Elektroniczne techniki pomiarowe

- laboratorium

Ć

wiczenie 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

Ć

wiczenie 3

„

Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem

oscyloskopu cyfrowego

”

Elektroniczne techniki pomiarowe

3. Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzy-

staniem oscyloskopu cyfrowego

3.1.

Cel

ć

wiczenia

1. Poznanie oscyloskopu cyfrowego oraz zasady transmisji danych pomiarowych

2. Zapoznanie się z analizą oraz metodami filtracji danych pomiarowych

3.2.

Przedmiot

ć

wiczenia 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

ć

wiczenia

W sprawozdaniu należy zamieścić :

a) Protokół zawierający schematy układów pomiarowych, wyniki pomiarów,

wyniki obliczeń i wykresy

b) Wnioski w formie komentarza do uzyskanych wyników

Ć

wiczenie 3

3

„

Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem

oscyloskopu cyfrowego

”

Elektroniczne techniki pomiarowe

3.4.

Wst

ę

p

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 użytku pasmo to jest ograniczone do dziesiątek megaherców, co jednak w zupełno-
ś

ci 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 również
możliwość bezpośredniego połączenia z komputerem PC. Dlatego też 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

ż

liwo

ś

ci pomiarowe

Uproszczony schemat strukturalny oscyloskopu cyfrowego przedstawiono na rys. 1.

Układ S&H

A/C

Pami

ęć

Układ

rekonstrukcji

przebiegu

Mikro-

komputer

Linia

opó

ź

niaj

ą

ca

RS-232

/

GPIB

Sygnał

synchroniza

cjiy

Wy

ś

wietlacz

We

Rys. 3.1. Uproszczony schemat strukturalny oscyloskopu cyfrowego.

4

Ć

wiczenie 3

„

Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem

oscyloskopu cyfrowego

”

Elektroniczne techniki pomiarowe

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 może być „zamrożony” na stałe w pamięci cyfrowej i
pomimo odłączenia sygnału od wejścia oscyloskopu, może być odtwarzany dowolnie
długo na ekranie. Możliwe jest również uzyskanie obrazu aktywnego (tzw. praca z od-
ś

wieżaniem) przez okresowe kasowanie zawartości pamięci i ponowne jej wypełnianie

sygnałem o aktualnym kształcie. Oprócz możliwości bezpośredniego odtwarzania
przebiegów na ekranie, oscyloskop cyfrowy pozwala również na przesłanie tych prze-
biegów w postaci cyfrowej, poprzez interfejs do dalszego matematycznego przetwa-
rzania i analizy. Interfejs taki pozwala również 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 złożony z dwóch bloków: blok magne-

sowania (zawierający generator i przetwornik), oraz blok pomiarowy (oscyloskop cy-
frowy współpracujący z komputerem PC).

Ć

wiczenie 3

5

„

Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem

oscyloskopu cyfrowego

”

Elektroniczne techniki pomiarowe

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

Ć

wiczenie 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

Równoważna długość drogi magnetycznej l

e

8,168 cm

Równoważny przekrój poprzeczny S

e

0,588 cm

2

Liczba zwojów uzwojenia magnesującego z

1,

20 zwojów

Liczba zwojów uzwojenia pomiarowego z

2

50 zwojów

6

Ć

wiczenie 3

„

Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem

oscyloskopu cyfrowego

”

Elektroniczne techniki pomiarowe

3.7.

Przebieg

ć

wiczenia

3.7.1. Przygotowanie stanowiska

a. Do zestawionego systemu dołączyć uzwojony rdzeń:

- Uzwojenie magnesujące Z

1

do zacisków wyjściowych przetwornika napięciowo prądowe-

go U/I.

- Uzwojenie pomiaroweZ

2

na wejście 1 oscyloskopu.

b. Włączyć oscyloskop, komputer, generator i przetwornik U/I, (w obecności prowadzącego).

c. Ustawić częstotliwość pracy generatora na 350 Hz

±

5 Hz, przebieg sinusoidalny.

d. Zmieniając (pokrętłem amplituda na generatorze) amplitudę sygnału magnesującego i po-

miarowego obserwować zmiany tych przebiegów na oscyloskopie, aż do uzyskania wyraź-
nego sygnału magnesującego oraz wyraźnych 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 już 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!!!!)

Należy 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.

Ć

wiczenie 3

7

„

Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem

oscyloskopu cyfrowego

”

Elektroniczne techniki pomiarowe

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.
Należy 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 można za-
mknąć okno dialogowe.

Rys. 3.4. Okno testowania połączenia

8

Ć

wiczenie 3

„

Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem

oscyloskopu cyfrowego

”

Elektroniczne techniki pomiarowe

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 każdego sygnału. Do eliminacji tych zakłóceń posłużą procedury zapisane w
otwartym pliku w zakładce Scope Data1

Zebrane dane pomiarowe z zakładki Scopedata2 należy zaznaczyć (oprócz 1 wiersza) i

skopiować ( Ctrl + C) i wkleić do zakładki Scopedata1 klikając na komórkę A5 i wciskając
Ctrl+V.

Ć

wiczenie 3

9

„

Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem

oscyloskopu cyfrowego

”

Elektroniczne techniki pomiarowe

Filtracja danych

Pierwszym etapem jest filtracja danych otrzymanych w czasie pomiaru. Można tego

dokonać stosując prosty filtr inercyjny (kolumny E do N). Typową stałą filtru jest wartość 0,8
obserwując jednocześnie wyniki można 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 należy zweryfikować dla otrzymanego przebiegu. Offset likwiduje się poprzez odejmo-
wanie od wszystkich punktów pomiarowych połowy różnicy 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 należy dokonać całkowania przebiegu. W tym celu nale-

ż

y sumować wartości przebiegu dodając kolejne wartości i zapisywać kolejne sumy. W pliku

excel wykonywane jest to automatycznie w kolumnie P.

Wykres uzyskany może pokazywać niedomkniętą pętle, należy doprowadzić do jej

zamknięcia poprzez zmianę wartości w komórce Q270 tak by komórka R265 wskazywała
wartość zbliżoną do zera.

Wykres powinien być symetryczny względem osi X i Y .

Skalowanie osi

Dane otrzymane z pomiarów oscyloskopowych wyrażone są w woltach i należy 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.

10

Ć

wiczenie 3

„

Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem

oscyloskopu cyfrowego

”

Elektroniczne techniki pomiarowe

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. „Magnetosprężyste zjawisko Villariego w ferrytach i możliwość jego wyko-

rzystania w budowie przetworników naprężeń i sił" Oficyna Wydawnicza Politechniki War-
szawskiej, Warszawa 1995