowego

+

−

HI (+)

LO (

−

)

Mierzone napięcie

(stałe lub zmienne)

Gniazda wejściowe multimetru

cyfrowego DM3052

3

1. DOBÓR ZAKRESU POMIAROWEGO DO WARTOŚCI MIERZONEGO NAPIĘCIA

1.1. Układ pomiarowy

1.2. Pomiary

W układzie jak w p. 1.1 na ustalonym zakresie U

z

wybranego woltomierza (multimetru) analogowego

dokonać pomiaru 10 różnych wartości napięć generatora. SEM generatora zmieniać w zakresie 0.1U

z gen.

÷

U

z gen.

ze skokiem 0.1U

z

. Wartości zmierzone jako wartości U

V

zapisać w tabeli.

Częstotliwość f = 1 kHz.

Woltomierz (multimetr) analogowy typ ..................

Zakres woltomierza U

z

= .........

Zakres napięcia generatora U

z gen.

=……………..

SEM

U

V

u

B

(U

V

)

δ

U

V

V

V

%

0,1U

z.gen.

0,2U

z.gen.

0,3U

z.gen.

0,4U

z.gen.

0,5U

z.gen.

0,6U

z.gen.

0,7U

z.gen.

0,8U

z.gen.

0,9U

z.gen.

U

z.gen.

Powtórzyć pomiary dla wybranego woltomierza cyfrowego. Wyniki zapisać w tabeli. Pamiętać o zanotowaniu
wszystkich cyfr wyniku – patrz formuła na błąd graniczny w tabeli na str. 2.

Woltomierz (multimetr) cyfrowy typ ..................

Zakres woltomierza U

z

= .........

Zakres napięcia generatora U

z gen.

=……………..

SEM

U

V

u

B

(U

V

)

δ

U

V

V

V

%

0,1U

z.gen.

0,2U

z.gen.

0,3U

z.gen.

0,4U

z.gen.

0,5U

z.gen.

0,6U

z.gen.

0,7U

z.gen.

0,8U

z.gen.

0,9U

z.gen.

U

z.gen.

Badany

woltomierz

analogowy lub

cyfrowy

Generator

pomiarowy

m.cz.

4

Polecenie. Korzystając z danych zawartych w tabeli na str. 2 określić błędy graniczne

∆

g

U wynikające z dokładności

użytego przyrządu, którymi obarczone były pomiary napięcia generatora, niepewności standardowe u

B

(U

m

) oraz

procentowe dokładności tych pomiarów

δ

U

wg zależności:

3

)

(

U

U

u

g

V

B

∆

=

%

100

)

(

⋅

=

V

V

B

U

U

U

u

δ

.

Uwaga: błąd graniczny

∆

g

U nie jest różnicą pomiędzy wartością SEM a wartością zmierzoną - wyznacza się go

w oparciu o zapisane w tabeli na str.2 formuły określania dokładności. Obliczenia wykonać dla woltomierza
analogowego i cyfrowego pamiętając o zasadach podawania niepewności wyników pomiarów.
Na podstawie wypełnionych tabel wykreślić zależności

δ

U

w funkcji U

m

. Zapisać wskazania dotyczące doboru

zakresu woltomierza do wartości mierzonego napięcia i uzasadnić je.

2. WPŁYW CZĘSTOTLIWOŚCI MIERZONEGO NAPIĘCIA NA DOKŁADNOŚĆ POMIARU

2.1. Układ pomiarowy

2.2. Pomiary

W układzie jak w p. 2.1 dokonać pomiaru napięć harmonicznych generatora odpowiadających ustalonemu przez
prowadzącego zajęcia położeniu pokrętła regulatora napięcia wyjściowego o częstotliwościach zawartych w tabeli.
Doboru przyrządu do pomiaru napięcia o danej częstotliwości należy dokonać na podstawie własności zestawionych
w tabeli na str. 2. Wartości zmierzone wpisać do tabeli jako U

V

. W przypadku gdy dany woltomierz nie jest

przeznaczony do pomiaru napięcia o zadanej częstotliwości należy wpisać do tabeli znak "-".

Woltomierz typ……….

Woltomierz typ……….

Zakres napięcia U

z

=……..

Zakres napięcia U

z

=……..

f

U

V

Wynik

U

V

Wynik

kHz

V

V

V

V

0,01

0,5

15

50

80

200

500

1000

Polecenie. Korzystając z danych zawartych w tabeli na str. 2 określić wyniki pomiarów jako wyrażenie:

wynik = U

V

±

u

B

(U

V

),

gdzie u

B

(U

V

) jest niepewnością standardową pomiaru (p. polecenie punktu 1.2).

Wskazać przyrządy, które charakteryzują się największą dokładnością wskazań dla podanych częstotliwości.
Pamiętać o zasadach zaokrąglania wyników.

Generator

pomiarowy

Badany

woltomierz

Oscyloskop

5

3. WPŁYW IMPEDANCJI WEWNĘTRZNEJ ŹRÓDŁA MIERZONEGO NAPIĘCIA
NA DOKŁADNOŚĆ POMIARU
3.1. Układ pomiarowy

3.2. Pomiary

W układzie jak w p. 3.1 dokonać pomiaru napięcia harmonicznego źródła o regulowanej rezystancji

wewnętrznej R

w

= R

wgen

+R

d

dla różnych wartości rezystancji R

d

. Pomiary wykonać kolejno dla dwu różnych

częstotliwości. Wartości zmierzone jako U

m

zanotować w tabelach. Jako SEM generatora przyjąć wskazanie

woltomierza (lub kalibrowanego układu wyjściowego) wbudowanego w generator.

woltomierz typ ................... SEM= ..............................

R

d

[k

Ω

]

0

100

200

300

400

500

600

800 1000 1500

f=1kHz



Z

we



= .............

U

m

[V]

f=20kHz



Z

we



= .............

U

m

[V]

woltomierz typ ................... SEM= ..............................

R

d

[k

Ω

]

0

100

200

300

400

500

600

800 1000 1500

f=1kHz



Z

we



= .............

U

m

[V]

f=20kHz



Z

we



= .............

U

m

[V]

Polecenie. Na podstawie informacji zawartych w tabeli na str. 2 obliczyć moduły impedancji wejściowych
wybranych woltomierzy



Z

we



- należy przyjąć, że od strony źródła woltomierz stanowi równoległe połączenie

rezystancji i pojemności o wartościach wskazanych w tabeli na str. 2. Wyniki obliczeń zapisać w tabelach .
Narysować na oddzielnych wykresach dla każdego z woltomierzy zmianę wskazania (czyli U

m

) w funkcji

stosunku R

w

/



Z

we



, gdzie R

w

=R

d

+600

Ω

(lub R

w

=R

d

+50

Ω

) dla obydwu częstotliwości. Na każdym z wykresów

nanieść SEM źródła napięcia. Dla przypadku częstotliwości 1kHz oszacować ile razy impedancja wejściowa
woltomierza musi być większa od impedancji źródła aby spadek dokładności wskazań ze wzrostem R

w

był nie

większy niż o 10%. Wyciągnąć wnioski co do wpływu częstotliwości mierzonego napięcia na wymaganą
wartość impedancji wejściowej woltomierza.

Badany

woltomierz

Generator

pomiarowy

R

d

R

w.gen.

−

+

6

4. WPŁYW KSZTAŁTU MIERZONEGO NAPIĘCIA NA DOKŁADNOŚĆ POMIARU
4.1. Układ pomiarowy

4.2. Pomiary

W układzie jak w p. 4.1 notować w tabeli wskazania

α

woltomierzy z różnymi typami przetworników

AC/DC przy pomiarach napięcia sinusoidalnego, trójkątnego i prostokątnego.
Kontrolować stałość wartości międzyszczytowej SEM np. SEM

p-p

=6V przy zmianie kształtu napięcia za pomocą

dołączonego oscyloskopu.

typ woltomierza

rodzaj przetwornika AC/DC

α

[V]

U

ś

r

[V]

U

sk

[V]

napięcie sinusoidalne

współcz. kształtu k

k

=1.11

współcz. szczytu k

a

=1.41

U

szczyt

[V]

α

[V]

U

ś

r

[V]

U

sk

[V]

napięcie trójkątne

współcz. kształtu k

k

=1.15

współcz. szczytu k

a

=1.732

U

szczyt

[V]

α

[V]

U

ś

r

[V]

U

sk

[V]

napięcie prostokątne

współcz. kształtu k

k

=1

współcz. szczytu k

a

=1

U

szczyt

[V]

Polecenie. Bazując na wskazaniach

α

oraz na informacji o rodzaju przetwornika wykorzystanego

w woltomierzu, obliczyć wartości charakterystyczne napięć: średnią, skuteczną i szczytową i zapisać je do tabeli.
W sprawozdaniu przedstawić zależności, według których wyznaczono te wartości oraz przykładowe obliczenia.

Oscyloskop

Badany

woltomierz

1

Generator

funkcji

Badany

woltomierz

2

7

5. POMIARY NAPIĘCIA OKRESOWEGO METODAMI OSCYLOSKOPOWYMI
5.1. Metoda porównawcza (metoda podstawiania).
5.1.1. Układy pomiarowe





































5.1.2. Pomiary

Sposób wykonania pomiarów.
Krok 1:
- mierzone napięcie o parametrach podanych w tabeli połączyć zgodnie z p. 5.1.1,
- regulując nastawami oscyloskopu, ustawić odpowiednią wysokość oscylogramu „H” (zalecane pełne pole
pomiarowe),
- UWAGA: parametry kanału CH1 nie muszą być kalibrowane.
Krok 2:
- nie zmieniając nastaw oscyloskopu, podłączyć napięcie wzorcowe m.cz. na wejście CH1 oscyloskopu,
- ustawić wartość napięcia m.cz. tak aby otrzymać wysokość oscylogramu „H” (jak w kroku 1).
Krok 3:
- ustawione napięcie wzorcowe podłączyć do woltomierza (nie regulując jego wartości),
- odczytać wartość napięcia m.cz.,
- wyniki pomiarów zanotować w tabeli.

U

w p-p

=U

x

U

x

CH1

Generator

pomiarowy

Oscyloskop

U

Generator

napięcia

wzorcowego

Woltomierz

elektroniczny

Krok 2

U

Generator

napięcia

wzorcowego

Woltomierz

elektroniczny

Generator

pomiarowy

Oscyloskop

Krok 3

CH1

Generator

pomiarowy

Oscyloskop

U

Generator

napięcia

wzorcowego

Woltomierz

elektroniczny

Krok 1

8

a) Pomiar napięcia w.cz.

U

x p-p

= ……………..[V]

f

MHz

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

H

dz

U

m.cz.

V

U

w.cz.

V

Oznaczenia:
U

x p-p

= const. – wartość międzyszczytowa napięcia w.cz. ustawiona na generatorze pomiarowym,

H – wysokość oscylogramu sygnału badanego (zalecane pełne pole pomiarowe),
U

m.cz

– wartość skuteczna napięcia wzorcowego m.cz. zmierzona woltomierzem,

U

w.cz.

= U

m.cz

– zmierzona wartość skuteczna badanego napięcia w.cz.

b) Pomiary napięć odkształconych

U

x p-p

= ……………..[V]

Kształt napięcia

H

dz

U

m.cz.

V

U

x zm.

V

Oznaczenia:
U

x p-p

= const. – wartość międzyszczytowa mierzonego napięcia ustawiona na generatorze pomiarowym,

H – wysokość oscylogramu sygnału badanego (zalecane pełne pole pomiarowe),
U

m.cz

– wartość skuteczna napięcia wzorcowego m.cz. zmierzona woltomierzem,

U

x zm.

= U

m.cz

⋅

2

2

– zmierzona wartość międzyszczytowa badanego napięcia.

5.2. Metoda przesunięcia pionowego (zastosowanie trybu pracy ADD oscyloskopu)
5.2.1. Układ pomiarowy

5.2.2. Pomiary

Połączyć układ pomiarowy zgodnie z p. 5.2.1.
Napięcie zasilacza U

=

= 0.

Przełącznik rodzaju pracy w położeniu ADD (suma lub różnica przebiegów doprowadzonych do obu kanałów).
Współczynniki odchylania kanałów Y1 i Y2 w tym samym położeniu (D

Y1

= D

Y2

).

Przełącznik

rodzaju pracy
w położeniu:

ADD

U

CH1

CH2

Oscyloskop

Generator

pomiarowy

Zasilacz
napięcia

stałego

9

Sposób wykonania pomiarów.
Krok 1:
- sprzężenia kanałów Y1 oraz Y2 w położeniu „masa” GND,
- regulując przesuwem pionowym linię podstawy czasu ustawić na środku pola pomiarowego (rysunek).
Krok 2:
- przełącznik sprzężenia kanałów Y1 oraz Y2 w położeniu DC – sprzężenie stałoprądowe,
- regulując przesuwem pionowym ustawić oscylogram tak aby wierzchołki górne oscylogramu pokryły się
z linią środkową pola pomiarowego (rysunek).

Krok 3:
- regulując napięciem zasilacza U

=

, ustawić oscylogram tak aby wierzchołki dolne oscylogramu pokryły się

z linią środkową pola pomiarowego (rysunek).
- wynik pomiaru: U

x p-p

= U

=

.

a) Pomiar napięcia w.cz.

U

x

= ……………..[V

p-p

]

f

MHz

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

U

=

V

U

x p-p

V

U

x sk.

V

Oznaczenia:
- U

x

= const.

−

wartość międzyszczytowa mierzonego napięcia ustawiona na generatorze pomiarowym,

- U

=

−

wartość napięcia stałego odczytana z zasilacza lub z woltomierza napięcia stałego,

- U

x p-p

= U

=

−

zmierzona wartość międzyszczytowa badanego napięcia

2

2

.

p

xp

xsk

U

U

−

=

−

wartość skuteczna badanego napięcia

b) Pomiary napięć odkształconych

U

x

= ……………..[V

p-p

]

Kształt napięcia

U

=

V

U

x p-p

V

Oznaczenia:
- U

x

= const.

−

wartość międzyszczytowa mierzonego napięcia ustawiona na generatorze pomiarowym,

- U

=

−

wartość napięcia stałego odczytana z zasilacza lub z woltomierza napięcia stałego,

- U

x p-p

= U

=

−

zmierzona wartość międzyszczytowa badanego napięcia.

Krok 1

Krok 2

Krok 3

10

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) Wnioski wynikające z przeprowadzonych pomiarów i obserwacji.

Przykładowe pytania kontrolne:

1.

Omówić definicje oraz sens fizyczny wartości charakterystycznych napięcia zmiennego (wartość średnia,
skuteczna i szczytowa).

2.

Scharakteryzować parametry użytkowe woltomierzy napięć zmiennych.

3.

Omówić rolę, budowę i zasadę działania przetworników prostownikowych AC/DC w woltomierzach napięć
zmiennych.

4.

Omówić budowę (schematy blokowe) i zasadę działania elektronicznych woltomierzy analogowych.

5.

Omówić wpływ impedancji wewnętrznej woltomierza na jego wskazania.

6.

Omówić wpływ kształtu mierzonego napięcia na wskazania woltomierzy.

7.

Omówić wpływ częstotliwości mierzonego napięcia na wskazania woltomierzy.

Literatura dodatkowa:

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
3) J. Parchański „Miernictwo elektryczne i elektroniczne” W S i P 1991r.
4) J. Dusza, G. Gortat, A. Leśniewski „Podstawy miernictwa” Ofic. Wyd. Politechniki Warszawskiej, 1998r.