Wydział Elektroniki Politechniki Wrocławskiej	Laboratorium miernictwa elektronicznego
^Wykonał Pirosz Paweł		^Grupa 2	^Ćw. nr 5	^Prowadzący mgr . T. Guszkowski
Wzmacniacz pomiarowy		^Data wykonania 98.12.09	^Data oddania 99.01.13	^Ocena

CEL ĆWICZENIA:

Poznanie istoty pracy wzmacniacza, wyznaczenie podstawowych parametrów metrologicznych wzmacniaczy pomiarowych oraz zademonstrowanie pracy urządzeń pomiarowych w systemie z interfejsem IEC 625.

WYKAZ PRZYRZĄDÓW :

• Programowy syntezer m.cz. PW-17

• Miernik mocy wyjściowej PWT-5A

Błąd pomiaru: ± (9 - 0,5⋅A)% , gdzie A - liczba na skali miernika, przy f = 1 kHz

• Multimetr cyfrowy V563

Błąd pomiaru: ± (0,3%U_x + 0,1%U_z) dla f = 40Hz - 10kHz

Rozdzielczość: 1V dla U_z = 100mV

10V dla U_z = 1V

100V dla U_z = 10V

• Wzmacniacz selektywny WS-1

PRZEBIEG ĆWICZENIA :

1. Wyznaczenie szerokości pasma przenoszonych częstotliwości wzmacniacza selektywnego

Rys. 1. Schemat po pomiaru pasma przenoszenia k = f(f) i charakterystyki przenoszenia U_wy = f(U_we) wzmacniacza

Przy stałym napięciu wejściowym U_we = 100 mV podawanym z generatora na wejście wzmacniacza zmieniamy czę­stotliwość przebiegu i odczytujemy napięcie U_wy na wyjściu wzmacniacza.

W celu znalezienia częstotliwości środkowej wykonaliśmy najpierw pomiary w szerszym zakresie częstotliwości, a następnie w mniejszym zakresie w pobliżu częstotliwości środkowej. Wyniki pomiarów zamieszczono w tabelach.

Tabela 1. Wyniki pomiarów wzmocnienia w funkcji częstotliwości w szerszym jej zakresie

Oznaczenia: k - wzmocnienie wzmacniacza; t - tłumienność wzmacniacza

f	Uwy	Uwy	Uwy	k	k	t	t
[ Hz ]	[ V ]	[ V ]	[ % ]	[ V/V]	[ dB ]	[ V/V ]	[ dB ]
100	0,0229	0,0002	0,74	0,229	-12,803	178,450	45,030
200	0,0401	0,0002	0,55	0,401	-7,937	101,908	40,164
300	0,0576	0,0003	0,47	0,576	-4,792	70,946	37,019
400	0,0760	0,0003	0,43	0,760	-2,384	53,770	34,611
500	0,0970	0,0004	0,40	0,970	-0,265	42,129	32,492
600	0,1225	0,0014	1,12	1,225	1,763	33,359	30,464
700	0,1618	0,0015	0,92	1,618	4,180	25,256	28,047
800	0,2246	0,0017	0,75	2,246	7,028	18,195	25,199
900	0,3812	0,0021	0,56	3,812	11,623	10,720	20,604
1000	0,8964	0,0037	0,41	8,964	19,050	4,559	13,177
1100	1,6815	0,0150	0,89	16,815	24,514	2,430	7,713
1200	0,6356	0,0029	0,46	6,356	16,064	6,429	16,163
1300	0,3059	0,0019	0,63	3,059	9,712	13,359	22,515
1400	0,2110	0,0016	0,77	2,110	6,486	19,367	25,741
1500	0,1634	0,0015	0,91	1,634	4,265	25,009	27,962
1600	0,1588	0,0015	0,93	1,588	4,017	25,734	28,210
1700	0,1126	0,0013	1,19	1,126	1,031	36,292	31,196
1800	0,0985	0,0004	0,40	0,985	-0,131	41,487	32,358
1900	0,0888	0,0004	0,41	0,888	-1,032	46,019	33,259
2000	0,0802	0,0003	0,42	0,802	-1,917	50,954	34,144
2100	0,0735	0,0003	0,44	0,735	-2,674	55,599	34,901
2200	0,0675	0,0003	0,45	0,675	-3,414	60,541	35,641
2300	0,0627	0,0003	0,46	0,627	-4,055	65,175	36,282
2400	0,0589	0,0003	0,47	0,589	-4,598	69,380	36,825
2500	0,0557	0,0003	0,48	0,557	-5,083	73,366	37,310
2600	0,0520	0,0003	0,49	0,520	-5,680	78,587	37,907
2700	0,0496	0,0002	0,50	0,496	-6,090	82,389	38,317
2800	0,0469	0,0002	0,51	0,469	-6,577	87,132	38,804
2900	0,0450	0,0002	0,52	0,450	-6,936	90,811	39,163
3000	0,0429	0,0002	0,53	0,429	-7,351	95,256	39,578
3100	0,0408	0,0002	0,55	0,408	-7,787	100,159	40,014
3200	0,0392	0,0002	0,56	0,392	-8,134	104,247	40,361
3300	0,0378	0,0002	0,56	0,378	-8,450	108,108	40,677
3400	0,0368	0,0002	0,57	0,368	-8,683	111,046	40,910
3500	0,0353	0,0002	0,58	0,353	-9,045	115,765	41,272
3600	0,0344	0,0002	0,59	0,344	-9,269	118,794	41,496
3700	0,0332	0,0002	0,60	0,332	-9,577	123,087	41,804
3800	0,0323	0,0002	0,61	0,323	-9,816	126,517	42,043
3900	0,0313	0,0002	0,62	0,313	-10,089	130,559	42,316
4000	0,0304	0,0002	0,63	0,304	-10,343	134,424	42,570
4100	0,0296	0,0002	0,64	0,296	-10,574	138,057	42,801
4200	0,0288	0,0002	0,65	0,288	-10,812	141,892	43,039
4300	0,0280	0,0002	0,66	0,280	-11,057	145,946	43,284
4400	0,0274	0,0002	0,66	0,274	-11,245	149,142	43,472
4500	0,0269	0,0002	0,67	0,269	-11,405	151,914	43,632

W celu dokładniejszego zbadania częstotliwości środkowej wzmacniacza wykonaliśmy te same pomiary dla mniejszego przedziału częstotliwości.

Tabela 2. Wyniki pomiarów wzmocnienia w funkcji częstotliwości w węższym jej zakresie

f	Uwy	Uwy	Uwy	k	k	t	t
[ Hz ]	[ V ]	[ V ]	[ % ]	[ V/V]	[ dB ]	[ V/V ]	[ dB ]
1000	0,9301	0,0038	0,41	9,301	19,371	4,394	12,856
1010	1,0762	0,0132	1,23	10,762	20,638	3,797	11,589
1020	1,2901	0,0139	1,08	12,901	22,212	3,168	10,015
1030	1,5949	0,0148	0,93	15,949	24,055	2,562	8,172
1040	2,0685	0,0162	0,78	20,685	26,313	1,976	5,914
1050	2,8232	0,0185	0,65	28,232	29,015	1,447	3,212
1060	3,8510	0,0216	0,56	38,510	31,711	1,061	0,516
1070	4,0865	0,0223	0,54	40,865	32,227	1,000	0,000
1080	3,1780	0,0195	0,61	31,780	30,043	1,286	2,184
1090	2,3249	0,0170	0,73	23,249	27,328	1,758	4,899
1100	1,7796	0,0153	0,86	17,796	25,006	2,296	7,221
1110	1,4136	0,0142	1,01	14,136	23,007	2,891	9,220
1120	1,1725	0,0135	1,15	11,725	21,382	3,485	10,845
1130	0,9969	0,0040	0,40	9,969	19,973	4,099	12,254
1140	0,8714	0,0036	0,41	8,714	18,804	4,690	13,423
1150	0,7602	0,0033	0,43	7,602	17,619	5,376	14,608
1160	0,6820	0,0030	0,45	6,820	16,676	5,992	15,551
1170	0,6245	0,0029	0,46	6,245	15,911	6,544	16,316
1180	0,5737	0,0027	0,47	5,737	15,174	7,123	17,053
1190	0,5666	0,0027	0,48	5,666	15,066	7,212	17,161
1200	0,4924	0,0025	0,50	4,924	13,846	8,299	18,381

Na podstawie danych zamieszczonych w tabeli wykreślono zależności wzmocnienia k oraz tłumienności t od częstotliwości f.

Do wykreślenia tych charakterystyk nie uwzględniano danych z pierwszej tabeli w celu dokładniejszego pokazania częstotli­wości środkowej oraz częstotliwości dolnej i górnej. Częstotliwości górna i dolna wyznaczają przedział, w którym spadek wzmocnienia k nie przekracza 3dB (w skali liniowej 1/√2 ≈ 0,7).

Na podstawie wyników pomiarów i charakterystyk zamieszczonych na wykresach 1,2,3 i 4 możemy odczytać:

f₀ = 1070 Hz - częstotliwość środkowa

f_d = 1051 Hz - dolna częstotliwość graniczna

f_g = 1083 Hz - górna częstotliwość graniczna

U₀ = 4,0865 V - napięcie wyjściowe dla częstotliwości środkowej,

przy czym częstotliwości graniczne

Wzory i obliczenia:

Błąd bezwzględny pomiaru napięcia:
, gdzie U_z = 0,1V; 1 V; 10V.

Błąd względny pomiaru napięcia:

Wzmocnienie wzmacniacza:

Wzmocnienie wzmacniacza w decybelach:

Tłumienność wzmacniacza:

Tłumienność wzmacniacza w decybelach:

Przykładowe obliczenia:

2. Wyznaczenie charakterystyki przenoszenia i wzmocnienia wzmacniacza selektywnego

Pomiary wykonujemy w takim samym układzie jak przy paśmie przenoszenia (rys. 1). Przy stałej częstotliwości f = 1070 Hz (częstotliwość środkowa wzmacniacza) zmieniamy wartość napięcia wejściowego i obserwujemy napięcie na wyjściu. Wyniki pomiarów zamieszczono w tabeli.

Uwe	Uwy	Uwy	δUwy	k	k	k	k
[ mV ]	[ V ]	[ V ]	[ % ]	[ V/V]	[ V/V ]	[ dB ]	[ dB ]
10	0,4130	0,0022	0,54	41,30	0,22	32,32	0,11
20	0,7893	0,0034	0,43	39,47	0,17	31,92	0,09
30	1,1975	0,0046	0,38	39,92	0,15	32,02	0,08
40	1,6139	0,0058	0,36	40,35	0,15	32,12	0,07
50	1,9960	0,0070	0,35	39,92	0,14	32,02	0,07
60	2,3994	0,0082	0,34	39,99	0,14	32,04	0,07
70	2,8053	0,0094	0,34	40,08	0,13	32,06	0,07
80	3,2204	0,0107	0,33	40,26	0,13	32,10	0,07
90	3,6202	0,0119	0,33	40,22	0,13	32,09	0,07
100	4,0825	0,0132	0,32	40,83	0,13	32,22	0,06
110	4,4687	0,0144	0,32	40,62	0,13	32,18	0,06
120	4,8634	0,0156	0,32	40,53	0,13	32,16	0,06
130	5,2716	0,0168	0,32	40,55	0,13	32,16	0,06
140	5,6596	0,0180	0,32	40,43	0,13	32,13	0,06
150	6,0607	0,0192	0,32	40,40	0,13	32,13	0,06
160	6,4235	0,0203	0,32	40,15	0,13	32,07	0,06
170	6,7908	0,0214	0,31	39,95	0,13	32,03	0,06
180	7,1892	0,0226	0,31	39,94	0,13	32,03	0,06
190	7,5892	0,0238	0,31	39,94	0,13	32,03	0,06
200	8,0032	0,0250	0,31	40,02	0,13	32,04	0,06
210	8,3855	0,0262	0,31	39,93	0,12	32,03	0,06
220	8,4512	0,0264	0,31	38,41	0,12	31,69	0,06
230	8,4851	0,0265	0,31	36,89	0,12	31,34	0,06
240	8,4923	0,0265	0,31	35,38	0,11	30,98	0,06
250	8,5055	0,0265	0,31	34,02	0,11	30,64	0,06
260	8,5280	0,0266	0,31	32,80	0,10	30,32	0,06
270	8,5328	0,0266	0,31	31,60	0,10	29,99	0,06
280	8,5503	0,0267	0,31	30,54	0,10	29,70	0,06
290	8,5613	0,0267	0,31	29,52	0,09	29,40	0,06
300	8,5729	0,0267	0,31	28,58	0,09	29,12	0,06

Zależność napięcia wyjściowego w funkcji napięcia wejściowego U_wy = f(U_we) pokazano na wykresie 5. Z wykresu tego widzimy, że wzmacniacz przenosi sygnał na wyjście bez zniekształceń dla napięć wejściowych mniejszych od 210 mV. Powyżej tej wartości napięcia wzmacniacz wchodzi w nasycenia. Dlatego do liczenia wzmocnienia średniego nie brano wyników pomiarów przy większych napięciach niż 210 mV.

Średnie wzmocnienie k_śr obliczymy ze wzoru:

.

Do wyznaczenia wartości k_śr bierzemy pierwszych 21 pomiarów, zatem:

w skali liniowej:

w skali logarytmicznej:

Błąd względny wzmocnienia dla pojedynczego przypadku wyznaczymy metodą pochodnej logarytmicznej, przyjmując wartość sygnału wejściowego jako wartość rzeczywistą (ustawiana na komputerze):

W skali logarytmicznej otrzymujemy:

Błąd wzmocnienia wyznaczymy jako odchylenie standardowe średniej arytmetycznej, korzystając ze wzoru:

, gdzie n = 21

w mierze liniowej: Δk_śr = 0,03 [V/V]

w mierze logarytmicznej: Δk_śr = 0,02 [dB]

Przykładowe obliczenia:

Czyli ostatecznie możemy zapisać:

k_śr = 40,23 ± 0,03 [V/V]

k_śr = 32,09 ± 0,02 [dB]

3. Dopasowanie mocy wyjściowej

Rys. 2. Schemat po pomiaru maksymalnej mocy na wyjściu wzmacniacza

Zmieniając rezystancję wejściową miernika mocy przy stałym napięciu wejściowym równym U_we = 100 mV i stałej częstotli­wości f = 1070 Hz odczytujemy z miernika wartość mocy na wyjściu wzmacniacza. Wyniki pomiaru zamieszczono w tabeli:

R	P	δP	P
[  ]	[ W ]	[ % ]	[ W ]
10000,0	0,20	8,90	0,02
6000,0	0,30	8,85	0,03
4000,0	0,43	8,79	0,04
3000,0	0,58	8,71	0,05
2500,0	0,65	8,68	0,06
2000,0	0,80	8,60	0,07
1500,0	1,02	8,49	0,09
1250,0	1,20	8,40	0,10
1000,0	1,50	8,25	0,12
800,0	1,78	8,11	0,14
600,0	2,15	7,93	0,17
500,0	2,40	7,80	0,19
400,0	2,80	7,60	0,21
300,0	3,20	7,40	0,24
250,0	3,50	7,25	0,25
200,0	3,80	7,10	0,27
150,0	4,10	6,95	0,28
125,0	4,20	6,90	0,29
100,0	4,25	6,88	0,29
75,0	4,15	6,93	0,29
60,0	4,00	7,00	0,28
50,0	3,80	7,10	0,27
40,0	3,45	7,28	0,25
30,0	3,00	7,50	0,23
25,0	2,75	7,63	0,21
20,0	2,40	7,80	0,19
15,0	2,00	8,00	0,16
12,5	1,75	8,13	0,14
10,0	1,25	8,38	0,10
8,0	1,20	8,40	0,10
6,0	0,90	8,55	0,08
5,0	0,78	8,61	0,07
4,0	0,65	8,68	0,06
3,0	0,50	8,75	0,04
2,5	0,42	8,79	0,04

Błąd względny mocy wyjściowej: δP = ± (9 - 0,5⋅A)% , gdzie A - liczba na skali miernika (w naszym przypadku równa wartości mocy wyjściowej; pomiarów dokonywano na zakresie 10 W)

Błąd bezwzględny mocy wyjściowej: ΔP = δP ⋅ P [W]

Przykładowe obliczenia:

δP = 9 - 0,5⋅4,25 = 6,88 [%]

ΔP = 6,88% ⋅ 4,25 = 0,29 [W]

Wykres zależności mocy wyjściowej od rezystancji wyjściowej wzmacniacza przedstawiono na wykresie 6. Na podstawie danych zamieszczonych w tabeli oraz wykresu można określić rezystancję wyjściową wzmacniacza jako rezystancję, przy której moc na wyjściu osiąga maksymalną wartość. Z pomiarów wynika, że rezystancja wyjściowa wzmacniacza wynosi:

R_wy = 100 Ω.

WNIOSKI I UWAGI:

Wzmacniacz pomiarowy, jak sama nazwa wskazuje służy do wzmacniania sygnałów podawanych na jego wejście, choć może służyć także jako dopasowanie impedancyjne między poszczególnymi stopniami. Szczególnym przypadkiem wzmacniacza pomiarowego jest wzmacniacz selektywny, który wzmacnia sygnał o określonej często­tliwości. Celem ćwiczenia był pomiar podstawowych parametrów wzmacniacza selektywnego.

W pkt. 1 ćwiczenia wyznaczaliśmy pasmo przenoszenia wzmacniacza selektywnego. Pierwsze pomiary były przeprowadzone w celu orientacyjnego znalezienia częstotliwości środkowej, zaś drugie pomiary były przeprowa­dzone w celu dokładniejszego wyznaczenia częstotliwości środkowej oraz pasma przenoszenia wzmacniacza. Na podstawie pomiarów wykreślono charakterystyki wzmocnienia i tłumienności w funkcji częstotliwości (wykresy 1 - 4). Z wykresów tych widać, że częstotliwość środkowa wzmacniacza wynosi 1070 Hz, zaś jego pasmo przenoszenia zawiera się w granicach 1051 - 1083 Hz dla 3 decybelowego spadku wzmocnienia (√2 wartości maksymalnej wzmocnienia w mierze liniowej). Podobnie wyznaczyć można było pasmo przenoszenia z charakterystyk tłumienia w funkcji częstotliwości, gdzie przy częstotliwości środkowej tłumienność wzmacniacza wynosi 0 dB (1 V/V).

W pkt. 2 ćwiczenia wyznaczaliśmy wzmocnienie wzmacniacza (charakterystykę przenoszenia U_wy = f(U_we). Z wykresu opisującego zależność napięcia wyjściowego w funkcji napięcia wejściowego przy częstotliwości środkowej f₀ = 1070 Hz (wykres 5) widzimy, że wzmacniacz prawidłowo pracuje przy napięciach wejściowych mniejszych niż 210 mV. Powyżej tej wartości napięcia wzmacniacz wchodzi w nasycenie i napięcie na wyjściu ma stałą wartość równą ok. 8,5 V. Na podstawie tej charakterystyki można obliczyć wzmocnienie wzmacniacza przy częstotliwości środkowej dla zakresu liniowego, czyli dla napięć mniejszych niż 210 mV. Średnie wzmocnienie w naszym przypadku wynosi 40,23±0,03V/V (32,09±0,02 dB). Błąd pomiaru wyznaczono metodą różniczki zupełnej przy założeniu, że napięcie wejściowe jest wartością rzeczywistą (ustawiane na komputerze, brak danych o błędzie).

W pkt. 3 ćwiczenia wyznaczaliśmy maksymalną moc, jaka wydzieli się na wyjściu wzmacniacza przy zmiennej rezystancji obciążenia. Wiemy, że największa moc wydziela się, gdy rezystancja obciążenia jest równa rezystancji wyjściowej wzmacniacza. Mówi się wtedy o dopasowaniu mocy. Z pomiarów i wykonanej charakterystyki P = f(R) widzimy, że maksymalna moc na wyjściu 4,25±0,29 W jest na wyjściu dla rezystancji obciążenia równej 100. Możemy zatem stwierdzić, że badany wzmacniacz selektywny miał rezystancję wyjściową równą 100.

- 7 -

---