Elektroniczne techniki pomiarowe
- laboratorium
Ć
wiczenie 3
„Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wyko-
rzystaniem oscyloskopu cyfrowego”
Instrukcja laboratoryjna
„Człowiek - najlepsza inwestycja”
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Warszawa 2010
2
Ć
wiczenie 3
„
Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
”
Elektroniczne techniki pomiarowe
3. Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzy-
staniem oscyloskopu cyfrowego
3.1.
Cel
ć
wiczenia
1. Poznanie oscyloskopu cyfrowego oraz zasady transmisji danych pomiarowych
2. Zapoznanie się z analizą oraz metodami filtracji danych pomiarowych
3.2.
Przedmiot
ć
wiczenia i pomoce
3.2.1. Przedmiot ćwiczenia
Przedmiotem ćwiczenia jest oscyloskop cyfrowy współpracujący z kompute-
rem stacjonarnym PC
3.2.2. Wymagane zagadnienia teoretyczne
Budowa i zasada działania oscyloskopu cyfrowego, protokoły transmisji da-
nych, znajomość zagadnienia analizy i filtracji danych pomiarowych.
3.3.
Sprawozdanie z
ć
wiczenia
W sprawozdaniu naleŜy zamieścić :
a) Protokół zawierający schematy układów pomiarowych, wyniki pomiarów,
wyniki obliczeń i wykresy
b) Wnioski w formie komentarza do uzyskanych wyników
Ć
wiczenie 3
3
„
Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
”
Elektroniczne techniki pomiarowe
3.4.
Wst
ę
p
Rozwój przetworników analogowo-cyfrowych (wprowadzonych do zastosowań w la-
tach sześćdziesiątych XX wieku) oraz powszechna dostępność nowoczesnych metod
szybkiego przetwarzania danych spowodował upowszechnienie się oscyloskopów cy-
frowych. Częstotliwości próbkowania w najlepszych, dostępnych komercyjnie modelach
oscyloskopów cyfrowych sięgają 10 GHz. W modelach przeznaczonych do powszech-
nego uŜytku pasmo to jest ograniczone do dziesiątek megaherców, co jednak w zupełno-
ś
ci wystarcza do większości prac laboratoryjnych.
Dodatkowo w oscyloskopach cyfrowych są stosowane wbudowane układy cyfrowej
analizy sygnału mierzonego np. do matematycznego wyznaczania wartości napięć śred-
nich i skutecznych w badanego przebiegu. Oscyloskopy cyfrowe zapewniają równieŜ
moŜliwość bezpośredniego połączenia z komputerem PC. Dlatego teŜ oscyloskopy cy-
frowe stały się w praktyce najbardziej uniwersalnymi urządzeniami do badania zarówno
powtarzalnych jak i jednorazowych przebiegów elektrycznych.
3.5.
Oscyloskop cyfrowy i jego mo
Ŝ
liwo
ś
ci pomiarowe
Uproszczony schemat strukturalny oscyloskopu cyfrowego przedstawiono na rys. 1.
Układ S&H
A/C
Pami
ęć
Układ
rekonstrukcji
przebiegu
Mikro-
komputer
Linia
opó
ź
niaj
ą
ca
RS-232
/
GPIB
Sygnał
synchroniza
cjiy
Wy
ś
wietlacz
We
Rys. 3.1. Uproszczony schemat strukturalny oscyloskopu cyfrowego.
4
Ć
wiczenie 3
„
Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
”
Elektroniczne techniki pomiarowe
Sygnał wyjściowy ze wzmacniacza wejściowego podawany jest na układ próbkują-
co-pamiętający S&H (ang. sample and hold). W układzie S&H zostaje pobrana i za-
pamiętana analogowa wartość chwilowa przebiegu w chwili jego próbkowania. Zapa-
miętana w postaci analogowej w układzie S&H wartość chwilowa przebiegu zostaje
następnie przetworzona na wartość cyfrową w przetworniku analogowo-cyfrowym
(najczęściej stosowane są przetworniki 8 bitowe). Wartość cyfrowa, odpowiadająca
jednej pobranej próbce przebiegu, zostaje zapamiętana w pamięci cyfrowej. Zapamię-
tany przebieg, po pobraniu go z pamięci cyfrowej, podawany jest na układ rekonstruk-
cji przebiegu. Mierzony przebieg moŜe być „zamroŜony” na stałe w pamięci cyfrowej i
pomimo odłączenia sygnału od wejścia oscyloskopu, moŜe być odtwarzany dowolnie
długo na ekranie. MoŜliwe jest równieŜ uzyskanie obrazu aktywnego (tzw. praca z od-
ś
wieŜaniem) przez okresowe kasowanie zawartości pamięci i ponowne jej wypełnianie
sygnałem o aktualnym kształcie. Oprócz moŜliwości bezpośredniego odtwarzania
przebiegów na ekranie, oscyloskop cyfrowy pozwala równieŜ na przesłanie tych prze-
biegów w postaci cyfrowej, poprzez interfejs do dalszego matematycznego przetwa-
rzania i analizy. Interfejs taki pozwala równieŜ na zdalne sterowanie nastawami oscy-
loskopu i organizację pobierania próbek (liczba próbek w rekordzie, moment rozpo-
częcia próbkowania, liczba zarejestrowanych rekordów). Najczęściej wykorzystywany
w tym celu są interfejsy RS 232 i GPIB.
3.6.
Stanowisko pomiarowe
Badany w ćwiczeniu system zawiera:
•
oscyloskop cyfrowy HP 54603B współpracujący z komputerem PC,
•
generator NDN DF1642B,
•
przetwornik napięcie prąd U/I (wykorzystywany jest Histerezograf HD 1-75),
•
badane rdzenie, z materiałów magnetycznie miękkich.
Przedstawiony na rysunku 3.2. system jest złoŜony z dwóch bloków: blok magne-
sowania (zawierający generator i przetwornik), oraz blok pomiarowy (oscyloskop cy-
frowy współpracujący z komputerem PC).
Ć
wiczenie 3
5
„
Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
”
Elektroniczne techniki pomiarowe
Rys. 3.2. Struktura badanego systemu pomiarowego
W skład systemu pomiarowego wchodzą:
-
Generator NDN DF 1642B
-
Przetwornik napięcie-prąd U/I
-
Oscyloskop cyfrowy HP 54603 B
-
Komputer stacjonarny PC
-
Badany rdzeń z materiału magnetycznie miękkiego
Ć
wiczenie składa się z dwóch etapów: pomiar i akwizycja danych oraz analiza i zo-
brazowanie wyników pomiarów.
Parametry badanego rdzenia pierścieniowego:
Materiał Ferryt Mn-Zn F 807
RównowaŜna długość drogi magnetycznej l
e
8,168 cm
RównowaŜny przekrój poprzeczny S
e
0,588 cm
2
Liczba zwojów uzwojenia magnesującego z
1,
20 zwojów
Liczba zwojów uzwojenia pomiarowego z
2
50 zwojów
6
Ć
wiczenie 3
„
Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
”
Elektroniczne techniki pomiarowe
3.7.
Przebieg
ć
wiczenia
3.7.1. Przygotowanie stanowiska
a. Do zestawionego systemu dołączyć uzwojony rdzeń:
- Uzwojenie magnesujące Z
1
do zacisków wyjściowych przetwornika napięciowo prądowe-
go U/I.
- Uzwojenie pomiaroweZ
2
na wejście 1 oscyloskopu.
b. Włączyć oscyloskop, komputer, generator i przetwornik U/I, (w obecności prowadzącego).
c. Ustawić częstotliwość pracy generatora na 350 Hz
±
5 Hz, przebieg sinusoidalny.
d. Zmieniając (pokrętłem amplituda na generatorze) amplitudę sygnału magnesującego i po-
miarowego obserwować zmiany tych przebiegów na oscyloskopie, aŜ do uzyskania wyraź-
nego sygnału magnesującego oraz wyraźnych niezniekształconych pików sygnału pomia-
rowego.
3.7.2. Procedura akwizycji danych
Po uruchomieniu systemu Windows otwieramy katalog Miernictwo znajdujący się na
pulpicie a następnie katalog z numerem grupy (np. gr 36a). Uruchamiamy program Excel
poprzez otwarcie pliku Obróbka (dwukrotnie klikając myszką). Gdy program jest juŜ uru-
chomiony zapisujemy otwarty plik pod nazwą gr (nr.gr.) zespół (nr.zesp.) np. gr 36a zespół
3. W pliku obróbka mamy przykładowe dane i procedury do przetwarzania danych zebranych
z oscyloskopu. (nie usuwać tych danych!!!!)
NaleŜy przejrzeć zakładki w arkuszu. Zwrócić szczególną uwagę na sygnał przed i po
filtracji na wykresach magnesowanie i pomiar. Zapoznać się z działaniem filtra zastosowane-
go do przetwarzania danych.
Ć
wiczenie 3
7
„
Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
”
Elektroniczne techniki pomiarowe
Rys. 3.3. Program Excel z paskiem zadań HP 54600 Scope do pobierania danych z oscylo-
skopu.
Wraz z programem Excel zostanie uruchomiony automatycznie program HP BenchLink XL
54600 a na ekranie będzie uwidoczniony jako pasek zadań HP 54600 Scope jak na rysunku 3.
NaleŜy sprawdzić połączenie z oscyloskopem klikając na drugą ikonę paska zadań HP 54600
Scope z rysunku 3. Zostanie uruchomione okno dialogowe jak rysunku 4. Po uzyskaniu po-
twierdzenia kontaktu na złączu RS 232 pomiędzy komputerem a oscyloskopem moŜna za-
mknąć okno dialogowe.
Rys. 3.4. Okno testowania połączenia
8
Ć
wiczenie 3
„
Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
”
Elektroniczne techniki pomiarowe
Naciskamy na czwartą ikonę XY
∼
na pasku zadań, uruchomione zostanie okno ustawień po-
łączenia przedstawione na rysunku 5.
Rys. 3.5. Ustawienie właściwości akwizycji danych
Następnie po naciśnięciu przycisku OK zostanie uruchomiony proces akwizycji danych, po
zakończeniu którego okno dialogowe zostanie zamknięte, a dane zostaną zapisane w arkuszu
Excel w zakładce Scopedata2.
3.5.3. Procedura przetwarzania i analizy danych
Dane na wyjściu oscyloskopu zawierają najczęściej tzw. offset oraz szumy występują-
ce przy pomiarze kaŜdego sygnału. Do eliminacji tych zakłóceń posłuŜą procedury zapisane w
otwartym pliku w zakładce Scope Data1
Zebrane dane pomiarowe z zakładki Scopedata2 naleŜy zaznaczyć (oprócz 1 wiersza) i
skopiować ( Ctrl + C) i wkleić do zakładki Scopedata1 klikając na komórkę A5 i wciskając
Ctrl+V.
Ć
wiczenie 3
9
„
Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
”
Elektroniczne techniki pomiarowe
Filtracja danych
Pierwszym etapem jest filtracja danych otrzymanych w czasie pomiaru. MoŜna tego
dokonać stosując prosty filtr inercyjny (kolumny E do N). Typową stałą filtru jest wartość 0,8
obserwując jednocześnie wyniki moŜna modyfikować tą stałą w zakresie 0,6-0,9.
Wskazanie pełnego okresu przebiegu i likwidacja offsetu
Typowy okres zawiera się w przedziale komórek 270 – 854 z arkusza excel, jednak
dane naleŜy zweryfikować dla otrzymanego przebiegu. Offset likwiduje się poprzez odejmo-
wanie od wszystkich punktów pomiarowych połowy róŜnicy pomiędzy największą a naj-
mniejszą wartością przebiegu. Otrzymany wykres sporządzony z danych po likwidacji offsetu,
powinien być symetryczny względem osi.
Całkowanie
By uzyskać wartości indukcji naleŜy dokonać całkowania przebiegu. W tym celu nale-
Ŝ
y sumować wartości przebiegu dodając kolejne wartości i zapisywać kolejne sumy. W pliku
excel wykonywane jest to automatycznie w kolumnie P.
Wykres uzyskany moŜe pokazywać niedomkniętą pętle, naleŜy doprowadzić do jej
zamknięcia poprzez zmianę wartości w komórce Q270 tak by komórka R265 wskazywała
wartość zbliŜoną do zera.
Wykres powinien być symetryczny względem osi X i Y .
Skalowanie osi
Dane otrzymane z pomiarów oscyloskopowych wyraŜone są w woltach i naleŜy je
przeliczyć na jednostki odpowiadające właściwym wielkościom mierzonym. Jak pole magne-
sujące H w A/m a indukcja magnetyczna B w mT.
Procedurę przeliczenia zaproponują studenci wykonujący ćwiczenie.
10
Ć
wiczenie 3
„
Pomiar parametrów obwodów magnetycznych z wykorzystaniem
oscyloskopu cyfrowego
”
Elektroniczne techniki pomiarowe
3.6. Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
-
opracowane dane pomiarowe,
-
wyznaczone charakterystyki,
-
algorytm przeliczania wartości opisanych na osiach charakterystyk
-
opis zastosowanych algorytmów filtracji danych pomiarowych
-
dyskusje otrzymany wyników
-
wnioski
3.7. Literatura
[1] Chwaleba A. „Miernictwo elektryczne” WNT 2003
[2] Rydzewski J. „ Pomiary oscyloskopowe” WNT 1999
[3] Marciniuk A. „Podstawy miernictwa elektrycznego – dla kierunków elektronika”, Wydaw-
nictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002
[4] Tumański S. „ Technika pomiarowa” WNT 2007
[5] Bieńkowski A. „MagnetospręŜyste zjawisko Villariego w ferrytach i moŜliwość jego wyko-
rzystania w budowie przetworników napręŜeń i sił" Oficyna Wydawnicza Politechniki War-
szawskiej, Warszawa 1995