INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH WYDZIAŁ ELEKTRONIKI WAT Zakład Systemów Informacyjno-Pomiarowych
Sprawozdanie z Laboratorium Miernictwa Elektronicznego 1 Ćwiczenie 1
Temat: GENERATORY POMIAROWE
Grupa: E2Y2S1
Zespól w składzie: Axel Gocan Adam Jędrzejewski

1. Badanie Generatora Funkcyjnego

   1. Charakterystyka ogólna badanego generatora.

Na podstawie powyższych obserwacji scharakteryzować wstępnie badany generator.

Badany generator funkcyjny na którym przeprowadzaliśmy badania jest ZOPAN typu KZ-1405. Charakteryzuje się on częstotliwością od 0.01 Hz do 10 MHz o regulacji dekadowej (na dekadzie regulacja płynna). Zakres napięcia od 0 V do 20 V zmieniający się skokowo. Rezystancja wewnętrzna tego generatora jest równa 50 Ω. Dodatkowe funkcje to między innymi kształt generowanego napięcia względem zmiany symetrii, np. sinusowo.

1. Analiza jakościowa kształtów generowanych sygnałów.

Przy połączeniu generatora z oscyloskopem poprzez kabel koncentryczny o złączach BNC (50Ω) otrzymujemy na ekranie oscyloskopu wykres jakościowy kształtu sygnału wyjściowego. Możemy zmieniać kształt jakościowy generowanego sygnału przez co otrzymujemy trzy rodzaje obrazów. Przy ustawieniu częstotliwości 1 kHz, dowolnym napięciu i ustawieniu sygnału antysymetrycznego otrzymujemy kształt sinusoidalny, trójkątny i prostokątny.

Po wciśnięciu przycisku SYMETRY na generatorze i regulując potencjometrem symetrię przebiegu otrzymujemy kolejne oscylogramy pokazujące zniekształcone sygnały powyżej zapisanych kształtów, zależne od regulacji symetrii.

Otrzymane zniekształcone kształty sygnałów wyjściowych w nieznacznym stopniu różniły się od tych, które uzyskaliśmy przed ingerencją w symetrię. Była to wina zmiany napięcia od czasu.

1. Sprawdzenie zakresu i dokładności skalowania regulatorów częstotliwości.

Przy połączeniu generatora z częstościomierzem cyfrowym poprzez kabel koncentryczny o złączach BNC (50Ω) otrzymujemy częstotliwość zmian napięcia elektrycznego.

Przykład:

10 20 50 99

0% 0% 0% 1%

f_x – częstotliwość ustawiona na skali generatora

f_w – częstotliwość odczytana z częstościomierza cyfrowego

$\delta_{f} = \frac{|f_{x} - f_{w}|}{f_{x}}*100\%$ - względny błąd skalowania częstotliwości

Przykład obliczenia:

$$\delta_{f} = \frac{|100 - 99|}{100}*100\%$$

δ _f = 1%

Przy sporządzeniu pomiarów z tabeli z protokołu można zauważyć, iż częstotliwość ustalona na generatorze różni się od częstotliwości odczytanej z częstościomierza cyfrowego. Błąd ten obliczamy za pomocą względnego błędu skalowania, który w naszych pomiarach mieścił się w zakresie od 0% do 7,2%.

Z danych wynika, że generator nie daje ustalonego napięcia przez użytkownika, częstościomierz cyfrowy nie odczytuje z odpowiednią dokładnością nadawanej częstotliwości, lub występuje ubytek w sygnale przesyłanym między urządzeniami.

1. Sprawdzenie zewnętrznego sterowania częstotliwością generatora (VCO)

Przy połączeniu zasilacza napięcia stałego z generatorem analogowym a następnie generatora z częstościomierzem cyfrowym poprzez kabel koncentryczny o złączach BNC (50Ω) otrzymujemy zależność częstotliwości zmiany napięcia elektrycznego. Przy zakresie napięcia wyjściowego od 0 V do -2 V przy błędzie ±20% oraz zakresie przestrajania od 1000 : 1.

Otrzymujemy przykładowe pomiary:

U	V	0	-0,2	-0,4	-0,6	-0,8
F	Hz	10,1	8,6	7,8	6,7	5,8

U – napięcie stałe ustawione na zasilaczu napięcia stałego

f – częstotliwość odczytana z częstościomierza cyfrowego

1. Sprawdzenie regulatorów napięcia wyjściowego

Przy połączeniu generatora z oscyloskopem poprzez kabel koncentryczny o złączach BNC (50Ω) mierzymy maksymalną oraz minimalną wartość międzyszczytową napięcia (U_pp). ustawieniu częstotliwości 1 kHz, podzakresu napięcia 0 dB, maksymalnym napięciu cyfrowym 20 V_p-p i zakresie płynnej regulacji napięcia od 10 V do 1 V

Przykład:

Kształt generowanego napięcia	Napięcie sinusoidalne	Napięcie trójkątne	Napięcie prostokątne
Upp(max)	V	21	21
Upp(min)	V	0,88	0,88

Wynika z tego, że wartość poszczególnych napięć (sinusoidalne, trójkątne i prostokątne) jest jednakowe zarówno dla napięcia maksymalnego i minimalnego. Stąd można wnioskować, iż wartość napięcia nie jest zależna od jego kształtu.

3. Pomiar współczynnika podziału tłumika.

Przy połączeniu generatora z woltomierzem cyfrowym poprzez kabel koncentryczny z przyłączem dwuprzewodowym mierzymy napięcie wyjściowe generatora zmierzone woltomierzem cyfrowym bez tłumienia oraz z tłumieniem 0 dB. Przy napięciu sinusoidalnym, częstotliwości 1 kHz, dowolnym napięciu ustawionym na woltomierzu cyfrowym i wyjściu 50 Ω.

Przykład:

kx	[dB]	0	-20
Uv	[V]	0,531	0,051
kw	[dB]	1,3	0,12
∆k	[dB]	-1,3	-20,12

k_x – współczynnik podziału tłumika ustawiony na generatorze

U_v – napięcie wyjściowe generatora zmierzone woltomierzem cyfrowym

U_{v (0 dB)} – napięcie wyjściowe generatora zmierzone woltomierzem cyfrowym przy tłumieniu 0 dB

$k_{w} = 20*log\frac{U_{v}}{U_{V(0\ dB)}}$ - obliczony współczynnik podziału tłumika

∆k = k_x - k_w – błąd współczynnika podziału tłumika

Przykład obliczeń:

$$k_{w} = 20*log\frac{0,051}{0,531}$$

k_w = 0,12

∆k = -20 – 0,12

∆k = -20,12

Z przykładu powyżej i tabeli w protokole wynika, że wraz z tłumieniem (spadkiem natężenia dźwięku) następuje spadek napięcia wyjściowego. Zależność ta można obliczyć poprzez współczynnik podziału tłumika. Błąd współczynnika podziału tłumika maleje wraz ze spadkiem napięcia wyjściowego.

1. Sprawdzenie wpływu regulacji częstotliwości na wartość napięcia wyjściowego.

Przy połączeniu generatora z woltomierzem cyfrowym poprzez kabel koncentryczny z przyłączem dwuprzewodowym mierzymy napięcie. Przy napięciu sinusoidalnym, częstotliwości 1 kHz i napięciu 1 V(przy stałości napięcia poniżej 0,5 dB).

Przykład:

fx	Hz	1000	10	50
U	V	1	0,97	0,99
U	dB	0	1,261	1,287

Wzór obliczania natężenia napięcia:

$$U_{\text{dB}} = 20*lg\frac{U}{U_{1000Hz}}$$

Przykład obliczeń:

$$U_{\text{dB}} = 20*lg\frac{0,97}{1}$$

U_dB = 1,261

Z podanego przykładu i wartości z tabeli z protokołu wynika, iż napięcie przy innych częstotliwościach ma małe wahanie między 0.97 V do 1 V. Natężenie napięcia z podanego przykładu i innych wyników zawartych w tabeli także wacha się w przedziale miedzy 1.261 dB, a 1.3 dB

1. Badanie Generatora Cyfrowego

2. Sprawdzenie zakresu częstotliwości generatora

Przy połączeniu generatora cyfrowego typu HP-33120A z częstościomierzem cyfrowym poprzez kabel koncentryczny z przyłączem dwuprzewodowym mierzymy częstotliwość. Przy napięciu sinusoidalnym o wartości 1V_pp.

Przykład:

fgen.	Hz	1M	4987k	10M
fCz.c.	Hz	1M	4989k	10M

f_gen. – wartość częstotliwości ustawiona na generatorze

f_Cz.c. – wartość częstotliwości odczytana na częstościomierzu

Podaj zalety i wady różnych sposobów regulacji częstotliwości.

Jednym ze sposobów regulacji częstotliwości jest użycie klawiszy [<] i [>]. Zaletą tej metody jest łatwe przejście między częstotliwościami różniącymi się niewielką wartością, wadą jest mała efektywność w przypadku ustawiania częstotliwości, która ma zawierać dużo cyfr znaczących, lub różniącymi się dużą wartością. Takie działanie może przyczynić się do uszkodzenia sprzętu lub zmęczenia użytkownika. Ustawianie częstotliwości za pomocą klawisza [Enter Number] jest efektywną metodą, ale tylko dla zmiany częstotliwości różniących się dużą wartością. Wolniejsze jest ustawianie częstotliwości miedzy małym zakresem ta metodą.

2. Badanie parametrów napięciowych.

1. Przy połączeniu generatora cyfrowego z woltomierzem cyfrowym poprzez kabel koncentryczny z przyłączem dwuprzewodowym mierzymy napięcie wyjściowe. Przy ustawionych parametrach na generatorze napięcia sinusoidalnego o częstotliwości 1 kHZ i ustawieniu oporu 50Ω. A na woltomierzu opcji napięcia skutecznego.

Przykład:

Ux	Vrms	0,1	1,5	2,5
Ux	V	0,18	2,88	4,85

Z danych wynika, że generator nie daje ustalonego napięcia przez użytkownika, woltomierz cyfrowy odczytuje około dwukrotnie większego napięcia, a jest to związane z ustawieniem opcji napięcia skutecznego, gdyż generator zakłada, że podłączone obciążenie ma swoją impedancje, które jest równe stałemu napięciu danego oporu (50Ω). Powoduje to wydzielanie się dwukrotnie większego napięcia, czyli podobnej energii co przy napięciu zmiennym. Jest to związane z tym, z tym, że zakłada, iż połowa zostanie utracona przez jego własna impedancje wyjściową.

1. Przy połączeniu generatora cyfrowego z woltomierzem cyfrowym poprzez kabel koncentryczny z przyłączem dwuprzewodowym mierzymy napięcie wyjściowe. Przy ustawionych parametrach na generatorze napięcia sinusoidalnego o częstotliwości 1 kHZ i ustawieniu oporu 50Ω. A na woltomierzu opcji wysokiej impedancji.

Przykład:

Ux	Vrms	0,1	1,5	2,5
Uw	V	0,88	1,1	1,87
∆U	V	0,78	0,4	0,63
δU	%	780	27	25,2

U_x [V_rms] – wartość skuteczna napięcia ustawiona na generatorze

U_w [V] – wartość skuteczna napięcia odczytana z woltomierza cyfrowego

U = |U_x − U_w|

$$\delta_{U} = \frac{U}{U_{x}}*100\%$$

Przykład obliczeń:

U = |1, 5 − 1, 1|

∆U = 0,4

$$\delta_{U} = \frac{0,4}{1,5}*100\%$$

δ_U = 26,6667 % ≈ 27%

Po przeanalizowaniu wyników można stwierdzić, iż ustawienie generatora na opcję HIGH Z wyłącza założenie generatora co do impedancji podłączonego do niego obciążenia. Wtedy generator generuje napięcie zgodne z ustawieniem użytkownika, gdyż zostaje poinformowany przez ustawienie, o braku utraty połowy napięcia przez własną impedancje wyjściową.

6. Generacja sygnałów arbitralnych (dowolnych).

Na wykresie z protokołu przy ustawieniu generatora na częstotliwość 1 kHz o napięciu 1 V i generowaniu sinusoidalnego otrzymuję wykres trapezowy przekształcony z sinusoidalnego.