Akademia Górniczo – Hutnicza

Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki

Systemy pomiarowe

Sprawozdanie

Prochot Jacek

Rajda Łukasz

Grupa AM2

LABORATORIUM 1

Badanie i analiza wzmacniaczy operacyjnych.

1. Wstęp teoretyczny:

Wzmacniacz operacyjny – wzmacniacz prądu stałego o dużym wzmocnieniu pracujący z zewnętrznym układem silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego, które zapewnia lepszą stałość pracy, zwiększa zakres dynamiki, poprawia liniowość i poszerza pasmo przenoszenia wzmacniacza.

Wzmacniacze operacyjne w zależności od charakterystyki częstotliwościowej lub przejściowej mogą dokonywać operacji dodawania, odejmowania, całkowania, różniczkowania, logarytmowania i wielu innych i dlatego są stosowane w maszynach liczących, w przetwornikach analogowocyfrowych (A / D) i cyfrowo-analogowych (D / A) oraz w układach pomiarowych.

Wzmacniacze operacyjne na schematach oznaczane są uniwersalnym symbolem (rys.1). Jeżeli sygnał wejściowy zostanie doprowadzony do wejścia "-" (nazywanego wejściem odwracającym) to na wyjściu pojawi się sygnał w fazie przeciwnej.

Jeżeli natomiast sygnał wejściowy zostanie doprowadzony do wejścia "+" (wejście nieodwracające), to nie wystąpi odwrócenie fazy między wejściem a wyjściem.

Rys.1. Uniwersalny symbol wzmacniacza operacyjnego

Napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego powinno być proporcjonalne do różnicy napięć wejściowych, zgodnie z zależnością:

Uwy = KU × ( U2 - U1)

gdzie: KU - współczynnik wzmocnienia napięciowego wzmacniacza operacyjnego (wzmocnienie różnicowe), U1, U2 - napięcia podane na wejścia: nieodwracające i odwracające.

Układy pracy wzmacniacza operacyjnego:

Wzmacniacz odwracający:

Rys.2. Wzmacniacz odwracający

Wzmacniacz nieodwracający:

Rys.3. Wzmacniacz nieodwracający

Wzmacniacz różniczkujący:

Rys.4. Wzmacniacz różniczkujący

Wzmaczniacz całkujący:

Rys.5. Wzmacniacz całkujący

1. Przebieg ćwiczenia:

• charakterystyka statyczna wzmacniacza odwracającego:

Charakterystyka została sporządzona dla wzmocnienia k=-1, dla napięć od -15 [V] do 15 [V]

Uwej	Uwyj	Uwej	Uwyj
-14.8	13.6	1.03	-0.993
-14	13.6	1.96	-1.93
-13	13	3.05	-3.02
-12	12	4	-3.97
-11	11	4.96	-4.91
-10	10	6.06	-6.02
-9	9	7.01	-6.94
-8.06	8.05	8.01	-7.95
-7.03	7.01	8.96	-8.90
-6	6	10	-9.95
-5.05	5.01	10.94	-10.88
-3.98	3.94	12	-11.92
-3.01	2.97	13.06	-11.95
-1.95	1.93	14.09	-11.9
-1	1.01	15.05	-11.85
0	0

Wykres:

Rys.6. Charakterystyka statyczna wzmacniacza odwracającego

• charakterystyka statyczna wzmacniacza nieodwracającego:

Charakterystyka została przeprowadzona dla wzmacniacza nieodwracającego o wzmocnieniu K=1,1

Uwej	Uwyj
0	0.05
1	1.15
2	2.25
3	3.35
4	4.45
5	5.55
6	6.65
7	7.75
8	8.85
9	9.95
10	11.05

Wykres:

Rys.6. Charakterystyka statyczna wzmacniacza nieodwracającego

• wyznaczenie odpowiedzi czasowych dla wzmacniacza całkującego:

Odpowiedź na sygnał prostokątny:

Rys.7. Odpowiedź wzmacniacza całkującego na sygnał prostokątny

• charakterystyka amplitudowo - częstotliwościowa wzmacniacza nieodwracającego:

f	Awe	Awyj	Awyj/Awej
1	12.4	13.2	1.1
2	12.4	13.2	1.1
3	12.4	13.2	1.1
4	12.4	13.2	1.1
5	12.4	13.2	1.1
6	12.4	13.2	1.1
7	12.4	13.2	1.1
8	12.4	13.2	1.1
9	12.4	13.2	1.1
10	12.4	13.2	1.1
20	12.4	13.2	1.1
30	12.4	13.2	1.1
40	12.4	13.2	1.1
50	12.4	13.2	1.1
60	12.4	13.2	1.1
70	12.4	13.2	1.1
80	12.4	13.2	1.1
90	12.4	13.2	1.1
100	12.4	13.2	1.1
200	12.4	13.2	1.1
300	12.4	12.2	1.0
400	12.8	8.4	0.7
500	12.8	7.6	0.6
600	12.8	6.4	0.5
700	12.8	5.6	0.4
800	13.0	4.8	0.4
900	13.0	4.2	0.3

Wykres:

Rys.8. Charakterystyka amplitudowo - częstotliwościowa wzm. nieodwaracjącego

LABORATORIUM 2

Analiza przetwornika analogowo-cyfrowego (A/C). wyznaczanie charakterystyk dynamicznych i statycznych.

1. Wstęp teoretyczny:

Przetwornik analogowo-cyfrowy A/C - to układ służący do zamiany sygnału analogowego (ciągłego) na reprezentację cyfrową (sygnał cyfrowy). Dzięki temu możliwe jest przetwarzanie ich w urządzeniach elektronicznych opartych o architekturę zero-jedynkową oraz gromadzenie na dostosowanych do tej architektury nośnikach danych. Proces ten polega na uproszczeniu sygnału analogowego do postaci skwantowanej (dyskretnej). czyli zastąpieniu wartości zmieniających się płynnie do wartości zmieniających się skokowo w odpowiedniej skali (dokładności) odwzorowania.

W procesie konwersji analogowo – cyfrowej zachodzi:

• kwantowanie sygnału (dyskretyzacja w poziomie przeważnie w dziedzinie napięcia).

• próbkowanie sygnału (dyskretyzacja w dziedzinie czasu).

• kodowanie sygnału.

1. Przebieg ćwiczenia:

1. charakterystyka statyczna przetwornika:

Charakterystykę wyznacza się dla czterech najbardziej znaczących bitów. Polegała ona na podawaniu coraz większych napięć a następnie coraz mniejszych na wejście analogowe oraz odczytywaniu napięć dla których występuje zmiana stanu na czterech najbardziej znaczących bitów.

Wyniki:

L.p.	Wartość binarna	Napięcie na przetworniku[V]
1	0000	0
2	0001	0.012
3	0010	0.035
4	0011	0.055
5	0100	0.085
6	0101	0.091
7	0110	0.114
8	0111	0.132
9	1111	0.285
10	1111	0.285
11	0111	0.145
12	0110	0.120
13	0101	0.106
14	0100	0.087
15	0011	0.061
16	0010	0.040
17	0000	0

Rys.9. Charakterystyka statyczna

1. charakterystyka dynamiczna przetwornika:

Badanie to polegało na podawaniu napięcia piłokształtnego oraz sinusoidalnego o zakresie od 0 do 5 [V] na wejście analogowe przetwornika oraz odczytanie wartości na wyjściach cyfrowych.

PRZEBIEG PIŁOKSZTAŁTNY

Rys.9. Charakterystyka dynamiczna dla przebiegu piłokształtnego

PRZEBIEG SINUSOIDALNY

Rys.10. Charakterystyka dynamiczna dla przebiegu sinusoidalnego

LABORATORIUM 3

Czujniki pomiarowe. Obliczanie prędkości obrotowej dysku twardego za pomocą czujnika przyspieszenia oraz sprawdzanie temperatury za pomocą termopary.

1. Wstęp teoretyczny:

Termopara – Główną zaletą tych urządzeń jest przetwarzanie bezpośrednio wielkości nieelektrycznej -temperatury. na wielkość elektryczną - napięcie. Pozwala to przesyłać sygnały na duże odległości. przetwarzanie i gromadzenie danych o temperaturze badanego obiektu. a także sterowanie różnymi procesami. Ponadto termopary są niezawodne. proste i tanie.

Zasada działania:

Składa się z pary (dwóch) różnych metali zwykle w postaci przewodów. spojonych na dwóch końcach. Jedno złącze umieszczane jest w miejscu pomiaru. podczas gdy drugie utrzymywane jest w stałej temperaturze odniesienia. Pod wpływem różnicy temperatury między miejscami złączy (pomiarowego i "odniesienia") powstaje różnica potencjałów (siła elektromotoryczna). zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną. proporcjonalna do różnicy tych temperatur.

1. Przebieg ćwiczenia:

Wszystkie badania zostały przeprowadzone przy pomocy kart pomiarowych oraz programu NI LabView. Stanowi on przyjazne środowisko do tego typu badań: za pomocą jednego bloku (DAQ Assistant) mamy możliwość konfiguracji oraz odczytu informacji z różnych kart pomiarowych oraz czujników.

Czujnik przyspieszenia został przyłożony do obudowy komputera w miejscu gdzie znajdował się dysk twardy. Bezpośrednio sczytywał on zmiany przyspieszenia. W celu obliczenia prędkości obrotowej dysku twardego zastosowana została transformata Fouriera. która pokazała częstotliwość z jaką obraca się dysk. Częstotliwość ta była w [Hz]. więc należało pomnożyć ją przez 60. aby uzyskać prędkość w obr/min. Wyznaczona prędkość wynosi 120[obr/sec] czyli 7200 [obr/min].

Rys.11. Wykres transformaty Fouriera sygnału z czujnika przyspieszenia

Badania z użyciem termopary zostały przeprowadzone dla temperatury otoczenia. oraz temperatury rezystora obciążonego napięciem 7 [V]. Wyniki tych badań przedstawione zostały na wykresach:

Rys.12. Wykres temperatury otoczenia

Rys.13. Wykres temperatury nagrzewającego się rezystora. obciążonego napięciem 7 [V]

LABORATORIUM 4

Obliczanie prędkości obrotowej silnika za pomocą enkodera.

1. Wstęp teoretyczny:

Enkoder –  przetwornik. którego zadaniem jest podliczanie impulsów (przyrosty kątowe) odpowiadających ruchowi obrotowemu. Charakterystyczną cechą tych enkoderów jest stała liczba impulsów na wyjściu do 10000 impulsów/obrót. odpowiadająca rozdzielczości systemu pomiarowego.

W badaniu prędkości obrotowej silnika użyty był en koder dwufazowy o rozdzielczości 200 [imp/obr]. Enkoder dwufazowy charakteryzuje się tym. że na wyjściu mamy dwa przebiegi impulsowe. przesunięte względem siebie o 90°. Dzięki temu możemy odczytać nie tylko prędkość obrotową wału na którym jest umieszczony dany enkoder. ale również kierunek obrotów.

2. Przebieg ćwiczenia:

Ćwiczenie polegało na ustawieniu prędkości obrotowej silnika oraz odczytaniu jej początkowo na oscyloskopie a następnie stworzenie algorytmu odczytywania prędkości w programie LabView.

Wyliczenie prędkości obrotowej z oscyloskopu wymagało jedynie odczytania okresu sygnału z enkodera. Na tej podstawie można było obliczyć częstotliwość sygnału. a znając ilość impulsów na obrót prędkość obrotową.

Program do obliczania prędkości obrotowej na bieżąco wygląda następująco:

Rys.14. Program w LabView do obliczania prędkości obrotowej silnika

Sygnał impulsowy z enkodera trafia na kartę pomiarową a z niej przez bloczek ‘DAQ Assistant’ w programie LabView jest przesyłany do bloku ‘Timing and Transition Measurments’ gdzie wyliczana jest częstotliwość. Następnie dzieli się ją przez 200 ( ilość impulsów na obrót) oraz mnoży przez 60 (aby prędkość była w [obr/min]). Wynik jest wypisywany w oknie.