Instrukcja do ćwiczenia nr 4 POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH ZA POMOCĄ

OSCYLOSKOPU

ĆWICZENIE NR 4

POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH ZA POMOCĄ

OSCYLOSKOPU

1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie z budową, zasadą działa oscyloskopu oraz oscyloskopowymi metodami pomiarowymi. Wykonanie pomiarów wielkości elektrycznych (okresu, wartości maksymalnej i międzyszczytowej, przesunięcia fazowego, częstotliwości) za pomocą oscyloskopu.

2. Obserwacja i odwzorowanie różnych przebiegów okresowo zmiennych 2.1. Schemat układu pomiarowego

Rys. 1. Schemat układu do obserwacji przebiegów okresowo zmiennych

2.2. Oscylogramy i podstawowe parametry przebiegów napięcia sinusoidalnie zmiennego, prostokątnego oraz trójkątnego.

Dla częstotliwości i napięć podanych przez nauczyciela należy odrysować z oscyloskopu przebiegi napięcia sinusoidalnie zmiennego, prostokątnego oraz trójkątnego. W oparciu o oscylogramy wyznaczyć podstawowe parametry przebiegów: okres, częstotliwość, amplitudę oraz napięcie międzyszczytowe. Zaznaczyć na oscylogramach następujące wielkości: okres, amplitudę oraz napięcie międzyszczytowe.

Pracować w trybie z włączoną podstawą czasu.

W oparciu o podane wzory należy wykonać obliczenia, a wyniki zanotować obok oscylogramów.

• T – okres obliczony w oparciu o oscylogram

obl

T

= P ⋅ l

obl

t

P – wybrana podstawa czasu

t

l – długość okresu w działkach odczytana z oscylogramu

•

f

– częstotliwość obliczona w oparciu o oscylogram

obl

1

f

=

obl

Tobl

•

f

– częstotliwość przebiegu ustawiona na generatorze

gen

Laboratorium Teoria Obwodów, ZAKŁAD METROLOGII I PODSTAW ELEKTROTECHNIKI 1

Instrukcja do ćwiczenia nr 4 POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH ZA POMOCĄ

OSCYLOSKOPU

• U

– amplituda przebiegu obliczona w oparciu o oscylogram

o

m bl

U

= C ⋅ l

m

y

obl

C – stała podziałki wejścia Y

y

l – długość amplitudy w działkach odczytana z oscylogramu

• U

– międzyszczytowa wartość napięcia obliczona w oparciu o oscylogram

ppobl

U

= 2⋅ U

p o

p bl

o

m bl

• U –skuteczna wartość napięcia wskazywana przez woltomierz V

• U – obliczona wartość napięcia skutecznego

obl

Umobl

U

=

obl

2

UWAGA:

Na wejście Y oscyloskopu podać sygnał o częstotliwości f = ........... Hz i ustawić na woltomierzu napięcie UV = ........... V (wartości te podaje prowadzący). Nie zmieniać tych wartości tylko rodzaj przebiegu (sinusoidalnie zmienny, prostokątny, trójkątny).

P = ......................................

C = ......................................

t

y

Przebieg sinusoidalny

T

= ......................................

obl

f

= ......................................

obl

U

= .....................................

ppobl

∆

U

∆ = U

− U δ = U

U

⋅10 %

0

V

Uobl

U

obl

V

UV

V

V

V

%

∆ f

f

∆ = f

− f

δ

f =

⋅10 %

0

gen

fobl

f

obl

gen

f gen

Hz

Hz

Hz

%

Przebieg prostokątny

T

= ......................................

obl

f

= ......................................

obl

U

= .....................................

ppobl

Laboratorium Teoria Obwodów, ZAKŁAD METROLOGII I PODSTAW ELEKTROTECHNIKI 2

Instrukcja do ćwiczenia nr 4 POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH ZA POMOCĄ

OSCYLOSKOPU

Przebieg trójkątny

T

= ......................................

obl

f

= ......................................

obl

U

= .....................................

ppobl

3. Pomiar nieznanej częstotliwości za pomocą krzywych (figur) Lissajous

Podstawowymi narzędziami do pomiaru częstotliwości przebiegów elektrycznych są częstościomierze o różnych zasadach działania i budowach. W niektórych badaniach, szczególnie przy dużych częstotliwościach radiowych stosowana jest metoda zwana porównawczą, w której wykorzystujemy krzywe Lissajous.

3.1. Schemat układu pomiarowego i charakterystyka stosowanej metody Rys. 2. Schemat układu do pomiaru nieznanej częstotliwości za pomocą krzywych Lissajous Metoda porównawcza polega na zrównaniu częstotliwości wzorcowej fw z częstotliwością mierzoną fx. Zgodność częstotliwości można zaobserwować na ekranie oscyloskopu w postaci krzywych Lissajous. W ten sposób mogą być porównywane tylko częstotliwości, których stosunek jest liczbą całkowitą. Pomiar metodą porównawczą może być bardzo dokładny, jeżeli dysponuje się bardzo dokładnym, regulowanym wzorcem częstotliwości.

Zasadę podłączenia do oscyloskopu napięć o porównywanych częstotliwościach podaje powyższy rysunek. Dwa napięcia sinusoidalne, doprowadzone do płytek odchylających X i Y

pracującego

w

trybie

dwukanałowym,

tworzą

na

ekranie

oscyloskopu

(z wyłączoną podstawą czasu) obrazy, tzw. Krzywe Lissajous, których kształt zależy od stosunku amplitud, stosunku częstotliwości i przesunięcia fazowego między obydwoma napięciami. W przypadku, gdy stosunek częstotliwości jest równy stosunkowi liczb całkowitych, na ekranie oscyloskopu obserwuje się obraz nieruchomy, w innych przypadkach obraz jest w ciągłym ruchu. Sposób powstawania krzywych Lissajous przedstawia następujący rysunek:

Laboratorium Teoria Obwodów, ZAKŁAD METROLOGII I PODSTAW ELEKTROTECHNIKI 3

Instrukcja do ćwiczenia nr 4 POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH ZA POMOCĄ

OSCYLOSKOPU

Wyróżniamy kilka rodzajów krzywych Lissajous, zależy to od stosunku częstotliwości wzorcowej i częstotliwości mierzonej. Najczęściej mamy do czynienia z krzywymi Lissajous pierwszego rodzaju ( fw: fx = 1:1). Są niemi elipsa, okrąg i prosta. Czasami możemy mieć jednak do czynienia z krzywymi Lissajous wyższych rzędów. Przykładowe krzywe Lissajous wyższych rzędów mają postać:

f

2

f

2

f

4

w =

w =

w =

f

1

f

3

f

3

x

x

x

Pomiar częstotliwości z wykorzystaniem figur Lissajous polega na wyznaczeniu stosunek częstotliwości wzorcowej i mierzonej. W tym celu oblicza się liczbę punktów przecięcia krzywej z prosta równoległą do osi poziomej (osi X) oraz liczbę punktów przecięcia z prostą równoległą do osi pionowej (osi Y). Proste powinny być tak prowadzone, aby nie przechodziły przez punkty węzłowe krzywych. Następnie obliczenia częstotliwości nieznanej dokonujemy w oparciu o następujący wzór:

f

n

w

x

=

f

n

x

y

ny

f = f ⋅

x

w

nx

gdzie: nx – liczba punktów przecięcia krzywej z osią poziomą oscyloskopu, ny – liczba punktów przecięcia krzywej z osia pionową, fw – częstotliwość podawana z generatora wzorcowego, fw – częstotliwość wzorcowa.

UWAGA:

Odrysować oscylogramy dla dwóch spośród wymienionych stosunków częstotliwości f

1

1 2

3

6

3

wskazanych przez prowadzącego w :

, ,

,

,

,

.

f

2

1 1

2

1

5

x

Laboratorium Teoria Obwodów, ZAKŁAD METROLOGII I PODSTAW ELEKTROTECHNIKI 4

Instrukcja do ćwiczenia nr 4 POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH ZA POMOCĄ

OSCYLOSKOPU

3.2. Oscylogramy

f

f

w =

w =

......... .......... ..........

f

......... .......... ..........

f

x

x

4. Pomiar przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem i prądem w obwodzie za pomocą oscyloskopu dwukanałowego

4.1. Schemat układu pomiarowego

Rys. 4. Schemat układu do pomiaru

Rys. 5. Schemat układu do pomiaru przesunięcia

przesunięcia fazowego – Przesuwnik 1

fazowego – Przesuwnik 2

4.2. Rysunek wyjaśniający zasadę pomiaru

l

ϕ = x

0

⋅ 360

l

Rys. 4. Przebiegi obrazujące jak wyznaczyć przesunięcie fazowe

UWAGA:

Dokonać pomiaru kąta przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem sinusoidalnym podawanym z generatora funkcyjnego i napięciem na rezystorze R. Pracować należy w trybie z włączoną podstawą czasu oraz w trybie dwukanałowym. Skuteczna wartość napięcia zmierzona na rezystancji R podzielony prze wartość rezystancji jest równy wartości skutecznej prądu płynącego w obwodzie.

Przesuwnik 1 - Wartość rezystancji R oraz pojemności C podaje prowadzący.

Laboratorium Teoria Obwodów, ZAKŁAD METROLOGII I PODSTAW ELEKTROTECHNIKI 5

Instrukcja do ćwiczenia nr 4 POMIARY WIELKOŚCI ELEKTRYCZNYCH ZA POMOCĄ

OSCYLOSKOPU

Przesuwnik 2 - Wartość rezystancji R oraz indukcyjności L podaje prowadzący.

4.3. Tabela pomiarowa

Tabela 1. Wyniki pomiarów dla przesuwnika 1 – składającego się z szeregowego połączenia RC

Lp.

-

1

2

3

4

5

6

7

8

Przesuwnik

fazowy

f

Hz

Przesuwnik 1

l

dz

C = …….….nF

lx

dz

R = ………..Ω

ϕ

°

Tabela 2. Wyniki pomiarów dla przesuwnika 2 – składającego się z szeregowego połączenia RL

Lp.

-

1

2

3

4

5

6

7

8

Przesuwnik

fazowy

f

Hz

Przesuwnik 2

l

dz

L = …….…mH lx

dz

R = ………..Ω

ϕ

°

5. Wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia

Laboratorium Teoria Obwodów, ZAKŁAD METROLOGII I PODSTAW ELEKTROTECHNIKI 6