WAT - WYDZIAŁ ELEKTRONIKI - Instytut Systemów Elektronicznych PRACOWNIA PODSTAW ELEKTRONIKI I MIERNICTWA
Ćwiczenie nr 2 FORMULARZ (PROTOKÓŁ/SPRAWOZDANIE)
Temat: WYKONYWANIE POMIARÓW PODSTAWOWYCH WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH
Grupa: 1. ………………………………………....... 2. ……………………………………........... 3. …………………………………………... 4. …….......………………...……………….	Data wykonania ćwiczenia: ……………………………………………...….
		Data oddania sprawozdania: ………………………………………….……...
		Ocena: …………………………………………………
		Prowadzący: …………………………………………………

Uwagi prowadzącego ćwiczenie:

Zapoznanie się z wyposażeniem stanowiska pomiarowego

Na podstawie oglądu przyrządów na stanowisku oraz ich instrukcji sporządzić wykaz przyrządów pomiarowych wykorzystywanych w ćwiczeniu - tabela 1.

Tabela 1. Wykaz przyrządów pomiarowych

Lp.	Nazwa przyrządu	Typ	Producent	Uwagi
1.	Zasilacz (źródło napięcia stałego)			Zakres stabilizacji napięcia: Zakres stabilizacji prądu:
2.	Multimetr analogowy			Klasa dokładności przy pomiarach: - napięcia stałego: - prądu stałego:
3.	Multimetr cyfrowy
4.	Rezystor dekadowy			Rezystancja min: Rezystancja max:
5.	Cyfrowy generator funkcyjny			Zakres częstotliwości:
6.	Oscyloskop			Pasmo:
7.	Częstościomierz cyfrowy

1. Pomiary napięcia stałego

1. Pomiar z wykorzystaniem przyrządu analogowego

Czynności przygotowawcze

1. 
   
   Pod kierunkiem prowadzącego zapoznać się z obsługą źródła napięcia stałego (zwrócić szczególną uwagę na znaczenie pokręteł regulacji zgrubnej „COARSE” i precyzyjnej „FINE”). Pozostawić oba rodzaje pokręteł w położeniu odpowiadającym wartościom minimalnym.

Rys. 1. Schemat układu do pomiaru napięcia stałego z wykorzystaniem miernika analogowego.

Wykonanie pomiarów

1. Po sprawdzeniu poprawności zestawienia układu pomiarowego przez prowadzącego ćwiczenie włączyć zasilacz.

2. Korzystając ze wskaźnika cyfrowego zasilacza ustawiać kolejno wartości napięcia U_zas podane w Tabeli 2 za pomocą pokręteł zgrubnej i precyzyjnej regulacji napięcia i dokonywać ich pomiaru za pomocą multimetru analogowego. Dla każdego pomiaru należy:

1. dobrać właściwy podzakres woltomierza U_N

2. określić maksymalną liczbę działek obliczeniowych podziałki α_max odpowiadającą wybranemu podzakresowi U_N

3. określić liczbę działek α_m, o które wychyliła się wskazówka miernika

4. wyznaczyć stałą podziałki S_U i wartość zmierzoną napięcia U_m wg poniższych wzorów:

5. wpisać powyższe wartości do Tabeli 2.

Tabela 2. Wyniki pomiarów napięcia stałego z wykorzystaniem miernika analogowego

Lp.	Uzas	UN	αmax	αm	SU	Um
		V	V	dz	dz	V/dz	V
1.	0,5
2.	0,8
3.	1
4.	2
5.	5

1. Pomiar z wykorzystaniem przyrządu cyfrowego

Czynności przygotowawcze

Rys. 2. Schemat układu do pomiaru napięcia stałego z wykorzystaniem miernika cyfrowego.

Wykonanie pomiarów

1. Po sprawdzeniu poprawności zestawienia układu pomiarowego przez prowadzącego ćwiczenie włączyć zasilacz.

2. Korzystając ze wskaźnika cyfrowego zasilacza ustawiać kolejno wartości napięcia U_zas podane w Tabeli 3 za pomocą pokręteł zgrubnej i precyzyjnej regulacji napięcia i dokonywać ich pomiaru za pomocą multimetru cyfrowego. Dla każdego pomiaru należy:

1. ustalić dobrany automatycznie zakres pomiarowy U_N (klawisze programowalne „Auto”, „Rng+” i „Rng-”),

2. odczytać wartość zmierzoną napięcia dla 3 różnych rozdzielczości przyrządu: 5 3/4 cyfry, 4 3/4 cyfry oraz 3 3/4 cyfry, odpowiednio: U_m6, U_m5 i U_m4 (zmiana rozdzielczości jest realizowana za pomocą klawiszy nawigacyjnych „<” i „>”),

3. korzystając z instrukcji użytkownika multimetru odszukać formuły na błąd graniczny każdego pomiaru (uwaga: są one zależne od wybranego podzakresu),

4. wpisać powyższe wartości oraz formuły na błąd graniczny do Tabeli 3.

Tabela 3. Wyniki pomiarów napięcia stałego z wykorzystaniem miernika cyfrowego

Lp.	Uzas	UN	Um6	Um5	Um4	Formuła na błąd graniczny pomiaru
		V	V	V	V		V
1.	0,3
2.	0,5
3.	1
4.	2
5.	5

2. Pomiar natężenia prądu stałego

1. Pomiary z wykorzystaniem przyrządu cyfrowego

Czynności przygotowawcze

1. Pod kierunkiem prowadzącego zapoznać się z obsługą multimetru cyfrowego w zakresie pomiaru prądu.

2. Wybrać w multimetrze cyfrowym funkcję pomiaru prądu oraz automatycznego doboru podzakresu.

Rys. 3. Schemat układu do pomiaru natężenia prądu stałego z wykorzystaniem miernika cyfrowego.

Wykonanie pomiarów

1. Po sprawdzeniu poprawności zestawienia układu pomiarowego przez prowadzącego ćwiczenie włączyć zasilacz.

2. Korzystając ze wskaźnika cyfrowego zasilacza ustawić napięcie o wartości 2 V za pomocą pokręteł skokowej i płynnej regulacji napięcia (uwaga: jeśli zapali się czerwona lampka na zasilaczu sygnalizująca działanie ogranicznika prądowego należy skręcić pokrętła od regulacji napięcia i wezwać prowadzącego).

3. Korzystając z pokręteł rezystora dekadowego ustawiać kolejno wartości rezystancji R_dek podane w Tabeli 5 i dokonywać pomiaru odpowiadających im wartości natężeń prądu (uwaga: jeżeli źródło zasilania jest włączone, to nie wolno zerować nastawy rezystora dekadowego; chcąc wyzerować jedną z dekad najpierw należy ustawić odpowiednią wartość na pozostałych dekadach). Dla każdego pomiaru należy:

1. ustalić dobrany automatycznie zakres pomiarowy I_N (klawisze programowalne „Auto”, „Rng+” i „Rng-”),

2. odczytać wartość zmierzoną prądu dla 3 różnych rozdzielczości przyrządu: 5 1/2 cyfry, 4 1/2 cyfry oraz 3 1/2 cyfry, odpowiednio: I_m6, I_m5 i I_m4 (zmiana rozdzielczości jest realizowana za pomocą klawiszy nawigacyjnych „<” i „>”),

3. korzystając z instrukcji użytkownika multimetru odszukać formuły na błąd graniczny każdego pomiaru (uwaga: są one zależne od wybranego podzakresu),

4. wpisać powyższe wartości oraz formuły na błąd graniczny do Tabeli 5.

Tabela 5. Wyniki pomiarów natężenia prądu stałego z wykorzystaniem miernika cyfrowego

Lp.	Rdek	IN	Im6	Im5	Im4	Formuła na błąd graniczny pomiaru
		kΩ	mA	mA	mA		mA
1.	0,5
2.	1
3.	5
4.	10
5.	50

3. Pomiar rezystancji

Czynności przygotowawcze

1. Pod kierunkiem prowadzącego zapoznać się z obsługą multimetru cyfrowego w zakresie pomiaru rezystancji.

Rys. 4. Schemat układu do pomiaru rezystancji z wykorzystaniem miernika cyfrowego.

Wykonanie pomiarów

1. Korzystając z pokręteł rezystora dekadowego ustawiać kolejno wartości rezystancji R_dek podane w Tabeli 6 i dokonywać ich pomiaru z maksymalną rozdzielczością przyrządu. Dla każdego pomiaru należy:

1. ustalić dobrany automatycznie zakres pomiarowy R_N (klawisze programowalne „Auto”, „Rng+” i „Rng-”),

2. odczytać wartość zmierzoną rezystancji R_m,

3. korzystając z instrukcji użytkownika multimetru odszukać formuły na błąd graniczny każdego pomiaru (uwaga: jest on zależny od wybranego podzakresu),

4. wpisać powyższe wartości oraz formuły na błąd graniczny do Tabeli 6.

Tabela 6. Wyniki pomiarów rezystancji z wykorzystaniem miernika cyfrowego

Lp.	Rdek	RN	Rm	Formuła na błąd graniczny pomiaru
		kΩ	kΩ		kΩ
1.	0,02
2.	0,2
3.	0,6
4.	3
5.	5
6.	20
7.	60

4. Pomiary w zakresie napięć zmiennych

1. Badanie wpływu rodzaju przewodu łączącego źródło sygnału z przyrządem pomiarowym na wynik pomiaru

• Pod kierownictwem prowadzącego zapoznać się z podstawową obsługą oscyloskopu.

• W układzie jak na rys. 5 dołączyć do kanału oscyloskopu kolejno przewód A oraz przewód B i porównać uzyskane przebiegi (wybrać źródło wyzwalania oscyloskopu typu sieć zasilająca).

• Naszkicować w tabeli 7 oscylogramy uzyskane przy jednakowym współczyniku napięcia V/dz.

• Korzystając z możliwości wykorzystywanego oscyloskopu oszacować wartość międzyszczytową U_PP napięcia „generowanego” przez przewód A oraz jego częstotliwość f i wpisać do tabeli 7.

Rys. 5. Układ do badania wpływu rodzaju przewodu łączącego na wynik pomiaru
(A - przewód dwużyłowy nieekranowany, B - przewód koncentryczny).

Tabela 7. Porównanie przebiegów wnoszonych przez przewody łączące.

Współczynnik napięcia ............. V/dz
Przewód A	Przewód B
UPP = f =

1. Pomiar wartości skutecznej napięcia sinusoidalnego o zadanej częstotliwości

• Sprawdzić w wyciągach z instrukcji użytkownika multimetrów ich możliwości w zakresie pomiaru napięć zmiennych (zakresy częstotliwości i przypisane do nich formuły na błąd graniczny).

• Wykorzystując dostępne na stanowiskach woltomierze oraz informacje zawarte w ich instrukcjach użytkownika, dokonać pomiaru maksymalnego napięcia sinusoidalnego generatora pomiarowego i częstotliwościach kolejno 10Hz, 1kHz i 100kHz.

• Wyniki pomiarów, wybrane zakresy napięcia przyrządów oraz formuły umożliwiające określenie błędów granicznych zapisać w tabeli 8.

Tabela 8. Wyniki pomiarów maksymalnego napięcia generatora.

f [Hz]	Typ wykorzystanego multimetru	Wybrany zakres Uz [V]	Wartość zmierzona Um [V]	Formuła na błąd graniczny ΔU (instr.)
10
1 000
100 000

1. Pomiar częstotliwości

• Dokonać pomiaru częstotliwości nieznanego źródła trzema metodami: bezpośrednio oscyloskopem poprzez pomiar okresu, za pomocą figur Lissajous (rys. 6) oraz częstościomierzem cyfrowym. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 9. W metodzie oscyloskopowej pamiętać o maksymalnym „rozciągnięciu” mierzonego okresu na ekranie.

Rys. 6. Schemat układu do pomiaru częstotliwości metodą figur Lissajous.

Tabela 9. Wyniki pomiarów częstotliwości nieznanego źródła różnymi metodami.

pomiar okresu oscyloskopem cyfrowym	metoda figur Lissajous	częstościomierz cyfrowy
wykonać pomiar kursorami lub automatycznie 1) współczynnik czasu: SX [s/dz] = 2) zmierzony okres: T =	1) szkic stabilnej figury: 2) częstotliwość generatora wzorcowego: fgwz = 3) uzyskany stosunek	Tgate [s]
				f [Hz]	0.1	1	10
						.........................................................	.........................................................	.........................................................

1. Pomiary parametrów czasowych napięcia impulsowego

• Wybrać w generatorze funkcyjnym generację przebiegu prostokątnego o częstotliwości f =1kHz i najmniejszym możliwym współczynniku wypełnienia γ (ang. duty factor).

• Zobrazować uzyskany przebieg na ekranie oscyloskopu i naszkicować go na rys. 7 w zakresie ok. 1.5 okresu zaznaczając podstawowe parametry rzeczywistego przebiegu impulsowego:

okres powtarzania T

czas trwania impulsu t₊

czas między impulsami t _-

czas narastania t_n

czas opadania t_o

• Dokonać sprawdzenia możliwości bezpośredniego (tylko) pomiaru powyższych parametrów kolejno za pomocą oscyloskopu, częstościomierza cyfrowego i multimetru cyfrowego. Uzyskane w pomiarze wartości wpisać do tabeli 10.

• Uwagi:

1) obserwacja na ekranie oscyloskopu zboczy narastających i opadających jest możliwa po wybraniu odpowiedniego zbocza, przy którym następuje wyzwolenie generatora podstawy czasu,

2) przy pomiarze t_n i t_o oscyloskopem wygodnie jest skorzystać z opcji dokładnego ustawiania wartości regulatora współczynnika napięcia.

Tabela 10. Wyniki pomiarów parametrów przebiegu impulsowego o częstotliwości 1kHz i zadanym współczynniku wypełnienia.

	T	t+	t -	tn	to	γ
oscyloskop typ:
częstościomierz cyfrowy typ:
multimetr cyfrowy typ:

Opracowanie sprawozdania

Zadaniem studentów jest realizacja wyłącznie podanych poniżej poleceń, bez konieczności tworzenia dodatkowych wniosków. Odpowiedzi na pytania (zwięzłe) oraz obliczenia należy umieścić w miejscach na nie pozostawionych. Ocenie podlegać będzie zawartość merytoryczna, stosowanie zaokrągleń oraz staranność wykonanego sprawozdania.

1. Pomiary napięcia stałego

1. Pomiar jednokrotny z wykorzystaniem przyrządu analogowego

1. Na podstawie wyników pomiarów zamieszczonych w Tabeli 2 oraz danych z Tabeli 1 wyznaczyć i wpisać do Tabeli 11 następujące wielkości:

- błąd graniczny przyrządu analogowego (Δ_gU),

- wynik w formacie U_m ± Δ_gU.

Tabela 11. Wyniki obliczeń błędów granicznych pomiarów napięcia przyrządem analogowym

Lp.	ΔgU	Um ± ΔgU
		V	V
1.
2.
3.
4.
5.

2. Na podstawie wykonanych pomiarów i obliczeń uzasadnij regułę doboru możliwie małego podzakresu pomiarowego.

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

3. Określ i uzasadnij na podstawie powyższych wyników jaka powinna być maksymalna liczba cyfr znaczących odczytana z podziałki użytego przyrządu.

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

1. Pomiar z wykorzystaniem przyrządu cyfrowego

1. Na podstawie wyników pomiarów i informacji zamieszczonych w Tabeli 3 wyznaczyć i zapisać w Tabeli 12 następujące wielkości:

- składnik błędu granicznego Δ_gU_m,

- składnik błędu granicznego Δ_gU_N,

- wypadkowy błąd graniczny przyrządu cyfrowego (Δ_gU),

- wynik pomiaru w formacie U_m ± Δ_gU.

Do obliczeń przyjąć wynik pomiaru o największej rozdzielczości. Zapisać wynik końcowy pomiaru zgodnie z regułami zaokrąglania.

Tabela 12. Wyniki obliczeń błędów i niepewności pomiarów napięcia przyrządem cyfrowym

Lp.	ΔgUm	ΔgUN	ΔgU	Um ± ΔgU
		V	V	V	V
1.
2.
3.
4.
5.

2. Dokonaj porównania wartości procentowych błędów granicznych odniesionych do wartości U_m przyrządu analogowego z poprzedniego punktu i cyfrowego i oceń który z przyrządów jest dokładniejszy.

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

3. Na podstawie wskazań z Tabeli 3 oraz wyznaczonych błędów granicznych oceń, która z rozdzielczości przyrządu jest adekwatna do jego dokładności.

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

2. Pomiar natężenia prądu stałego

1. Pomiary z wykorzystaniem przyrządu cyfrowego

1. Na podstawie wyników pomiarów i informacji zamieszczonych w Tabeli 5 wyznaczyć i zapisać w Tabeli 13 następujące wielkości:

- składnik błędu granicznego Δ_gI_m,

- składnik błędu granicznego Δ_gI_N,

- wypadkowy błąd graniczny przyrządu cyfrowego (Δ_gI),

- wynik pomiaru w formacie I_m ± Δ_gI.

Do obliczeń przyjąć wynik pomiaru o największej rozdzielczości. Zapisać wynik końcowy pomiaru zgodnie z regułami zaokrąglania.

Tabela 13. Wyniki obliczeń błędów granicznych pomiarów prądu przyrządem cyfrowym

Lp.	ΔgIm	ΔgIN	ΔgI	Im ± ΔgI
		mA	mA	mA	mA
1.
2.
3.
4.
5.

3. Pomiar rezystancji

1. Na podstawie wyników pomiarów i informacji zamieszczonych w Tabeli 6 wyznaczyć i zapisać w Tabeli 14 następujące wielkości:

- składnik błędu granicznego Δ_gR_m,

- składnik błędu granicznego Δ_gR_N,

- wypadkowy błąd graniczny przyrządu cyfrowego (Δ_gR),

- wynik pomiaru w formacie R_m ± Δ_gR.

Do obliczeń przyjąć wynik pomiaru o największej rozdzielczości. Zapisać wynik końcowy pomiaru zgodnie z regułami zaokrąglania.

Tabela 14. Wyniki obliczeń błędów granicznych pomiarów rezystancji przyrządem cyfrowym

Lp.	ΔgRm	ΔgRN	ΔgR	Rm ± ΔgR
		kΩ	kΩ	kΩ	kΩ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

4. Pomiary w zakresie napięć zmiennych

1. Badanie wpływu rodzaju przewodu łączącego źródło sygnału z przyrządem pomiarowym na wynik pomiaru

1. Wyjaśnij co jest źródłem napięcia obserwowanego przy dołączeniu do oscyloskopu przewodu A.

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

2. Jaki rodzaj przewodów powinien być stosowany w pomiarach i dlaczego?

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

1. Pomiar wartości skutecznej napięcia sinusoidalnego o zadanej częstotliwości

1. Na podstawie zapisanych w tabeli 8 formuł obliczyć błędy graniczne dla wykonanych pomiarów. Obliczenia oraz wyniki końcowe zapisać w tabeli 15. Pamiętaj o zasadach zaokrąglania wyników.

2. Porównaj procentowe błędy względne pomiarów napięcia o częstotliwości 1kHz. Który z multimetrów jest dokładniejszy?

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

Tabela 15. Wyniki pomiarów napięcia generatora o różnej częstotliwości.

f [Hz]	Typ wykorzystanego multimetru	Obliczenia błędu granicznego ΔU	Wyniki pomiarów
						Um ± ΔU
10
1 000
100 000

1. Pomiar częstotliwości

1. Dokonaj zestawienia w tabeli 16 wyników pomiarów i obliczeń częstotliwości na podstawie danych z tabeli 9.

2. Oszacuj błąd graniczny ΔT pomiaru okresu oscyloskopem:

dla oscyloskopu AGILENT DSO serii 3062A posłuż się formułą z instrukcji użytkownika przyrządu:

,

ΔT = ………………………………………………………………………………………………

3. Oblicz błąd graniczny pomiaru częstotliwości oscyloskopem na podstawie prawa przenoszenia błędów:

dla
:
.

Obliczenia oraz nie zaokrąglony wynik końcowy wpisz do tabeli 16.

4. Oblicz błąd pomiaru częstotliwości metodą figur Lissajous (jest to metoda porównawcza, której dokładność przy stabilnej figurze jest ustalona błędem generatora wzorcowego:

Obliczenia oraz nie zaokrąglony wynik zapisz w tabeli 16.

5. Oblicz błąd pomiaru częstotliwości częstościomierzem cyfrowym posługując się następującą formułą dla HP53131 (formuła uproszczona przy pominięciu błędów wyzwalania):

gdzie:

Przykładowe obliczenia oraz wynik nie zaokrąglony zapisz do tabeli 16.

6. Dokonaj zaokrąglenia obliczonych błędów dla każdej z metod.

7. Zapisz wynik końcowy po zaokrągleniu w postaci f ± Δf . Uszereguj poznane metody pomiaru częstotliwości pod względem ich dokładności.

Tabela 16. Porównanie dokładności metod pomiaru częstotliwości.

metoda kalibrowanej osi czasu	metoda figur Lissajous		częstościomierz cyfrowy
wyniki pomiarów i obliczeń częstotliwości
zmierzony okres: T = częstotliwość	częstotliwość: f = n ⋅ fgwz =		Tgate [s]
						f [Hz]	0.1	1	10
								.........................................................	.........................................................	.........................................................
obliczenia Δf
			Przykładowe dla jednego Tgate
Δf [Hz] przed zaokrągleniem
Δf [Hz] po zaokrągleniu
Wynik końcowy po zaokrągleniu w postaci f ± Δf
				.........................................................	.........................................................	.........................................................

1. Pomiary parametrów czasowych napięcia impulsowego

Zapisać krótkie wnioski na temat przydatności oscyloskopu w pomiarach parametrów sygnałów.

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

………………………………………………………………………………………………...

14

V

+

+

-

-

źródło napięcia stałego

multimetr analogowy

2. Pod kierunkiem prowadzącego zapoznać się z obsługą multimetru analogowego w zakresie pomiaru napięcia.

3. Wybrać w multimetrze analogowym funkcję pomiaru napięcia oraz największy możliwy podzakres.

4. Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem zamieszczonym na rys. 1.

1. Pod kierunkiem prowadzącego zapoznać się z obsługą multimetru cyfrowego w zakresie pomiaru napięcia

2. Wybrać w multimetrze cyfrowym funkcję pomiaru napięcia oraz automatycznego doboru podzakresu.

3. Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem zamieszczonym na rys. 2.

V

+

-

źródło napięcia stałego

multimetr cyfrowy

A

+

-

źródło napięcia stałego

multimetr cyfrowy

3. Ustawić pokrętła regulacji napięcia zasilacza w pozycji odpowiadającej napięciu minimalnemu a pokrętło precyzyjnej regulacji prądu w prawe skrajne położenie.

4. Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem zamieszczonym na rys. 3. Na rezystorze dekadowym ustawić pierwszą wartość rezystancji (R_dek) podaną w Tabeli 5.

2. Wybrać w multimetrze cyfrowym funkcję pomiaru rezystancji (dwuprzewodową) oraz automatycznego doboru podzakresu.

3. Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem zamieszczonym na rys. 4.

Ω

multimetr cyfrowy

R_dek

A

B

Rys. 7. Podstawowe parametry rzeczywistego przebiegu impulsowego.

Uwaga

Wykonując sprawozdanie można dla następujących przyrządów przyjąć:

Dla generatora SFG-2110

Maks. błąd względny nastawy częstotliwości δ_wz: 4⋅10^-5

Dla generatora DF-1410

Maks. błąd względny nastawy częstotliwości δ_wz: 5⋅10^-5

Dla częstościomierza 53131A:

Maks. błąd względny wzorca częstotliwości δ_wz: 1⋅10^-6

Dla częstościomierza U2000A

Maks. błąd względny wzorca częstotliwości δ_wz: 5⋅10^-6

---