Instrukcja do ćwiczenia nr 4 POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH ZA POMOCĄ
OSCYLOSKOPU
ĆWICZENIE NR 4
POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH ZA POMOCĄ
OSCYLOSKOPU
1. Cel ćwiczenia
Zapoznanie z budową, zasadą działa oscyloskopu oraz oscyloskopowymi metodami pomiarowymi. Wykonanie pomiarów wielkości elektrycznych (okresu, wartości maksymalnej i międzyszczytowej, przesunięcia fazowego, częstotliwości) za pomocą oscyloskopu.
2. Obserwacja i odwzorowanie różnych przebiegów okresowo zmiennych 2.1. Schemat układu pomiarowego
Rys. 1. Schemat układu do obserwacji przebiegów okresowo zmiennych
2.2. Oscylogramy i podstawowe parametry przebiegów napięcia sinusoidalnie zmiennego, prostokątnego oraz trójkątnego.
Dla częstotliwości i napięć podanych przez nauczyciela należy odrysować z oscyloskopu przebiegi napięcia sinusoidalnie zmiennego, prostokątnego oraz trójkątnego. W oparciu o oscylogramy wyznaczyć podstawowe parametry przebiegów: okres, częstotliwość, amplitudę oraz napięcie międzyszczytowe. Zaznaczyć na oscylogramach następujące wielkości: okres, amplitudę oraz napięcie międzyszczytowe.
Pracować w trybie z włączoną podstawą czasu.
W oparciu o podane wzory należy wykonać obliczenia, a wyniki zanotować obok oscylogramów.
• T – okres obliczony w oparciu o oscylogram
obl
T
= P ⋅ l
obl
t
P – wybrana podstawa czasu
t
l – długość okresu w działkach odczytana z oscylogramu
•
f
– częstotliwość obliczona w oparciu o oscylogram
obl
1
f
=
obl
Tobl
•
f
– częstotliwość przebiegu ustawiona na generatorze
gen
Laboratorium Teoria Obwodów, ZAKŁAD METROLOGII I PODSTAW ELEKTROTECHNIKI 1
Instrukcja do ćwiczenia nr 4 POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH ZA POMOCĄ
OSCYLOSKOPU
• U
– amplituda przebiegu obliczona w oparciu o oscylogram
o
m bl
U
= C ⋅ l
m
y
obl
C – stała podziałki wejścia Y
y
l – długość amplitudy w działkach odczytana z oscylogramu
• U
– międzyszczytowa wartość napięcia obliczona w oparciu o oscylogram
ppobl
U
= 2⋅ U
p o
p bl
o
m bl
• U –skuteczna wartość napięcia wskazywana przez woltomierz V
• U – obliczona wartość napięcia skutecznego
obl
Umobl
U
=
obl
2
UWAGA:
Na wejście Y oscyloskopu podać sygnał o częstotliwości f = ........... Hz i ustawić na woltomierzu napięcie UV = ........... V (wartości te podaje prowadzący). Nie zmieniać tych wartości tylko rodzaj przebiegu (sinusoidalnie zmienny, prostokątny, trójkątny).
P = ......................................
C = ......................................
t
y
Przebieg sinusoidalny
T
= ......................................
obl
f
= ......................................
obl
U
= .....................................
ppobl
∆
U
∆ = U
− U δ = U
U
⋅10 %
0
V
Uobl
U
obl
V
UV
V
V
V
%
∆ f
f
∆ = f
− f
δ
f =
⋅10 %
0
gen
fobl
f
obl
gen
f gen
Hz
Hz
Hz
%
Przebieg prostokątny
T
= ......................................
obl
f
= ......................................
obl
U
= .....................................
ppobl
Laboratorium Teoria Obwodów, ZAKŁAD METROLOGII I PODSTAW ELEKTROTECHNIKI 2
Instrukcja do ćwiczenia nr 4 POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH ZA POMOCĄ
OSCYLOSKOPU
Przebieg trójkątny
T
= ......................................
obl
f
= ......................................
obl
U
= .....................................
ppobl
3. Pomiar nieznanej częstotliwości za pomocą krzywych (figur) Lissajous
Podstawowymi narzędziami do pomiaru częstotliwości przebiegów elektrycznych są częstościomierze o różnych zasadach działania i budowach. W niektórych badaniach, szczególnie przy dużych częstotliwościach radiowych stosowana jest metoda zwana porównawczą, w której wykorzystujemy krzywe Lissajous.
3.1. Schemat układu pomiarowego i charakterystyka stosowanej metody Rys. 2. Schemat układu do pomiaru nieznanej częstotliwości za pomocą krzywych Lissajous Metoda porównawcza polega na zrównaniu częstotliwości wzorcowej fw z częstotliwością mierzoną fx. Zgodność częstotliwości można zaobserwować na ekranie oscyloskopu w postaci krzywych Lissajous. W ten sposób mogą być porównywane tylko częstotliwości, których stosunek jest liczbą całkowitą. Pomiar metodą porównawczą może być bardzo dokładny, jeżeli dysponuje się bardzo dokładnym, regulowanym wzorcem częstotliwości.
Zasadę podłączenia do oscyloskopu napięć o porównywanych częstotliwościach podaje powyższy rysunek. Dwa napięcia sinusoidalne, doprowadzone do płytek odchylających X i Y
pracującego
w
trybie
dwukanałowym,
tworzą
na
ekranie
oscyloskopu
(z wyłączoną podstawą czasu) obrazy, tzw. Krzywe Lissajous, których kształt zależy od stosunku amplitud, stosunku częstotliwości i przesunięcia fazowego między obydwoma napięciami. W przypadku, gdy stosunek częstotliwości jest równy stosunkowi liczb całkowitych, na ekranie oscyloskopu obserwuje się obraz nieruchomy, w innych przypadkach obraz jest w ciągłym ruchu. Sposób powstawania krzywych Lissajous przedstawia następujący rysunek:
Laboratorium Teoria Obwodów, ZAKŁAD METROLOGII I PODSTAW ELEKTROTECHNIKI 3
Instrukcja do ćwiczenia nr 4 POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH ZA POMOCĄ
OSCYLOSKOPU
Wyróżniamy kilka rodzajów krzywych Lissajous, zależy to od stosunku częstotliwości wzorcowej i częstotliwości mierzonej. Najczęściej mamy do czynienia z krzywymi Lissajous pierwszego rodzaju ( fw: fx = 1:1). Są niemi elipsa, okrąg i prosta. Czasami możemy mieć jednak do czynienia z krzywymi Lissajous wyższych rzędów. Przykładowe krzywe Lissajous wyższych rzędów mają postać:
f
2
f
2
f
4
w =
w =
w =
f
1
f
3
f
3
x
x
x
Pomiar częstotliwości z wykorzystaniem figur Lissajous polega na wyznaczeniu stosunek częstotliwości wzorcowej i mierzonej. W tym celu oblicza się liczbę punktów przecięcia krzywej z prosta równoległą do osi poziomej (osi X) oraz liczbę punktów przecięcia z prostą równoległą do osi pionowej (osi Y). Proste powinny być tak prowadzone, aby nie przechodziły przez punkty węzłowe krzywych. Następnie obliczenia częstotliwości nieznanej dokonujemy w oparciu o następujący wzór:
f
n
w
x
=
f
n
x
y
ny
f = f ⋅
x
w
nx
gdzie: nx – liczba punktów przecięcia krzywej z osią poziomą oscyloskopu, ny – liczba punktów przecięcia krzywej z osia pionową, fw – częstotliwość podawana z generatora wzorcowego, fw – częstotliwość wzorcowa.
UWAGA:
Odrysować oscylogramy dla dwóch spośród wymienionych stosunków częstotliwości f
1
1 2
3
6
3
wskazanych przez prowadzącego w :
, ,
,
,
,
.
f
2
1 1
2
1
5
x
Laboratorium Teoria Obwodów, ZAKŁAD METROLOGII I PODSTAW ELEKTROTECHNIKI 4
Instrukcja do ćwiczenia nr 4 POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH ZA POMOCĄ
OSCYLOSKOPU
3.2. Oscylogramy
f
f
w =
w =
......... .......... ..........
f
......... .......... ..........
f
x
x
4. Pomiar przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem w obwodzie za pomocą oscyloskopu dwukanałowego
4.1. Schemat układu pomiarowego
Rys. 4. Schemat układu do pomiaru
Rys. 5. Schemat układu do pomiaru przesunięcia
przesunięcia fazowego – Przesuwnik 1
fazowego – Przesuwnik 2
4.2. Rysunek wyjaśniający zasadę pomiaru
l
ϕ = x
0
⋅ 360
l
Rys. 4. Przebiegi obrazujące jak wyznaczyć przesunięcie fazowe
UWAGA:
Dokonać pomiaru kąta przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem sinusoidalnym podawanym z generatora funkcyjnego i napięciem na rezystorze R. Pracować należy w trybie z włączoną podstawą czasu oraz w trybie dwukanałowym. Skuteczna wartość napięcia zmierzona na rezystancji R podzielony prze wartość rezystancji jest równy wartości skutecznej prądu płynącego w obwodzie.
Przesuwnik 1 - Wartość rezystancji R oraz pojemności C podaje prowadzący.
Laboratorium Teoria Obwodów, ZAKŁAD METROLOGII I PODSTAW ELEKTROTECHNIKI 5
Instrukcja do ćwiczenia nr 4 POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH ZA POMOCĄ
OSCYLOSKOPU
Przesuwnik 2 - Wartość rezystancji R oraz indukcyjności L podaje prowadzący.
4.3. Tabela pomiarowa
Tabela 1. Wyniki pomiarów dla przesuwnika 1 – składającego się z szeregowego połączenia RC
Lp.
-
1
2
3
4
5
6
7
8
Przesuwnik
fazowy
f
Hz
Przesuwnik 1
l
dz
C = …….….nF
lx
dz
R = ………..Ω
ϕ
°
Tabela 2. Wyniki pomiarów dla przesuwnika 2 – składającego się z szeregowego połączenia RL
Lp.
-
1
2
3
4
5
6
7
8
Przesuwnik
fazowy
f
Hz
Przesuwnik 2
l
dz
L = …….…mH lx
dz
R = ………..Ω
ϕ
°
5. Wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia
Laboratorium Teoria Obwodów, ZAKŁAD METROLOGII I PODSTAW ELEKTROTECHNIKI 6