26.02.2009r

PRZYRZĄDY POMIAROWE I PODSTAWY MIERNICTWA ELEKTRONICZNEGO

Katedra Podstaw Elektroniki

Dominik Czado L02

Zespół „A”

1.Protokuł.

2. Przyrządy pomiarowe użyte podczas pomiarów oraz ich ogólna charakterystyka.

• Metex MS - 9150 Urządzenie wielofunkcyjne

Miernik częstotliwości:

- Zakresy pomiarowe: kanały A i B: 5Hz do 100MHz

kanał C: 100MHz do 1,3GHz

- Czułość wejściowa: kanały A i B: 70 mV RMS sygn. sin

kanał C: 35 mV RMS sygn. sin

- Impedancja wejściowa: kanały A i B: 1 MW,

kanał C: 50 MW

- Podstawa czasu: przełączana ręcznie

- Pomiar okresu: 0,1 s do 10s

- Zliczanie impulsów: 0 do 99999999

- Pomiar stosunkowy A/B: 5Hz do 100MHz

- Pomiar przesunięcia A→B: 100ns do 10s

- Pomiar różnicowy A-B i sumacyjny A+B: 5Hz~100MHz

- Maksymalne napięcie wejściowe: 3V

Generator funkcyjny:

-Częstotliwość: 0,02Hz¸2MHz

- Napięcie regulacji VCF: 0 do 10V DC

- Impedancja wyjściowa: 50W±10% lub 600W 10% (przełączana)

- Amplituda wyjściowa: 2Vp-p~20Vp-p bez obciążenia,

1Vp-p~10Vp-p obciążenie 50W

- Tłumienie: -20dB

- Przebieg sinusoidalny: zniekształcenia <1% (1kHz),

płaskość charakterystyki +0.3 dB

- Przebieg prostokątny: symetria < 3% (1kHz),

czas narastania/opadania <150ns (1kHz)

- Przebieg trójkątny: liniowość <1% (do 100kHz), 5% (100kHz do 2MHz)

- Przebieg TTL: czas narastania/opadania <30ns (1kHz),

poziom wyjściowy >3V

- Maksymalne napięcie wejściowe: 15V

Zasilacz :

Wyjście 1 Wyjście 2 Wyjście 3

- Napięcie wyjściowe: 0 - 30V 5V (stałe) 15V (stałe)

- Prąd wyjściowy: 0 - 2A 2A 1A

- Poziom tętnień (maks.): 1mV 2mV 2mV

- Stabilizacja obciążenia: 0,1%+5mV 70mV 0,1%+5mV

- Stabilizacja napięciowa: 0,1%+5mV 70mV 0,1%+5mV

- Maks. prąd wyjściowy: 2A 2,2A 1,2A

(ograniczanie) (odcięcie) (odcięcie)

Multimetr cyfrowy:

Funkcje i zakresy pomiarowe:

- napięcie stałe: 4 (400mV do 400V) 0,3% + 1

1 (1000V) 0,5% + 1

- napięcie zmienne: 4 (400mV do 400V) 0,8% + 3

1 (750V) 1,0% + 3

- prąd stały: 2 (40mA do 400mA) 0,8% + 3

1 (20A) 1,0% + 3

- prąd zmienny: 2 (40mA do 400mA) 1,5% + 3

1 (20A) 2,0% + 5

- rezystancja: 5 (400W do 4MW) 0,5% + 1

1 (40 MW) 1,0% + 2

- pojemność: 3 (4nF do 400nF) 2,0% + 3

3 (4mF do 400mF) 3,0% + 5

- indukcyjność: 400mH 3,0% + 10

• Multimetr Agilent 34405A

- napięcie stałe: 100mV - 1000V

- rezystancja: 100Ω (1mA), 1kΩ (0.83 mA), 10kΩ (100μA), 100kΩ (10μA), 1MΩ (900nA), 10MΩ (205nA), 100MΩ (205nA)

- prąd stały: 10mA (<0.2V), 100mA (<0.2V), 1A (<0.5V), 10A (<0.6V)

- test diody: 1V (0.83mA)

- napięcie zmienne: 100mV (20Hz - 100kHz), 1V - 750V (20Hz - 100kHz)

- prąd zmienny: 10mA (20Hz - 45Hz), 100mA (45Hz - 1kHz), 10A (1kHz - 10kHz)

- częstotliwość: 2Hz - 300kHz (dla napięcia AC 100mV - 750V),

2Hz - 10kHz (dla prądu AC 10mA - 10A)

- temperatura: -80°C - 150°C, -110°F - 300°F

- pojemność: 1nF - 10μF (0.75μA - 0.83mA)

• Oscyloskop HP 54645A

- maksymalne napięcie wejściowe: 300 Vrms CAT II; spadek 20 dB/dekadę powyżej 100 kHz

- zakres podstawy czasu: 2 ns/dz do 50 s/dz

- ograniczenie pasma: filtr dolnoprzepustowy ~ 20 Mhz

- czułość wzmacniacza odchylania pionowego: 2 mV/dz do 5 V/dz

- dokładność wzmocnienia DC: ± 3% w zakresie 10 mV/dz do 5V/dz, ± 4% w zakresie 2 mV/dz do 5 mV/dz

- impedancja wejściowa: 1 MΩ, ~ 13 pF

- dokładność podstawy czasu: 100 ppm

- rodzaj sprzężenia wejściowego: DC, AC, ziemia

3. Zabezpieczenia w wykorzystywanych przyrządach:

Metex MS-9150: w urządzeniu stosowane są bezpieczniki topikowe :

- zasilanie sieciowe: 1A/220-240V, rozmiar: Ө6,35 x 31,8, typ zwłoczny

- multimetr: zakres 400mA AC/DC - 800mA/250V ,

zakres 20A AC/DC - 20A/250V

Multimetr Agilent 34405A :

Multimetr ten posiada zabezpieczenie prądowe 1.25 A na wyjściu.

5. Oscyloskopy cyfrowy i analogowy;

Oscyloskopy dzielimy na dwie grupy: • analogowe,

• cyfrowe.

Podstawową różnicą pomiędzy tymi oscyloskopami jest sposób utrwalania przebiegu wejściowego. W oscyloskopie analogowym obraz jest bezpośrednio prezentowany na ekranie lampy i tym samym może być obserwowany tylko przez czas ekspozycji, natomiast w oscyloskopie cyfrowym próbki przebiegu są zapamiętywane w pamięci półprzewodnikowej, zatem mogą być przekazane do układu wyświetlania niezależnie od czasu akwizycji sygnału. Oczywiście w podstawowym trybie pracy oscyloskopu cyfrowego przebieg jest prezentowany bezpośrednio po zebraniu takiej liczby próbek, żeby zapełnić jeden ekran (dokładniej chodzi tu o zebranie liczby próbek odpowiadającej rozmiarowi rekordu zobrazowania, zazwyczaj mniejszego od rozmiaru całej pamięci). Wzgląd na przyzwyczajenia użytkowników powoduje, że panel czołowy oscyloskopu cyfrowego często przypomina odpowiedni panel oscyloskopu analogowego. Wiele elementów regulacyjnych na panelu czołowym spełnia analogiczne funkcję w obu oscyloskopach pomimo, że są realizowane w technice analogowej lub cyfrowej. Stąd, z punktu widzenia użytkownika, obsługa oscyloskopu (rozumiana jako funkcje przycisków i pokręteł na panelu czołowym) jest podobna dla oscyloskopu cyfrowego i analogowego. Wrażenie łatwiejszej obsługi oscyloskopu cyfrowego powstaje dzięki zobrazowaniu znaczenia funkcji na ekranie i możliwości automatycznego doboru ustawień oscyloskopu do charakteru przebiegu wejściowego (patrz funkcje Autoscala i AutoLevel). Należy jednak podkreślić, że stosowanie takich funkcji ma sens w przypadku standardowych sygnałów. Badanie przebiegów o złożonych kształtach wymaga znajomości działania zaawansowanych funkcji regulacyjnych i pomiarowych oscyloskopu cyfrowego.

Oscyloskop cyfrowy którego używaliśmy w ćwiczeniu posiada wiele różnych funkcji, między innymi: Funkcje matematyczne- dodawanie, odejmowanie, mnożenie. Automatyczna kalibracja - umożliwia automatyczną kalibrację układów odchylania pionowego i poziomego. Filtracja cyfrowa - funkcja oferuje filtr dolnoprzepustowy, górnoprzepustowy, środkowoprzepustowy i środkowo-zaporowy. Częstotliwości odcięcia filtrów wybierane w zakresie od 1 kHz do częstotliwości pasma pracy oscyloskopu. Tryby akwizycji: Normalna (Normal) -Zobrazowanie w czasie rzeczywistym z pobieranych próbek, Uśrednianie (Averaging) -Dostępne wartości: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 lub 256, Detekcja impulsów (Peak Detect) -Detekcja impulsów o szerokości 10ns podczas obserwacji sygnałów na wolniejszych podstawach czasu (< 5 ms/dz). Tryby wyzwalania: Ręczny (Force)-Wyzwalanie natychmiast po naciśnięciu przycisku, Zboczem (Edge)-Wyzwalanie zboczem narastającym lub opadającym, Sygnałem wizyjnym (Video)-Wyzwalanie sygnałami standardów: NTSC, PAL, SECAM, Impulsem (Pulse)-Wyzwalanie szerokością impulsu o wartości większej, równej lub mniejszej od zadanego przedziału czasu; zakres od 20ns do 10s.

6. Generator umożliwia uzyskanie sygnałów: sinusoidalnych, prostokątnych, trójkątnych.

Wartości częstotliwości: min:0,2 Hz, max: 2MHz

Wartości amplitudy: min: 2V, max: 20V

Generator posiada możliwość dodawania do sygnału wyjściowego regulowanej w zakresie 10V składowej stałej. Ustawienie poziomu składowej stałej następuje po wyciągnięciu odpowiedniego pokrętła i skręcenie go w lewo dla dodania składowej ujemnej lub w prawo dla składowej dodatniej. Jeżeli pokrętło jest wciśnięte sygnał wyjściowy pozbawiony jest składowej stałej. Składowa stała jest to wartość średnia sygnału. Wartość średnia jest miarą powszechnie stosowaną do wyrażania wydajności procesu elektrolizy

7. Układ poprawnie mierzonego prądu

Wartość Rx podaje wzór:

R_X=U/I_X=(U_V-U_A)/I_X=U_V/I_X - R_A

Ux - napięciem na rezystancji Rx,

U_V - wskazaniem woltomierza (Ux + U_A),

U_A napięciem na amperomierzu,

Ix wskazaniem amperomierza

Błąd metody wynosi: R_X = +R_A

Wynika stąd wniosek, by układ poprawnie mierzonego prądu stosować do pomiaru

rezystancji o dużych wartościach (Rx >> R_A).

Układ poprawnie mierzonego napięcia

Poprawną wartość Rx określa wzór:

R_X=U/I_X=U/(I_A-I_V)

U_X - wskazaniem woltomierza,

I_A - wskazaniem amperomierza I_A =(I_X + I_V),

I_V - prąd pobierany przez woltomierz

Błąd metody wynosi: R_X= - R_X/(1+(R_V/R_A))

Wynika stąd wniosek, by układ poprawnie mierzonego napięcia stosować do

pomiaru rezystancji o małych wartościach (R_X << R_V).

8. Rezystancja jest podstawowym parametrem rezystorów. Wartości rezystancji znamionowych rezystorów są znormalizowane - tworzą tzw. szeregi: E6(±20%), E12(±10%), E24(±5%), E48(±2%), E96(±1%) i E192(±0,5%). Każdy szereg składa się z liczb dwucyfrowych i jest tym gęściejszy, im wyższej klasy rezystorów dotyczy. Liczby podawane obok litery E oznaczają liczbę elementów danego szeregu.

9. Rodzaje rezystorów:

Rezystory węglowe, warstwowe

• warstwa węgla o danej wartości rezystancji naparowana na rurkę ceramiczną

• stosowanie nacięć spiralnych w warstwie węglowej w celu osiągnięcia właściwej wartości

rezystancji

Rezystory warstwowe metalowe

• warstwa metalu o danej wartości rezystancji naparowana na rurkę ceramiczną

• proces produkcji podobny do rezystorów węglowych

Precyzyjne rezystory drutowe

• drut o wysokiej rezystancji (nikrotal CrNi, kantal CrAlFe, lub konstantan CuNi) nawinięty

na korpus z ceramiki, szkła lub włókna sztucznego

• są izolowane plastikiem, silikonem, glazurą lub zamknięte w obudowie aluminiowej

Precyzyjne rezystory SMD

• przeznaczone do montażu powierzchniowego

Matryce rezystorowe „drabinki”

• są produkowane w wersji grubo- i cienkowarstwowej

• ceramiczny korpus z nadrukowanymi rezystorami i wyprowadzeniami

10. Rodzaje kondensatorów:

•elektrolityczne

•ceramiczne

•z tworzywa sztucznego

•papierowe

•mikowe

Kondensatory zawierają materiały izolacyjne takie jak: ceramika, tlenki glinu, tlenki tantalu, poliester, poliwęglan, polipropylen, polistyren.

Kondensatory stałe mają właściwości zależne przede wszystkim od rodzaju zastosowanego dielektryka oraz konstrukcji i technologu wytwarzania. Kondensatory mikowe mimo wielu znakomitych właściwości (m.in. dużej stałości pojemności w czasie, ściśle określonego temperaturowego współczynnika pojemności) — są powoli wycofywane z produkcji ze względów materiałowo-technologicznych. Kondensatory mikowe zbudowane są podobnie jak ceramiczne kondensatory wielowarstwowe, ale ponieważ nie podlegają wygrzewaniu w wysokich temperaturach, elektrody można wykonać ze srebra. Właściwości elektryczne np. rezystancja izolacji, stratność i stabilność są doskonale i całkowicie porównywalne z najlepszymi tworzywami sztucznymi i ceramika. Kondensatory mikowe są jednak względnie duże i drogie, co powoduje, ze w znacznym stopniu zastępowane są miedzy innymi, przez kondensatory polipropylenowe. Stosuje się je często w układach wielkiej częstotliwości, gdzie wymagane są nie tylko niskie straty, ale również wysoka stabilność częstotliwości i temperatury. Kondensatory polistyrenowe wyróżniają się dużą stabilnością, dużą rezystancją izolacji, małym tangensem kąta strat, małym (a przy tym stałym) ujemnym temperaturowym współczynnikiem pojemności oraz możliwością uzyskania wąskich tolerancji pojemności. W pewnym stopniu wadą tych kondensatorów jest dość niska górna dopuszczalna temperatura pracy ( +70°C). Są przeznaczone do pracy w urządzeniach profesjonalnych i powszechnego użytku, szczególnie w obwodach wysokich częstotliwości . Kondensatory te stosowane są między innymi w bardzo odpowiedzialnych miejscach obwodów elektrycznych np. w filtrach. Kondensatory poliestrowe i polipropylenowe, w porównaniu z kondensatorami polistyrenowymi, są mniej stabilne i mają większą stratność, ale szerszy zakres temperatury pracy (od -55oC do 85oC) oraz zdolność do samo regeneracji, gdy są metalizowane. Kondensatory poliestrowe są przeznaczone do pracy przede wszystkim w obwodach prądu stałego . Kondensatory polipropylenowe stosuje się w układach impulsowych oraz układach prądu przemiennego. Właściwości kondensatorów ceramicznych w istotny sposób zależą od rodzaju materiału zastosowanego jako dielektryk. Zazwyczaj wyróżnia się dwie podstawowe grupy tych kondensatorów, różniące się zasadniczo właściwościami, a w wyniku tego i przeznaczeniem:
— kondensatory typu l, charakteryzujące się małą stratnością oraz liniową zależnością pojemności w funkcji temperatury (przy znormalizowanym temperaturowym współczynniku pojemności) zwykle przeznaczone do pracy w obwodach rezonansowych jako kondensatory kompensacyjne;
— kondensatory typu 2 (ferroelektryczne), charakteryzujące się dużą stratnością oraz silnie nieliniową zależnością pojemności od temperatury i napięcia, najczęściej stosowane jako kondensatory sprzęgające, blokujące itp.

Przykłady zastosowania kondensatorów
- jako kondensator sprzęgający, blokujący napięcie stale, ale przepuszcza dalej napięcie zmienne. Jako kondensator blokujący, zwierający napięcie zmienne, które występuje razem z napięciem stałym.
- w filtrach i obwodach rezonansowych, gdzie najczęściej wspólnie z elementem indukcyjnym lub rezystorem, stanowi obwód rezonansowy lub obwód filtra np. w oscylatorze albo filtrze separującym głośnika.
- np. w zasilaczu sieciowym znajdują się kondensatory do magazynowania energii, która jest używana do filtrowania (wygładzania) napięcia stałego.
- w obwodach czasowych wykorzystuje się ładowanie i rozładowywanie kondensatora do określenia czasu. Przykładem tego jest multiwibrator astabilny.
- jako elementu odkłócającego, używa się kondensatora, który może pochłonąć krótkie impulsy napięcia tak np. jak w obwodzie RC przyłączonym do cewki przekaźnika. Używa się również kondensatorów np. typu X lub Y w celu tłumienia zakłóceń o wysokich częstotliwościach (RFI). Przy prądach zmiennych wysokiego napięcia, używa się często do pomiarów pojemnościowych dzielników napięcia. Nie maja one takich dużych strat jak rezystancyjne dzielniki napięcia.

11. Kondensatory elektrolityczne i tantalowe należy dołączyć do źródła prądu stałego anodą do bieguna plus , a katodą do bieguna minus . Dołączenie przeciwne powoduje zniszczenie kondensatora elektrolitycznego.

12. Aby dokonać pomiaru napięcia multimetrem należy wybrać odpowiedni przycisk w zależności jakie napięcie chcemy zmierzyć. DC - napięcie stałe, AC napięcie zmienne. Multimetr ustawiony na pomiar napięcia zmiennego mierzy jego wartość skuteczną, natomiast przy pomiarze napięcia stałego mierzona wartość odpowiada wartości średniej. Przy pomiarach napięć zmiennych należy pamiętać aby częstotliwość mierzonych sygnałów nie przekraczała maksymalnej częstotliwości multimetru.

13.

U	I	R= U/I
[V]	[mA]	[Ω]
1,157	0,998	1159
2	1,140	1754
3	2,195	1366
4	3,50	1142
5	4,354	1148
6	5,249	1143
7	6,138	1140
8	6,985	1145
9	7,868	1143
10	8,755	1142
11	9,768	1126

U	I	R=dU/dI
[V]	[mA]	[Ω]
1,157	0,998
2	1,140	947
3	2,195	766
4	3,50	1170
5	4,354	1117
6	5,249	1124
7	6,138	1180
8	6,985	1132
9	7,868	1127
10	8,755	987
11	9,768	1126

14.

U	I	P
[V]	[mA]	mW
1	0,045	0,045
3	0,136	0,408
5	0,226	1,130
7,03	0,313	2,200
9,03	0,410	3,702
11,04	0,505	5,575
13,02	0,598	7,786
15,08	0,701	10,571
17	0,802	13,634
19,03	0,921	17,527
20	0,965	19,300

Z wykresu wynika że rezystancję można uznać za liniową w zakresie od 0V do 17V.

15.

Tablica kodów paskowych rezystorów

W systemie znakowania cztero - paskowym dwa pierwsze oznaczają wartość rezystancji, a trzeci mnożnik przez który należy pomnożyć te dwie pierwsze liczby. Czwarty pasek to dopuszczalna tolerancja W ćwiczeniu stosowaliśmy rezystory o następujących kodach:

4, 68 M Ω - żółty fioletowy niebieski srebrny

22,6 Ω - czerwony pomarańczowy brązowy złoty

5, 59 k Ω- zielony niebieski pomarańczowy niebieski

50, 9 k Ω- zielony brązowy żółty czerwony

68, 0 k Ω -niebieski szary pomarańczowy czerwony

16 Rodzaj badanego termistora

U	I	R
[V]	[mA]	Ω
1	0,045	22222,222
3	0,136	22058,824
5	0,226	22123,894
7,03	0,313	22460,064
9,03	0,41	22024,39
11,04	0,505	21861,386
13,02	0,598	21772,575
15,08	0,701	21512,126
17	0,802	21197,007
19,03	0,921	20662,324
20	0,965	20725,389

17. Dzięki zastosowaniu oscyloskopu możemy poprawnie mierzyć parametry czasowe sygnałów niesinusoidalnych.

18.Wygodnym przyrządem do pomiaru czasu (okresu) i częstotliwości jest oscyloskop.

Pomiary oscyloskopowe umożliwiają pomiar metodą :

• pośrednią, poprzez pomiar okresu przebiegu badanego,

• porównawczą, w której oscyloskop jest używany jako wskaźnik zrównania ze sobą sygnałów o częstotliwości mierzonej f _x i wzorcowej f_w doprowadzonych do torów X i Y oscyloskopu.

W metodzie pośredniej częstotliwość określa się wg zależności
=
, jako odwrotność pomierzonego bezpośrednio z ekranu oscyloskopu czasu okresu T_x badanego przebiegu, przy znajomości współczynnika kalibracja generatora podstawy czasy S_x. Czas trwania okresu wyniesie T_x = d_x · S_x

d_x - odczytana z ekranu długość odcinka (w cm) odpowiadająca jednemu okresowi ;

S_x - współczynnik nastawy kalibratora podstawy czasu, np. w ms/cm.

20.

http://www.amt.pl/go.php?l=1&art=188&PHPSESSID=24af1b848f0e1f1681b5d89bae6aafd1

http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5989-4906EN.pdf

http://www-med.eti.pg.gda.pl/~suchocki/czujniki/MS-9150.pdf

http://serwis-tv.com/opornik.html

http://www.labimed.com.pl/index2.php?id_dzialu=1

Informacje zawarte na tych witrynach internetowych były potrzebne w celu uzyskania danych technicznych, obsługi oraz funkcji przyrządów używanych w tym ćwiczeniu, oraz aby uzyskać wiadomości dotyczące kodów pasków barwnych rezystorów i kondensatorów.

21. Celem ćwiczenia było poznanie podstawowej, typowej aparatury kontrolno pomiarowej używanej w laboratoriach elektronicznych: poznanie funkcji zasilaczy, generatorów, multimetrów oscyloskopów i przygotowanie do ich obsługiwania. W laboratorium źródłem prądu i napięcia stałego są zasilacze stabilizowane o regulowanej wartości tych sygnałów. Źródłem napięć zmiennych są generatory funkcyjne dostarczające sygnały o przebiegach sinusoidalnych, trójkątnych i prostokątnych w zadanym, szerokim zakresie częstotliwości.

Wyniki pomiarów rezystancji różnymi przyrządami nieznacznie różnią się od siebie, może być to spowodowane różnymi klasami dokładności przyrządów, oraz rożnymi zakresami przyrządów. Wyniki naszych pomiarów rezystorów i kondensatorów nieznacznie różnią się od tych wskazanych przez producenta. Nieliniowość charakterystyki prądowo - napięciowej może być spowodowana niedokładnością przyrządów, oraz trudnością ustawienia małych wartości napięcia na przyrządzie.

Do obliczeń i wykresów posłużyłem się programem Microsoft Office Excel .

Amperomierz wskazuje prąd płynący przez Rx

Woltomierz wskazuje spadek napięcia na Rx

U

Rezystancja statyczna: R= U/I

Rezystancja dynamiczna:

R= dU/dI

R₁=(U₂-U₁)/(I₂-I₁)

NTC - o ujemnym współczynniku temperaturowym (ang. negative temperature coefficient) - wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji.

PTC -o dodatnim współczynniku temperaturowym (ang. positive temperature coefficient), wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji.

Biorąc pod uwagę wyniki pomiarów uważam że badany termistor jest typu NTC

d_x

Pomiar okresu (czasu) na ekranie oscyloskopu

---