background image

11. POMIARY NAPIĘĆ ZMIENNYCH - Ćwiczenie nr 5 

11.1. Cel ćwiczenia 

    Celem  ćwiczenia jest przegląd metod i układów do pomiaru napięcia przebiegów 
sinusoidalnych i odkształconych w trzech  zakresach częstotliwości: bardzo małych, 
małych częstotliwości (m.cz.) i wielkich częstotliwości (w.cz.). 

11.2. Wprowadzenie 

    Ogólnie  przyjętą zasadą jest określanie poziomu napięcia zmiennego w wartościach 
skutecznych. W ten sposób należy interpretować wszelkie dane dotyczące poziomu 
napięcia, jeżeli wyraźnie nie zaznaczono, że dotyczą one inaczej zdefiniowanej miary 
napięcia zmiennego. 
    Większość pomiarów napięć zmiennych jest wykonywana drogą przetworzenia 
napięcia zmiennego na napięcie stałe i pomiaru napięcia stałego. Do przetwarzania 
napięcia zmiennego stosuje się układy zbudowane z krzemowych diod prostowniczych. 
Proste konstrukcje woltomierzy tego typu, złożone z pasywnego przetwornika AC/DC 
(ang.  Alternating  Current - prąd zmienny, Direct  Current - prąd stały)  i miernika 
magnetoelektrycznego, nazywane są woltomierzami prostownikowymi.  
    Woltomierze napięć zmiennych  można podzielić, mając na uwadze zasadę działania, 
na trzy grupy. Są to woltomierze z przetwornikami wartości skutecznej, średniej 
i szczytowej  napięcia zmiennego. W praktyce inżynierskiej najczęściej spotyka się 
woltomierze z przetwornikami wartości  średniej lub szczytowej, a wyskalowane 
w wartościach skutecznych  dla sygnału sinusoidalnego. Rozwiązanie to jest popularne 
ze względu na prostotę konstrukcji, a tym samym niski koszt  w porównaniu 
z woltomierzami reagującymi na wartość skuteczną, a także powszechność  stosowania 
w technice napięć sinusoidalnie zmiennych. 
    W  woltomierzach  prostownikowych,  reagujących na wartość  średnią, stosuje się 
mostkowe układy prostownicze  służące do zamiany prądu zmiennego na serię 
unipolarnych impulsów prądowych, które odchylają wskazówkę miernika w jednym 
kierunku. Schemat woltomierza prostownikowego mostkowego pokazano na rys. 11.1. 

 
 

i

a

R

p

mA

R

a

D

1

D

3

D

4

D

2

i

we

u

we 

=U

sin

ω

 

Rys. 11.1. Schemat woltomierza prostownikowego mostkowego 

background image

 115

Układ jego stanowią cztery diody połączone w konfiguracji mostka Graetza, miernik 
magnetoelektryczny o rezystancji wewnętrznej R

a

 oraz rezystor R

p

, za pomocą którego 

zmieniać można zakres woltomierza. Zasadę działania woltomierza tłumaczy rys. 11.2, 
na którym pokazano charakterystykę prądowo - napięciową mostkowego układu 
prostowniczego. 

D

D

2

i

we

D

D

4

-U

m

0

U

m

u

we

T
2

T

3
2

T

t

i

a

0

T
2

T

3
2

T

U

m

R

R

a

t

 

 

Rys. 11.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa układu prostowniczego w woltomierzu  

              prostownikowym mostkowym 

    Charakterystykę prądowo-napięciową układu prostowniczego otrzymuje się sumując 
charakterystyki dwóch diod i obciążenia (R

p

+R

a

). W czasie jednego półokresu napięcia 

wejściowego przewodzą diody D1 i D2, zaś w czasie drugiego półokresu, diody D3 i 
D4. Prąd przez obciążenie  Rp+Ra  płynie w czasie obu półokresów w tym samym 

kierunku. Występuje tu zatem efekt prostowania dwupołówkowego. Przez miernik 
magnetoelektryczny płynie prąd 

a

p

m

a

p

we

a

R

R

t

sin

U

R

R

u

)

t

(

i

+

=

+

=

 

ω

   .                                    (

11.

1) 

Dzięki bezwładności ustroju  miernika magnetoelektrycznego, odchylenie wskazówki 
jest ustalone i proporcjonalne do wartości średniej prądu (11.1), która jest równa 0,637  
wartości szczytowej impulsów utworzonych z wyprostowanej sinusoidy. Wartość 
skuteczna jest równa 0,707 wartości szczytowej lub 1,11 wartości średniej. Ze względu 
na  bezpośrednią relację pomiędzy wartością skuteczną,  średnią i szczytową podziałka 
miernika może być wyskalowana w wartościach skutecznych. 
    Schemat  woltomierza  prostownikowego szczytowego pokazano na rys. 

11.

3. 

Woltomierz prostownikowy, reagujący na wartość szczytową, wyróżnia się 
zastosowaniem kondensatora akumulacyjnego wraz z diodą prostowniczą (układ taki 

background image

 

116
jest nazywany często "detektorem"). Kondensator ładuje się przez diodę do wartości 
szczytowej doprowadzonego napięcia, a układ pomiarowy, złożony z miernika 
magnetoelektrycznego i posobnika R

p 

, reaguje na napięcie kondensatora. 

 
 

R

p

R

a

D

1

u

we 

=U

sin

ω

mA

U

D

i

c rozł

i

c ład

 

U

C

C

 

Rys. 11.3. Schemat woltomierza prostownikowego szczytowego 

Działanie woltomierza wyjaśniają, pokazane na rys. 

11.

4 w funkcji czasu, przebiegi 

napięć i prądów  występujące na jego elementach. 
 

 

 

U

D

U

we

U

we 

,U

,U

C

2U

m

 

U

m

 

0 

-U

m

 

0 

i

we

 

T

2

T

i

Cład

i

Crozł

 

U

C

 

T

1

t 

t 

U

Cmin

U

Cmax

 

Rys. 11.4.  Przebiegi napięć i prądów w układzie woltomierza prostownikowego szczytowego 

    Na wykresie prądów nie zachowano proporcji w skali amplitudy prądów i

Cład

 i

Crozł

. Wykres pokazuje, że tylko w niewielkiej części okresu zachodzi przewodzenie 

diody i doładowywanie kondensatora do szczytowej wartości napięcia wejściowego 
 (-U

m

).  W pozostałej części okresu dioda jest zatkana. W tym czasie kondensator 

rozładowuje się przez rezystancję R

p

+R

a

 zgodnie z funkcją wykładniczą 

u

U

t

R

R C

c

m

p

a

= −

+

exp[

(

)

]

                                   (

11.

2) 

przy założeniu, że rezystancja wewnętrzna obiektu pomiaru jest równa zeru. 

U

30

 

U

20

 

23

C

U

∆U

=

U

10 

(U

RN

background image

 117

Minimalne napięcie 

u

c

min

, do którego rozładowuje się kondensator, zależy od stałej 

czasowej rozładowania (R

p

+R

a

)C oraz okresu T napięcia mierzonego 

]

)

(

exp[

min

C

R

R

T

U

u

a

p

m

c

+

=

 .                                   (

11.

3) 

W zależności (11.3) przyjęto czas rozładowania równy okresowi T, zamiast T

2

ponieważ  T

1

<<T

2

, więc  T

2

T. Wartość pojemności  C dobiera się tak, aby stała 

czasowa (R

p

+R

a

)C była 10 razy większa od okresu T mierzonego napięcia. Wówczas 

napięcie na kondensatorze zmienia się w ciągu okresu co najwyżej do wartości -0,92U

m

Maksymalne napięcie wsteczne, występujące na diodzie, jest równe 2U

m

    Wartość prądu płynącego przez miernik magnetoelektryczny jest równa  

i t

u

R

R

a

D

p

a

( )

=

+

,                                                (

11.

4) 

a więc wartość napięcia, którą mierzy woltomierz, można wyznaczyć obliczając wartość 
średnią zależności (11.4)  

+

=

+

+

+

=

T

a

p

m

a

p

m

T

a

p

D

a

R

R

U

dt

t

R

R

U

T

dt

R

R

U

T

i

0

0

)

sin

1

(

1

 

1

ω

              (

11.

5) 

Jak wynika z rysunku 

11.

4, miernik magnetoelektryczny mierzy wartość  średnią 

przebiegu będącego sumą napięcia mierzonego i składowej stałej, równej amplitudzie 
napięcia mierzonego. Dla przebiegów symetrycznych względem masy odpowiada to 
pomiarowi wartości szczytowej mierzonego napięcia, jak to wynika z zależności (11.5). 
    Chwilowa  wartość rezystancji wejściowej woltomierza jest różna dla różnych 
momentów okresu T. W części okresu T

2

 prąd wejściowy jest mały, więc rezystancja 

wejściowa jest duża. Natomiast w części okresu T

1

 woltomierz posiada rezystancję 

o kilka rzędów mniejszą. Ścisłe określenie wartości r

we

 dla dowolnego momentu okresu 

jest trudne. W celu określenia minimalnej wartości rezystancji r

we

 można wyznaczyć 

prąd  i

we   

metodą wykorzystującą rezystor wzorcowy R

N

 ,  włączony szeregowo 

z wejściem badanego woltomierza (rys. 

11.

9). Znając wartość rezystora R

N

 i spadek 

napięcia na nim (U

RN

), można obliczyć prąd i

we 

 

i

U

R

we

R

N

N

=

 .                                                   (

11.

6) 

Znajomość chwilowego napięcia na zaciskach wejściowych woltomierza u

we

, umożliwia 

obliczenie chwilowej rezystancji wejściowej r

we 

 

r

u

i

we

we

we

=

.                                                  (

11.

7) 

W opisywanym układzie woltomierza przebiegi napięcia  uwe i prądu iwe mają kształt 

pokazany na rys. 

11.

4. Minimalna wartość rezystancji wejściowej występuje 

w momencie, gdy prąd |i

Cład

| osiąga maksimum. 

     Obydwa  przedstawione  woltomierze prostownikowe mierzą poprawnie tylko 
napięcia czysto sinusoidalne. W przypadku innego niż sinusoidalny kształtu napięcia 

background image

 

118
odczyt nie jest równy wartości skutecznej. Wskazanie obarczone jest błędem metody, 
który można wyeliminować tylko w przypadku, gdy potrafimy dla mierzonego 
przebiegu wyznaczyć współczynnik kształtu lub współczynnik szczytu (w zależności od 
rodzaju woltomierza). Współczynnik kształtu jest stosunkiem wartości skutecznej  do 
wartości średniej z modułu  napięcia mierzonego przebiegu 

u

U

F

=

.                                                      (

11.

8) 

Współczynnik szczytu jest stosunkiem wartości szczytowej do wartości skutecznej  
napięcia mierzonego przebiegu 

C

U

U

m

=

.                                                     (

11.

9) 

Jeżeli przebieg mierzony jest odkształcony od sinusoidy, to wartość odczytana 
z podziałki woltomierza reagującego na wartość  średnią z modułu napięcia, 
a wyskalowanego w wartościach skutecznych dla sinusoidy, jest równa  U

F u

x

=

podczas gdy wartość rzeczywista tego napięcia wynosi  U

F u

r

x

x

=

,  

gdzie: 

 

F

 - współczynnik kształtu sinusoidy, 

  

F

x

 - współczynnik kształtu przebiegu odkształconego

Błąd metody możemy wyeliminować mnożąc wartość odczytaną z woltomierza  przez 
mnożnik poprawkowy  

k

F
F

x

=

 .                                                    (

11.

10) 

Współczynnik kształtu sinusoidy wynosi 1.11. Często występujące przebiegi 
odkształcone: trójkątny i prostokątny (ze współczynnikiem wypełnienia 1/2) mają 

współczynniki kształtu równe, odpowiednio, 

2

3

 i 1. 

    Woltomierze  prostownikowe posiadają istotne ograniczenia. Po pierwsze, z powodu 
niedoskonałości charakterystyk diod (w kierunku przewodzenia) istnieje napięcie 
progowe, poniżej którego woltomierze te nie są w stanie mierzyć napięcia, po drugie, 
rezystancja wejściowa tych woltomierzy jest zbyt mała do pomiaru napięć w obwodach 
wysoko-impedancyjnych, po trzecie, charakterystyka przetwarzania  odbiega od linii 
prostej. Ograniczenia te są usuwane przez zastosowanie aktywnych obwodów 
elektronicznych, które wzmacniają niskie napięcia do mierzalnych poziomów oraz 
posiadają wysoką rezystancję wejściową. Opracowano również aktywne przetworniki 
napięcia zmiennego na napięcie stałe, charakteryzujące się obniżonym napięciem 
progowym i bardzo dobrą liniowością charakterystyki przetwarzania. Tak 
skonstruowane układy pomiarowe nazywane są woltomierzami elektronicznymi. 
Woltomierze elektroniczne mogą być przyrządami analogowymi lub cyfrowymi.  
    Woltomierze  elektroniczne,  reagujące na wartość szczytową, są zazwyczaj 
przyrządami do pomiaru napięcia wielkiej częstotliwości. Zakres pomiarowy osiąga 
częstotliwość 1 GHz.  Układ detektora jest wyprowadzony poza przyrząd i umieszczony 
w oddzielnej sondzie, na początku kabla. Umożliwia to umiejscowienie detektora 
bezpośrednio w punkcie pomiaru. W ten sposób eliminuje się wpływ znacznych 

background image

 119

pojemności i indukcyjności kabla na mierzone napięcie. Mierzony sygnał napięcia 
zmiennego nie przechodzi dalej poza detektor. Po zamianie napięcia w.cz. na napięcie 
stałe wymienione parametry kabla nie mają już znaczenia. 
    Ostatnio  coraz  tańsze i łatwiej dostępne stają się woltomierze reagujące na wartość 
skuteczną napięcia. Zastosowanie woltomierza reagującego na "prawdziwą" wartość 
skuteczną (ang. true RMS) jest nieodzowne przy pomiarach szumów (elektrycznych, 
akustycznych), ciągu impulsów o małym współczynniku wypełnienia oraz przy 
pomiarach odkształconych sygnałów elektrycznych (np. w układach tyrystorowych). 
    Jak  dotąd, najdokładniejszą metodą pomiaru wartości skutecznej jest tradycyjna 
metoda termiczna, bazująca na definicji wartości skutecznej napięcia zmiennego jako 
wartości napięcia stałego wywołującego ten sam efekt cieplny w rezystancji. Mierzony 
sygnał jest doprowadzony do cienkiego drutu grzejnego, a termopara przymocowana do 
drutu grzejnego wytwarza napięcie stałe, proporcjonalne do wzrostu temperatury złącza. 
Jest to teoretycznie najprostsza metoda, lecz  najtrudniejsza i najdroższa w realizacji 
praktycznej. Wyniki pomiarów są dokładne (typowy błąd 0,1%) w szerokim pasmie 
częstotliwości, lecz z wymienionych względów metoda termiczna jest stosowana 
głównie w laboratoriach metrologicznych. 
    W  przyrządach ogólnie stosowanych bazuje się na technikach elektronicznego 
przetwarzania RMS/DC. Jedna z nich polega na analogowym przetwarzaniu sygnału. 
Napięcie wejściowe jest podnoszone do kwadratu, a następnie jest wyciągany 
pierwiastek kwadratowy ze średniej arytmetycznej wielkości kwadratowych , zgodnie 
z definicją RMS (ang. Root-pierwiastek,  Mean-średnia,  Square-kwadrat). Konstrukcja 
starszych przyrządów tego typu była oparta na układzie złożonym z wielu diod 
i rezystorów, którego charakterystyka aproksymowała parabolę  za pomocą kilku 
odcinków linii prostych. Układ taki umożliwiał wyznaczanie kwadratu wartości 
mierzonego napięcia. We współcześnie produkowanych przyrządach stosuje się układy 
scalone przetworników wartości skutecznej na napięcie stałe, w których do 
przeprowadzenia operacji podnoszenia do kwadratu  służą funkcje logarytmiczna 
i wykładnicza. Podstawowy schemat funkcjonalny scalonego przetwornika RMS/DC 
przedstawia rys. 

11.

5.  

 x

 y           z

U
U

we

2

wy

xy

z

U

we

C

U

U

wy

we

2

=

R

 

Rys. 11.5. Schemat funkcjonalny scalonego przetwornika RMS/DC

 

Układ jest oparty na zależności 

ln

ln

ln

ln

U

U

U U

U

X

Y

X

Y

we

+

=

=

2

.                           (

11.

11) 

Napięcia wejściowe są najpierw logarytmowane, a uzyskane wartości są następnie 
sumowane i podawane do układu alogarytmujacego (o charakterystyce wykładniczej), 
na którego wyjściu powstaje napięcie  

U

U

U

XY

we

we

=

=

exp(ln

)

2

2

.                                 (

11.

12) 

background image

 

120
 Do realizacji funkcji logarytmicznej i wykładniczej wykorzystuje się zależność między 
prądem kolektora i napięciem baza-emiter tranzystora bipolarnego. Pierwiastkowanie 
jest realizowane przez pętlę sprzężenia zwrotnego i dodatkowy układ wykonujący 
operację dzielenia. Techniki analogowego przetwarzania sygnału tracą dokładność 
i liniowość na wyższych częstotliwościach, lecz są dokładne i powtarzalne na 
częstotliwościach akustycznych.  
    Inne rozwiązanie, całkowicie cyfrowe, polega na próbkowaniu sygnału zmiennego za 
pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego, a następnie komputerowej obróbce 
wyników według algorytmu estymującego wartość skuteczną. Częstość próbkowania 
ostro ogranicza pasmo częstotliwości mierzonego przebiegu. Obecna dokładność tej 
metody nie jest jeszcze porównywalna z metodą termiczną za wyjątkiem pasma 
podakustycznego, wydaje się ona jednak obiecująca z powodu nieustannego rozwoju 
technik próbkowania i przetwarzania analogowo-cyfrowego. Firma Hewlett Packard 
(USA) produkuje multimetr typu HP3458A, którego użytkownicy mają do wyboru dwie 
techniki pomiaru  RMS: analogową i cyfrową. 
    Ćwiczenie zaczynamy od pomiaru charakterystyki  diody półprzewodnikowej, która 
ma fundamentalne znaczenie w układach pomiarowych napięć zmiennych. Następnie 
montujemy kolejno dwa układy woltomierzy prostownikowych: pierwszy reagujący na 
wartość średnią z modułu, pracuje z przetwornikiem AC/DC w układzie mostka Graetza, 
drugi, reagujący na wartość szczytową,  pracuje w konfiguracji woltomierza 
szczytowego równoległego (nazwa została ustalona ze względu na równoległe 
połączenie diody prostowniczej i miernika magnetoelektrycznego). Zmontowane 
woltomierze skalujemy w wartościach skutecznych poprzez przyporządkowanie 
wartościom prądu miernika magnetoelektrycznego  wartości napięcia sinusoidalnie 
zmiennego, mierzonego woltomierzem wzorcowym. Funkcjonowanie układów 
poznajemy obserwując oscylogramy napięć na elementach składowych zmontowanych 
woltomierzy. 
    Reprezentantem woltomierzy elektronicznych jest  w ćwiczeniu multimetr V-640. 
Pomiarów napięć zmiennych w przedziale częstotliwości (10 Hz, 20 kHz) dokonuje się 
tym przyrządem bezpośrednio, dołączając przewód pomiarowy do źródła mierzonego 
napięcia oraz wciskając klawisz oznaczony "m.cz.". Do pomiaru napięć zmiennych o 
częstotliwości z przedziału (1 kHz, 1 GHz) służy sonda wielkiej częstotliwości , którą 
łączy się do gniazda wejściowego multimetru. Sonda pracuje na zasadzie detektora 
wartości szczytowej. Pomiary za pomocą sondy przeprowadza się po wciśnięciu  
przycisku "w.cz.". Na zakresie "m.cz." woltomierz multimetru V-640 reaguje na wartość 
średnią, na zakresie "w.cz." reaguje na wartość szczytową, jednak w obu przypadkach 
jest wyskalowany w wartościach skutecznych dla przebiegu sinusoidalnego. Badając 
układ woltomierza elektronicznego mierzymy moduł jego impedancji wejściowej oraz 
porównujemy wyniki pomiarów napięcia w.cz. z sondą i bez sondy. 
    Do  pomiaru  "true  RMS"  służy w ćwiczeniu multimetr M-3640. Za pomocą  tego 
multimetru dokonujemy pomiarów wartości skutecznej napięcia przebiegów 
odkształconych: trójkątnego i prostokątnego.  Wyniki pomiarów możemy porównać z  
wynikami uzyskanymi za pomocą multimetru  ME-21, po wyeliminowaniu błędu 
metody  związanego z zasadą działania tego woltomierza (reaguje na wartość średnią z 
modułu napięcia).  
    Rejestrację i pomiary przebiegów wolnozmiennych można przeprowadzać za pomocą 
multimetru cyfrowego ME-21, korzystając z jego zakresów  stałonapięciowych. W tym 
celu budujemy system pomiarowy, łącząc multimetr z komputerem za pomocą interfejsu  
RS-232. Oprogramowanie systemu pozwala na pomiary próbek  (wartości  przebiegu w 

background image

 121

dyskretnych chwilach czasu), 
zapamiętanie ich w pamięci komputera 
i następnie odtworzenie kształtu 
przebiegu na ekranie monitora lub na 
papierze.  System jest przydatny tylko dla 
bardzo wolnych przebiegów, ze względu 
na długi czas pomiaru użytego przyrządu. 
Jeżeli jednak zastąpić miernik ME-21 
szybkim przetwornikiem analogowo-
cyfrowym, to możliwy staje się pomiar 
wartości chwilowych przebiegów 
o wyższych częstotliwościach.  

Zapamiętane próbki mogą  służyć do 

obliczeń wielu parametrów badanego 
przebiegu. Ćwiczenie wyposażone jest w 
program komputerowy do obliczania 
amplitudy i częstotliwości na podstawie 
tylko trzech próbek przebiegu sinusoidalnie zmiennego, pobranych w równych 
odstępach czasu.  

 

Próbki te mogą być zebrane nawet w czasie ułamka okresu badanego przebiegu (rys. 
11.6). 

Dla sygnału mierzonego o postaci 

u U

t

m

=

sin(

)

ω

 

    

                           (11.13) 

wartości trzech kolejnych próbek można zapisać następująco: 

u

U

t

m

1

1

=

sin(

)

ω

 

,      

 

                   (11.14) 

u

U

t

t

m

2

1

=

+

sin(

))

ω

 (

,     

 

         (11.15) 

u

U

t

t

m

3

1

2

=

+

sin( (

))

ω

      

 

        (11.16) 

 
Podstawiając 

β ω

π

=

=

t

f t

2

 i przekształcając wzory, otrzymujemy równanie 

u

u

u

u

3

1

2

1

2

2

=

+

cos(

)

(

cos( )) cos( )

β

β

β .                         (11.17) 

Rozwiązując je dla 

cos( )

β  otrzymujemy prostą zależność 

cos( )

β

=

+

u

u

u

1

3

2

2

,                                              (11.18) 

która pozwala nam policzyć częstotliwość przebiegu 

f

t

u

u

u

=

+

1

2

2

1

3

2

π

arccos(

)

                                       (11.19) 

U

3

U

2

U

1

0

u

t

t  ∆t

 

Rys. 11.6. Próbkowanie sygnału sinusoidalnego 
w celu wyznaczenia amplitudy i częstotliwości 

background image

 

122
i jego amplitudę 

)

sin(

))

cos(

1

(

2

)

(

2

1

2

2

1

β

β

u

u

u

u

U

m

+

+

=

 .                            (11.20) 

Próbkowanie (pobieranie próbek) jest w ćwiczeniu symulowane komputerowo. Program 
symulujący próbkowanie umożliwia programowanie rozdzielczości przetwornika 
analogowo-cyfrowego oraz zniekształcanie mierzonej sinusoidy przez wprowadzanie 
dodatkowych składowych harmonicznych. Ćwiczenie polega na obserwacji wpływu 
wymienionych warunków pomiaru na dokładność wyznaczenia amplitudy 
i częstotliwości.  

11.3. Wykaz sprzętu pomiarowego 

 
1. Układ laboratoryjny - zespół badanych woltomierzy 
2.  Generator funkcyjny Agilent 33120A 
3. Układ laboratoryjny - dioda półprzewodnikowa 
4.  Multimetr cyfrowy METEX ME-21 
5.  Multimetr cyfrowy METEX M-3640  
6.  Multimetr uniwersalny Vielfachmesser III 
7.  Multimetr analogowy V-640 
8.  Oscyloskop OX 8040 
9.  Zasilacz regulowany BS-525 
10. Rezystor dekadowy (Rmax = 10 kΩ, ∆R = 0.1 Ω) 

11. Sonda w.cz. model V40.25 
12. Rezystor 1 MΩ w obudowie ekranującej 
13. Przewody połączeniowe: 3x BNC-BNC, 3x BNC-bananki 
14. Trójnik BNC 
 

11.4. Zadania pomiarowe 

11.4.1. Pomiar charakterystyki diody i rezystancji  miliamperomierza 

Połączyć układ pomiarowy pokazany na rys. 

11.

7. W multimetrze analogowym 

ustawić funkcję pomiaru prądu na zakresie 2.5 mA. Dla zadanych w tabl. 11.1 wartości 
prądu pomierzyć i zanotować spadki napięcia na diodzie.  
 

background image

 123

mA

Zasilacz
BS-525 

Vielfachmesser III 

R

1

R

2

D

1

V

ME-21 

 

Rys. 11.7. Układ do pomiaru charakterystyki diody

 

Tablica 11.1 

ID 

mA 

0.2 

0.5 

  1 

1.5  

  2 

2.5 

UD 

  V 

 

 

 

 

 

 

Zmierzyć multimetrem cyfrowym rezystancję miliamperomierza na zakresie 2.5 mA. 

RmA = .............Ω 

11.4.2.  Skalowanie  woltomierza prostownikowego z przetwornikiem 

wartości średniej 

     Celem zadania jest skalowanie  woltomierza w wartościach skutecznych dla sygnału 
sinusoidalnego. Połączyć układ woltomierza  pokazany na rys. 

11.

8. Ustawić wartość 

rezystora  R

= 0.  Przygotować multimetr do pomiaru napięć zmiennych wciskając 

przycisk 

/SET. Regulując wartość napięcia wyjściowego generatora, doprowadzić 

wskazania miliamperomierza do wartości podanych w tablicy 11.2. Przyporządkować 
zadanym wartościom prądów miliamperomierza wartości skuteczne napięć generatora, 
zmierzone multimetrem cyfrowym. 

Generator 
funkcyjny 
Agilent 
33120A 

R

N

R

2

=2k

D

1

~

mA

2,5mA

1kHz 

1

3

0

+

V

ME-21  AC 

 

Rys.11.8. Układ  do skalowania woltomierza prostownikowego mostkowego 

 

V/Ω 

COM 

VA+ 

VA- 

V/Ω 

COM 

background image

 

124

Tablica 11.2 

  I 

mA 

0.2 

0.5 

1.5 

2.5 

 U 

 

 

 

 

 

 

11.4.3.  Obserwacja i pomiary  napięć w układzie mostkowym woltomierza 
               prostownikowego za pomocą oscyloskopu
 

W układzie z rys. 11.8, dla R

= 0 i = 2,5 mA, obejrzeć na oscyloskopie napięcia 

U

10

U

20

U

23

. Za pomocą kursorów zmierzyć amplitudy napięć i  zanotować w tablicy 

11.3. Oscylogramy obserwować korzystając z wejścia prądu stałego (DC), pomiary 
wykonywać wykorzystując w pełni pole pomiarowe oscyloskopu.  
Uwaga ! 

Wejście oscyloskopu jest wejściem niesymetrycznym,  to znaczy, że jeden z dwóch 

przewodów wejściowych (tzw. przewód zimny - kolor czarny) jest połączony z masą. 
Masa oscyloskopu łączy się poprzez kołki uziemiające z  masami pozostałych 
przyrządów. Przewód zimny może więc być dołączony tylko do punktu masy układu 
badanego. Dołączenie przewodu zimnego do innego punktu spowoduje zwarcie tego 
punktu z masą. Dla napięć między punktami, z których jeden jest masą (np. U

10

), punkt 

wymieniony na drugim miejscu (masa układu) należy  łączyć z przewodem zimnym, 
a punkt wymieniony na pierwszym miejscu z przewodem gorącym (kolor czerwony). 
Dla napięć między punktami, z których żaden nie jest punktem masy (np. U

23

), należy 

zastosować różnicową metodę obserwacji, stosując dwa kanały i sumacyjny tryb pracy 
oscyloskopu. 

Tablica 11.3 

 

 

 U10 

 U20 

 U23 

 U 

 V 

 

 

 

 

11.4.4.  Pomiar skutecznej rezystancji wejściowej woltomierza z przetwornikiem 
              wartości średniej
 

Nie zmieniając napięcia generatora (wartość napięcia generatora powinna odpowiadać 
wartości prądu  = 2,5 mA  przy  R

= 0),  ustawić wartość rezystora R

N

 tak , aby 

otrzymać wartość prądu I

1/2

=1,25 mA. Zanotować otrzymany wynik.  

R

we sk

 = R

N

 = ..................... Ω 

11.4.5.  Skalowanie woltomierza prostownikowego z przetwornikiem wartości 
               szczytowej 

Celem zadania jest skalowanie woltomierza w wartościach skutecznych dla sygnału 

sinusoidalnego. Połączyć układ woltomierza  pokazany na rys. 11.9.  

background image

 125

 

C

R=2k

D

1

Generator  
Agilent 33120A 

~

Vielfachmesser III 

1kHz

 

1

2

3

0

R

N

mA 

V

ME-21

 

Rys. 11.9. Układ  do skalowania woltomierza prostownikowego szczytowego 

Ustawić wartość  RN = 0  i  = 10 µF.  Przeprowadzić skalowanie badanego 

woltomierza za pomocą przebiegu sinusoidalnie zmiennego dla prądów miernika według 
tablicy 11.4. 

Tablica 11.4 

I mA 0.2 0.5 1 1.5 2 2.5 

 

 

 

 

 

 

11.4.6. Obserwacja i pomiary napięć w przetworniku wartości szczytowej 

      W    układzie jak na rys. 

11.

9, dla R N = 10 Ω,  = 10 µF  i  = 2,5 mA,  obejrzeć 

oscylogramy napięć U

10

U

20

U

30

U

23

 zachowując tą samą skalę czasu. Posługując się 

rysunkiem 

11.

4 zmierzyć wartości napięć podanych w tablicy 

11.

5. Pomiar napięcia U

23

 

powtórzyć dla = 1µF. Wartość stałej napięciowej kanału Y oscyloskopu dobierać tak, 
aby uzyskać jak największe wypełnienie ekranu oscyloskopu dla każdego z 
obserwowanych przebiegów, za wyjątkiem przebiegu U

23, 

, dla którego należy stosować 

stałą napięciową nie większą niż  1V/cm.    Zwrócić uwagę,  że napięcie  U

23

 należy 

rejestrować metodą różnicową, 

U

c

U

c max

 - U

c min

  (rys. 

11.

4). 

Tablica 11.5 

 

      

 U20 

U30 

 U10  

∆Uc (1 

µ

F) 

∆Uc(10 

µ

F) 

U  

       

 

11.4.7. Pomiar modułu impedancji wejściowej woltomierza elektronicznego V-640 

Połączyć układ pomiarowy jak na rysunku 11.10a. Ustawić poziom napięcia na 

wyjściu generatora tak, aby woltomierz wskazywał 5V. Pomiędzy generator 
i woltomierz  włączyć szeregowo rezystor o wartości 1MΩ (rys. 11.10b). Rezystor ten 
został wbudowany w metalową rurkę obustronnie zakończoną wtykami BNC. Do 
połączenia rezystora z kablem użyć trójnika BNC. Nie zmieniając poziomu napięcia 
generatora zanotować wskazanie woltomierza. Pomiary napięcia wykonać dla dwóch 
częstotliwości: 1kHz i 10kHz. Wyniki zanotować w tablicy 11.6. 

V/Ω 

COM 

VA+ 

VA- 

background image

 

126

 

 

Generator 

funkcyjny 

Agilent 33120

 

Multimetr 

V640

 

LF

 

Generator 

funkcyjny 

Agilent 33120

 

Multimetr 

V640

 

LF

 

R=1M

a) 

b) 

5V

5V

Trójnik BNC

 

Rys. 11.10. Pomiar modułu impedancji wejściowej woltomierza V-640 

Tablica 11.6 

f [KHz] 

 Ua [V]  

Ub [V] 

 5  

 

10 

 5  

 

11.4.8. Pomiar napięcia wielkiej częstotliwości  (zadanie nadobowiązkowe) 

Połączyć układ pomiarowy jak na rys. 11.11a. Dla częstotliwości  generatora równej 

1kHz ustawić poziom sygnału równy 4,0 V. Pomiar przeprowadzić dołączając generator 
bezpośrednio do wejścia woltomierza, na zakresie 5 

V "m.cz." . Zwiększyć 

częstotliwość generatora do wartości 500 kHz i powtórzyć pomiar napięcia. Następnie 
dołączyć do multimetru sondę wielkiej częstotliwości (rys. 11.11b) i wykonać pomiar na 
zakresie 5 V "w.cz.". Wyniki zanotować w tablicy 11.7. 

 

 

Generator 

funkcyjny 

Agilent 33120

 

Multimetr 

V640

 

LF

 

Generator 

funkcyjny 

Agilent 33120 

Multimetr 

V640 

HF

 

a) 

b) 

5V

5V

Sonda „w.cz.“

 

LF (low frequency) – mała częstotliwość,  HF (high frequency) – wielka częstotliwość 

Rys. 11.11. Pomiar napięcia wielkiej częstotliwości:a) bezpośrednio, b) za pomocą sondy „w.cz.” 

 

background image

 127

Tablica 11.7 

f [KHz] 

Sposób pomiaru 

Wynik 

1 bezpośrednio 

  4.0 V 

500 bezpośrednio  
500 za 

pomocą sondy "w.cz." 

 

11.4.9. Pomiary przebiegów odkształconych 

Połączyć układ pomiarowy zgodnie z rys. 11.12. Dokonując pomiaru napięcia 

multimetrem M-3640, ustawić na wyjściu generatora wielofunkcyjnego przebieg 
sinusoidalny o poziomie napięcia równym 100.0 mV 

±

1 mV i częstotliwości 1 kHz. 

Zmierzyć wartość  napięcia  dwóch przebiegów odkształconych: trójkątnego i 
prostokątnego za pomocą multimetru M-3640 oraz za pomocą multimetru ME-21. 
Wyniki zanotować w tablicy 11.8. 
 
 

 

~

1kHz

 

V

ME-21

V

M-3640D 

Agilent 33120A 

com 

com 

 

 

Rys. 11.12. Zestaw przyrządów do pomiaru przebiegów odkształconych 

Tablica 11.8 

Kształt 

UM-3640 

UME-21 

k 

Ur 

sinus 

 

 

 

 

prostokąt    

 

 

trójkąt  

 

 

 

 

Objaśnienia: 
U

M-3640

 - napięcie zmierzone  za pomocą multimetru true RMS, 

U

ME-21

  - wynik pomiaru  multimetrem cyfrowym reagującym  na wartość średnią,  

 

   a wyskalowanym  w wartościach  skutecznych dla przebiegu sinusoi-

 

   dalnego, 

k - 

mnożnik poprawkowy dla multimetru ME-21, 

U

r

 

- rzeczywista wartość  napięcia zmierzonego multimetrem  ME-21 po wyeli-

 

   minowaniu błędu  metody. 

 
 

background image

 

115

11.4.10. Rejestracja i pomiary przebiegów wolnozmiennych 

     Sprawdzić połączenie multimetru ME-21 z 

komputerem. Włączyć komputer 

wyłącznikiem po prawej stronie obudowy komputera. Na ekranie pojawi się plansza 
tytułowa „Ćwiczenie nr 5. Pomiary Napięć Zmiennych”. Następnie  należy nacisnąć 
klawisz „Enter”, co spowoduje pojawienie się planszy z rubrykami personalnymi, które 
należy wypełnić. Wybrać kursorem „Zadanie 1” i postępować zgodnie ze wskazówkami 
programu. Po zarejestrowaniu na wspólnym wykresie trzech przebiegów: 
sinusoidalnego, prostokątnego i trójkątnego, wybrać przycisk „Koniec”. Pojawi się okno 
wydruku. Jeżeli drukarka jest gotowa, to drukuj zarejestrowane przebiegi. 

11.4.11. Symulacja komputerowa pomiaru amplitudy i częstotliwości napięcia 
                sinusoidalnie zmiennego za pomocą próbkowania 
                (zadanie  nadobowiązkowe) 

Program "SINUS" (Zadanie 2) symuluje jednoczesny pomiar amplitudy i częstotli-

wości w czasie równym ułamkowi okresu przebiegu sinusoidalnie zmiennego na 
podstawie trzech próbek wartości chwilowej przebiegu. Celem zadania jest ocena 
wpływu rozdzielczości przetwornika analogowo-cyfrowego oraz obserwacja wpływu 
zniekształceń nieliniowych mierzonego sygnału na dokładność metody. 

Przebieg zadania 
a)   Uruchomić program. 
b)  Wyeliminować  błąd kwantyzacji przez wyłączenie przetwornika A/C (wpisać 0 na 

pozycji określającej liczbę bitów przetwornika) i zainicjować pierwszy pomiar 
klawiszem „End”. Pozostałe nastawy domyślne. Inicjując kolejne pomiary 
klawiszem „Enter”, wykonać serię pomiarów dla  „matematycznej” sinusoidy. 

c)   Klawiszem „Escape” przejść do okna edycji danych warunków pomiaru ( poruszanie 

się po menu umożliwiają klawisze 

↑↓ oraz ctrl →, ctrl ← ). Zaobserwować przebiegi 

kwantowane w amplitudzie kolejno dla rozdzielczości przetwornika A/C równej: 2, 
3, 4, 8, 20 bitów.  

d)  Zaprogramować 12-bitową rozdzielczość przetwornika i wykonując serię pomiarów 

ocenić, dla których momentów próbkowania w okresie sinusoidy dokładność 
pomiaru amplitudy pogarsza się, a dla których jest najlepsza. Zwrócić uwagę na 
próbkowanie w okolicach przejść przez zero i maksimum amplitudy. 

e)   Zniekształcić przebieg mierzony przez wprowadzenie kolejno drugiej (U

= 1 mV), a 

następnie trzeciej (U

= 1 mV)  harmonicznej.  Zaobserwować ich wpływ na 

dokładność pomiarów częstotliwości i amplitudy.  

f)   Klawiszem „F10” wyjść z programu. 

11.5. Opracowanie 

1.   Wykreślić charakterystykę  f(U) układu prostowniczego woltomierza prosto-

wnikowego mostkowego dla napięć dodatnich i ujemnych. Charakterystykę  
wyznaczyć graficznie jako sumę charakterystyki I

D

 f(U

D

) dwóch połączonych 

szeregowo diod oraz charakterystyki obciążenia  R

= 2 kΩ+R

A

. Założyć,  że 

charakterystyki diod tworzących mostek Graetza są identyczne. 

2.   Wykreślić na wspólnym wykresie krzywe skalowania f(I) badanych wolto-

mierzy. 

background image

 

116

3.   Obliczyć minimalną wartość chwilowej rezystancji wejściowej woltomierza 

prostownikowego szczytowego korzystając z wyników pomiarów otrzymanych 
w punkcie 11.4.6. 

4.   Obliczyć moduł impedancji wejściowej woltomierza V-640 dla częstotliwości  

1 kHz i 10 kHz. Zinterpretować wyniki obliczeń. 

5.   Obliczyć błąd względny pomiaru napięcia 500 kHz za pomocą woltomierza V-640, 

jaki ma miejsce w przypadku gdy nie używamy sondy w.cz. 

6.   Dla wyników pomiarów przebiegów odkształconych obliczyć mnożniki poprawkowe 

i wyeliminować błędy metody pomiaru za pomocą multimetru ME-21. Skorygowane 
wyniki pomiarów zanotować w tablicy 11.8. 

7.   Za  pomocą wydruku komputerowego określić  długość okresu i międzyszczytową 

wartość napięcia zarejestrowanych przebiegów wolnozmiennych. 

8. 

 Na podstawie wykonanych w punkcie 11.4.11 symulacji komputerowych 

sformułować  właściwości metrologiczne metody pomiaru amplitudy za pomocą 
trzech próbek.