background image

ĆW. 7. MIERNIKI ANALOGOWE I CYFROWE, 

 SKALA LOGARYTMICZNA I LINIOWA 

I. 

CEL 

 

Poznanie rodzajów  i zasad działania mierników napięcia analogowych i cyfrowych, 

  Skala logarytmiczna – zastosowanie.  

   

II. 

ZESTAW OPRZYRZĄDOWANIA DO ĆWICZENIA 

  multimetry,  

  zasilacz stabilizowany,  

  miernik cyfrowy,  

  miernik analogowy, 

 
 

III. 

SPOSÓB POSTEPOWANIA 

3.1. 

Pomiar napięcia stałego 

 
  
Zmierzyć napięcia wyjściowe zasilacza stabilizowanego. Wyniki pomiarów zestawić  

w tablicy1. Wyniki powtórzyć dla miernika cyfrowego i analogowego. 

 
 

 

Rys. 3.1. Układ do pomiaru napięcia stałego 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

background image

 

 

IV. 

WSTĘP TEORETYCZNY 

 

4.1.      Mierniki analogowe 

Miernikami analogowymi (odchyłowymi) nazywa się mierniki, których wskazania są funkcją 

ciągłą wartości wielkości mierzonej. Również mierniki, których zmiany wskazań następują małymi 

skokami, a nie są to mierniki o wskazaniu cyfrowym, uważa się za analogowe. 

Podzespół  miernika,  w  którym  pod  wpływem  wielkości  mierzonej  następuje  odchylenie 

wskazówki  (materialnej  lub  świetlnej),  zależne  od  wartości  mierzonej,  nazywa  się  ustrojem 

pomiarowym.  Część  ruchoma  ustroju  pomiarowego  nosi  nazwę  organu  ruchomego.  W  zależności  

od  zasady  fizycznej  działania  rozróżnia  się  ustroje:  magnetoelektryczne,  elektromagnetyczne, 

elektrodynamiczne, ferrodynamiczne i elektrostatyczne. 

           Różnią się one między sobą nie tylko budową, lecz także właściwościami metrologicznymi. 

Mierniki  analogowe,  obok  podziału  w  zależności  od  rodzaju  ustroju,  można  podzielić  na  mierniki  

o działaniu bezpośrednim i mierniki o działaniu pośrednim. 

Mierniki  o  działaniu  bezpośrednim  są  to  mierniki,  w  których  energia  potrzebna  

do  odchylenia  organu  ruchomego  ustroju  pomiarowego  jest  czerpana  bezpośrednio  z  obwodu 

kontrolowanego.  Są  to  zwykle  przyrządy  o  strukturze  otwartej  i  często  nazywane  miernikami 

elektromechanicznymi. Ich parametry techniczne są podane w normie PN-92/E-06501/01 ÷ 09. 

Mierniki  analogowe  o  działaniu  pośrednim  są  to  mierniki,  w  których  wielkość  mierzona 

steruje wielkością pomocniczą dostarczającą energię niezbędną do przesunięcia organu ruchomego. 

Są  to  przyrządy  o  strukturze  zamkniętej  i  noszą  nazwę  mierników  elektronicznych.  Ich  parametry 

techniczne podano w normie PN-86/T-06500/01 do PN-86/T-06500/10. 

 

4.1.1. Odczyt analogowy 

Urządzenie odczytowe w miernikach analogowych składa się z podzielni (częściej nazywanej 

skalą) z naniesioną nań podziałką oraz wskazówki. 

Podziałka jest to uporządkowany zbiór znaków (najczęściej kresek) przy czym, dla ułatwienia 

odczytu, niektóre z nich są oznaczone cyframi. Podziałki są wykonywane zgodnie z normą PN-74/M-

54303.  Część  podziałki  objęta  dwoma  sąsiednimi  wskazami  nazywa  się  elementarną  działką.  

Ze  względu  na  dogodność  odczytu,  jednej  działce  podziałki  powinna  odpowiadać  wartość  X 

wielkości mierzonej równa: 

 

 

 

background image

 

  

gdzie: c = 1 lub 2 lub 5; n — dowolna liczba całkowita dodatnia lub ujemna.  

 

Długość podziałki i liczba działek jest ściśle związana z klasą miernika. 

Podziałki  mierników klasy 0,1 mają długość od  200 mm do 300 mm i  150 do 200 działek, 

klasy  0,2  —  około  150  mm  i  100  do  120  działek,  a  podziałki  mierników  pozostałych  klas  mają 

długość od 60 mm do 120 mm i od 40 do 120 działek. 

 

 

Rys.  4.1.  Urządzenia  odczytowe  w  miernikach  analogowych:  a)  ze  wskazówką  materialną;  b)  ze 

wskazówką świetlną 1 — podzielnia, 2 — lustro, 3 wskazówka 

 

Wskazówki  mierników  mogą  być  materialne  lub  świetlne  (rys.  4.1).  Wskazówki  materialne 

wykonuje  się  najczęściej  z  rurek  lub  blach  duralowych.  Kreski  działkowe  podziałki  są  drobne  

i dlatego jest wymagane cienkie zakończenie wskazówki. Najczęściej jest ona spłaszczona na końcu  

i ma kształt noża. Aby zakończenie wskazówki było lepiej widoczne, grzbiet jej pokrywa się czarną 

lub czerwoną farbą. 

Jeżeli  kierunek  patrzenia  przy  odczytywaniu  wskazania  nie  jest  prostopadły  do  podzielni,  

to obserwator widzi niewłaściwe miejsce podziałki. Powstaje przy tym błąd odczytu zwany błędem 

paralaksy. W celu uniknięcia tego błędu, pod szczeliną przebiegającą wzdłuż podziałki umieszcza się 

niekiedy lustro. Podczas odczytywania obserwator powinien uważać, aby wskazówka pokrywała się 

ze swoim odbiciem w lustrze. 

Błąd  paralaksy  nie  występuje  w  miernikach  ze  wskazówką  świetlną  („plamką  świetlną”).  

W takich miernikach wiązka promieni świetlnych z żarówki pada przez układ optyczny i przesłonę 

na niewielkie lustro umocowane na organie ruchomym. Na podzielni jest widoczna plamka świetlna 

podzielona czarną kreską, będącą odbiciem w lustrze cienkiej nici umieszczonej w przesłonie układu 

optycznego. Odchylanie się organu ruchomego wywołuje przesuwanie się plamki wzdłuż podziałki 

miernika. 

Obserwator  dokładnie  odczytuje  wartość  wskazaną  tylko  wtedy,  kiedy  koniec  wskazówki 

materialnej  lub  kreska  plamki  świetlnej  pokrywa  się  z  kreską  działkową.  Jeżeli  koniec  wskazówki 

background image

 

znajduje  się  między  kreskami,  odczytu  dokonuje  się  szacunkowo  interpolując  wzrokowo  odstęp 

między  nimi.  Najmniejszą  część  działki,  którą  można  odczytać  nazywa  się  zdolnością  rozdzielczą 

podziałki. Zbyt mała zdolność rozdzielcza powoduje zwiększenie błędu odczytu, nadmiernie duża zaś 

zwiększa  wymiary  podziałki,  a  tym  samym  obniża  ergonomiczne  wskaźniki  miernika  (duże 

gabaryty). Zwykle przyjmuje się, że zdolność rozdzielcza podziałek jest nie większa niż 0,1 działki 

(co  odpowiada  długości  ok.  0,1  mm).  Mimo,  że  teoretycznie  w  miernikach  analogowych  istnieje 

nieskończenie  wiele  położeń  wskazówki  względem  podziałki,  to  na  skutek  ograniczonej  zdolności 

rozdzielczej  można  posługiwać  się  tylko  ograniczoną  liczbą  dyskretnych  wskazań.  Jest  to  jedna  

z wad odczytu analogowego. 

 

4.2.      Mierniki cyfrowe 

Miernikiem  elektronicznym  nazywa  się  taki  układ  pomiarowy,  w  którym  sygnał  wejściowy 

zawierający informację o wielkości mierzonej zostaje zamieniony na sygnał elektryczny podlegający 

procesowi  obróbki  w  układach  elektronicznych,  a  następnie  przetworzony  na  wartość  liczbową 

wielkości  mierzonej.  Wyróżniamy  dwa  rodzaje  elektronicznych  przyrządów  pomiarowych: 

analogowe i cyfrowe.  

W  przyrządach  analogowych  elementem  wskazującym  jest  najczęściej  klasyczny  miernik 

wskazówkowy (np. mikroamperomierz magnetoelektryczny) wyskalowany w jednostkach wielkości 

mierzonej.  Mierniki  cyfrowe  pozwalają  na  bezpośredni  odczyt  wartości  wielkości  mierzonej  z 

e wskaźnika cyfrowego lub z rejestratorów (np. drukarki), dzięki czemu unika się błędu popełnianego 

przy odczycie wskazań.  

Główną  zaletą  mierników  cyfrowych  jest  ich  duża  dokładność.  Ponadto  mają  one  

w  porównaniu  z  przyrządami  analogowymi  następujące  zalety:  dużą  szybkość  pomiarów, 

automatyczny  wybór  polaryzacji,  możliwość  automatycznego  wyboru  zakresu,  łatwość  rejestracji  

czy „zapamiętywania” wyników pomiarów oraz możliwość współpracy z komputerowymi systemami 

pomiarowo-kontrolnymi i sterującymi.  

Cyfrowe metody pomiarowe mogą być zastosowane do pomiaru niemal wszystkich wielkości 

fizycznych  zarówno  elektrycznych,  jak  i  nieelektrycznych,  dyskretnych  (ziarnistych)  i  ciągłych. 

Jeżeli  mierzona  wielkość  fizyczna  ma  charakter  ciągły,  to  w  przyrządzie  musi  być  dokonane  tzw. 

przetwarzanie  analogowo-cyfrowe,  czyli  zamiana  wielkości  ciągłej  na  dyskretną.  W  wyniku  

tej  zamiany  otrzymuje  się  proporcjonalna  do  wielkości  mierzonej,  liczbę  impulsów  elektrycznych 

zliczana przez licznik i prezentowana na wskaźniku cyfrowym lub drukarce. 

Ze  względu  na  stosowaną  metodę  przetwarzania  rozróżniamy  przyrządy  cyfrowe  z  miarą 

czasu lub miarą napięcia. W pierwszej z wymienionych grup jednostkę czasu wyznacza okres drgań 

generatora  wzorcowego,  w  drugiej  zaś  jednostkę  napięcia  zmieniające  się  skokowo  napięcie 

background image

 

wyjściowe  specjalnego  typu  generatora  napięcia.  Przedmiotem  dalszych  rozważań  są  mierniki 

cyfrowe wykorzystujące przetwarzanie A/C z miarą czasu.  

Podstawowym  pomiarem  w  tej  klasie  przyrządów  jest  pomiar  częstotliwości  (lub  czasu). 

Wynika  stąd  podział  miernika  cyfrowego  na  dwie  zasadnicze  części.  W  pierwszej  –  mierzona 

wartość  jest  transformowana  na  częstotliwość  lub  czas,  w  drugiej  –  czas  lub  częstotliwość  

są mierzone metodą zliczania impulsów. 

 

4.3.      Pojęcie poziomu względnego i bezwzględnego 

Pojęcie  poziomu  odzwierciedla  stosunki  pomiędzy  wielkościami  elektrycznymi    -  mocami, 

napięciami lub prądami panujące wzdłuż układu teletransmisyjnego (toru, urządzenia). Odpowiednio 

do porównywania danych wielkości rozróżniany jest poziom mocy, poziom napięciowy lub poziom 

prądowy.  Jeżeli,  wartość  elektryczna  otrzymana  w  punkcie  pomiarowym  jest  porównywana  

z  wartością  w  punkcie  wejściowym  układu  (będącym  punktem  odniesienia),  to  wówczas  mówimy  

o poziomie wzg1ędnym, natomiast jeśli wartość ta jest porównywana ze znormalizowaną wartością 

odniesienia, wówczas mówimyo poziomie bezwzględnym. 

Poziom względny mocy 

 

 

         (4.1) 

Poziom względny napięciowy 

   

         (4.2) 

gdzie:  P

x

  i  U

x

  oznaczają  odpowiednio  wartość  mocy  i  napięcia  w  punkcie  pomiarowym, 

 P

A

 i U

A

 - wartość mocy i napięcia na wejściu układu. 

 

 Poziom względny na wejściu układu będzie zawsze miał wartość zero 

 

   

 

 

 

        (4.3) 

 Dla poziomu względnego używane są często skróty jednostek Npr i dBr. 

 

 

 

background image

 

 

Jeżeli  P

1

  i  U

1

  są  to  odpowiednio  znormalizowane  wartości  odniesieni  mocy  i  napięcia,  wówczas 

poziom bezwzględny mocy: 

 

poziom bezwzględny napięciowy 

 

         (4.4) 

Zostało  przyjęte,  że  wartości  znormalizowane  P

1

  i  U

1

  są  to  wartości  na  wyjściu  tzw.  generatora 

normalnego,  mającego  impedancję  wewnętrzną  Z

1

.=  600Ω,  przy  stałym  napięciu  jałowym  

U

0

  =  1,55  V,  który  przy  obciążeniu  impedancją  Z

2

  =  Z

1

  oddaje  na  tej  impedancji  moc  P

=  1mW. 

Napięcie na zaciskach impedancji obciążenia generatora wynosi  

   

 

 

 

         (4.5) 

natomiast znormalizowana wartość prądu płynącego przez obciążenie wynosi I

1

 = 1,29 mA. Wartości 

0,775 V, 1,29 mA, 1 mW są określane jako poziom zerowy napięcia, prądu i mocy. 

 

Odpowiednie wzory dla poziomu bezwzględnego można napisać w postaci 

            

 

 

          (4.6) 

Dla poziomu bezwzględnego używane są często skróty jednostek dBm. 

Jeżeli  poziom  napięciowy  n

u

,  jest  mierzony  w  punkcie  pomiarowym  układu  (np.  toru)  

za pomocą miernika o dużej impedancji wejściowej, przy czym impedancja falowa układu w punkcie 

pomiaru jest określona przez Z

2

, wówczas można obliczyć poziom mocy na podstawie następujących 

wzorów 

            (4.7) 

 

 

 

background image

 

 

lub 

 

          (4.8) 

Poziom bezwzględny mocy różni się więc od bezwzględnego poziomu napięciowego o wartość  

 

 

 

 

 

   

 

 

 

          (4.9) 

lub odpowiednio 

 

 

 

 

 

  

 

 

                    (4.10) 

będąc określony przez odchylenie wartości Z

2

 w stosunku do 600 Ω. 

Dla  porównania  poziomu  napięciowego  z  poziomem  mocy  przy  dowolnych  wartościach 

impedancji Z

2

 można wykorzystać wykres przedstawiony na rys. 4.2. 

 

Jak  wynika  z  podanych  wzorów,  w  przypadku  zamknięcia  czwórnika  obustronnie 

rezystancjami  600  Ω  wartość  poziomu  mocy  jest  równa  wartości  poziomu  napięciowego.  Jeśli  

na  wejściu  układu  jest  włączony  generator,  to  bezwzględny  poziom  napięciowy  jest  nazywany 

poziomem pomiarowym. 

 

Rys. 4.2. Zależność poziomu mocy n od poziomu napięciowego n. 

 

Jeśli impedancja wejściowa układu wynosi 600 Ω, wówczas bezwzględny poziom napięciowy 

jest równy względnemu poziomowi napięciowemu i równy poziomu pomiarowemu. 

 

 

background image

 

 

 

 

 

 

a) pomiar rezystancji wejściowej  

 

Aby  określić  rezystancję  wejściową  należy  zmierzyć  na  wejściu  wzmacniacza  napięcie 

wejściowe i prąd wejściowy:  

                                                                  R

WE

 = U

WE

 / I

WE

                                                                                      

                                                                                                                                                      (4.11) 

Prąd  wejściowy  można  określić  poprzez  podłączenie  przed  wejście  wzmacniacza  rezystancji  R

o

  

i pomiar spadku napięcia na niej: 

                                                    

                                                                 (4.12) 

b) pomiar rezystancji wyjściowej  

 

Aby  wyznaczyć  rezystancję  wyjściową  R

wy

  można  wyjście  wzmacniacza  potraktować  jako 

źródło  napięcia  o  określonej  rezystancji  wewnętrznej.  Mierząc  napięcie  wyjściowe  nieobciążonego 

wzmacniacza określa się wielkość siły elektromotorycznej tego źródła e

Obciążając  to  źródło  znaną  rezystancją  R

1

  doprowadza  się  do  podziału  siły  e  na  spadki 

napięcia na rezystancji wewnętrznej i dołożonej. Mierząc spadek napięcia na rezystancji obciążenia 

(wyjściu  wzmacniacza)  z  proporcji  można  wyliczyć  rezystancję  wewnętrzną  źródła  (rezystancję 

wyjściową wzmacniacza).  

                                 

                                                       (4.13) 

   

    V.       OPRACOWANIE WYNIKÓW 

1.  Stworzyć wykresy w skali liniowej i logarytmicznej f(Uz) = U

mierzone

 

2.  Wyznaczyć podstawę logarytmu, 

2.  Dokonać zestawienia wyników, 

3.  Zinterpretować uzyskane wyniki, wnioski. 

 

background image

 

VI. 

ZAGADNIENIA DO ZALICZENIA ĆWICZENIA 

  Skala logarytmiczna, skala liniowa, 

 

Zasada działania miernika analogowego, cyfrowego – różnice dokładności pomiarowych. 

Tablica Pomiarowa  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Napięcie zasilania U

z

 [V] 

Miernik analogowy U

a

 [V] 

Napięcie – 

Miernik 

Cyfrowy U

c

 [V] 

Skala 

logarytmiczna 

[dBm] 

0,1 

 

 

 

0,3 

 

 

 

0,5 

 

 

 

0,7 

 

 

 

0,9 

 

 

 

 

 

 

1,5 

 

 

 

1,8 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 

 

 

 

12 

 

 

 

15 

 

 

 

20 

 

 

 

Bateria LR6 

 

 

 

Bateria ½ AA  

 

 

 

Bateria LR932 

 

 

 

Bateria LR932 

 

 

 

background image

 

10 

VII.  LITERATURA 

1.  B. Miedziński „Elektrotechnika podstawy i instalacje elektrotechniczne” PWN Warszawa 2000 

2.  H. Rawa „Elektryczność i magnetyzm w technice” PWN Warszawa 2001 

3.  G. Łomnicka-Przybyłowska „Pomiary elektryczne. Obwody prądu zmiennego” PWN  

Warszawa 2000 

4.  S. Bolkowski „Teoria obwodów elektrycznych” WNT, Warszawa 2001 

5.  A Chwaleba M. Poniński, A Siedlecki „Metrologia elektryczna” WNT Warszawa 2000