Πανεπιστήµιο Κύπρου Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών ΗΜΥ 100 Εισαγωγή στην Τεχνολογία Εργαστήριο: Εισαγωγή στο Βασικό Εξοπλισµό Μετρήσεως Σηµάτων Σκοποί: 1. Η εξοικείωση µε τη βασική λειτουργία του θεµελιώδους εργαστηριακού εξοπλισµού όπως είναι η γεννήτρια σηµάτων, ο παλµογράφος και το πολύµετρο. 2. Η χρήση των πιο πάνω συσκευών για την παρατήρηση σηµάτων που παράγονται από απλά ηλεκτρικά κυκλώµατα. Εργαστηριακός Εξοπλισµός Γεννήτρια σηµάτων (function generator) Παλµογράφος (oscilloscope) Ψηφιακό πολύµετρο (digital multimeter) Εργαστηριακή πειραµατική πινακίδα (breadboard) Προπαρασκευαστική Μελέτη Πριν την παρακολούθηση του εργαστηρίου απαιτείται η µελέτη του παρόντος κειµένου, η µελέτη του κειµένου Συνοπτική Περιγραφή Εξοπλισµού και Στοιχείων και η συµπλήρωση των προπαρασκευαστικών ασκήσεων στις εργαστηριακές ασκήσεις Ε1 και Ε5.
Εξοικείωση µε τον Εργαστηριακό Εξοπλισµό 1. Εκµάθηση των λειτουργιών του παλµογράφου. Σύνδεση των καλωδίων, ενεργοποίηση/απενεργοποίηση των καναλιών, ρύθµιση της αντίστασης των ακροδεκτών, σύνδεση dc/ac. Ρύθµιση της κλίµακας/θέσης των δύο καναλιών: ρύθµιση του κάθετου άξονα, hold-off και έλεγχος καθυστέρησης για τη οριζόντια κίνηση, ρύθµιση των κουµπιών voltage/time για αλλαγή της κλίµακας. Μέτρηση της τάσης και του χρόνου χρησιµοποιώντας τους δείκτες (cursors). Περιγραφή της διαφοράς µεταξύ V pp, V avg, V max, V min, συχνότητας και περιόδου. 2. Εκµάθηση της λειτουργίας της dc πηγής ρεύµατος. 3. Εκµάθηση της λειτουργίας της γεννήτριας σηµάτων. Σύνδεση των οµοαξονικών καλωδίων. Παραγωγή ηµιτονικής, τετραγωνικής και τριγωνικής κυµατοµορφής εξόδου. Αλλαγή της συχνότητας και του πλάτους της παραγόµενης κυµατοµορφής. Μεταβολή της dc απόκλισης. 4. Εκµάθηση των βασικών χαρακτηριστικών του πολύµετρου. Υλικά: Πολύµετρο Γεννήτρια Σηµάτων Παλµογράφος Αντιστάσεις των 0.1, 1, 3 και 10 kω Εργαστηριακή πειραµατική πινακίδα (breadboard) Σετ καλωδίων
Υλοποίηση Εργαστηριακή Άσκηση Ε1 Η εξοικείωση µε τις βασικές αρχές των ωµικών κυκλωµάτων καθώς και µε τη λειτουργία του πολύµετρου. Η κατανόηση της αρχής της διαίρεσης τάσης. Προσοχή: Πριν από κάθε αλλαγή στο κύκλωµα να βεβαιώνεστε ότι δεν υπάρχει τάση στο κύκλωµα. Η πηγή να είναι απενεργοποιηµένη. ιαδικασία: Προσδιορίστε την εργαστηριακή πειραµατική πινακίδα (breadboard) και εξοικειωθείτε µαζί της. Βήµα 1: Φτιάξτε το κύκλωµα του Σχεδιαγράµµατος 1, θέτοντας την dc τάση στα 10 V και την αντίσταση R 2 στα 100 Ω. Βήµα 2: Συνδέστε το πολύµετρο ως βολτόµετρο (παράλληλα µε την R 2 ) και παρατηρήστε την τάση. Βήµα 3: Συνδέστε το πολύµετρο ως αµπερόµετρο (σε σειρά µε την R 2 ) για να µετρήσετε το ρεύµα που περνάει από την R 2 και παρατηρήστε την τιµή του. R 1 = 1 kω V in = 10 V + - I 0 + R 2 V 0 - Σχεδιάγραµµα 1. Κύκλωµα µε µια πηγή dc και δύο αντιστάσεις
Βήµα 4: (i) Θέστε την R 2 = 100 Ω. Υπολογίστε το ρεύµα που περνά από την R 2 I o = Μετρήστε το ρεύµα που περνά από την R 2 I o = Υπολογίστε την τάση εξόδου V o V o = Μετρήστε την τάση εξόδου V o V o = (ii) Θέστε την R 2 = 1 kω; Υπολογίστε το ρεύµα που περνά από την R 2 I o = Μετρήστε το ρεύµα που περνά από την R 2 I o = Υπολογίστε την τάση εξόδου V o V o = Μετρήστε την τάση εξόδου V o V o = (iii) Θέστε την R 2 = 10 kω. Υπολογίστε το ρεύµα που περνά από την R 2 I o = Μετρήστε το ρεύµα που περνά από την R 2 I o = Υπολογίστε την τάση εξόδου V o V o = Μετρήστε την τάση εξόδου V o V o =
(iv) Εξηγήστε τη διαφορά µεταξύ των θεωρητικών υπολογισµών της V o και των πειραµατικών τιµών της V o που µετρήσατε. (v) Εξηγήστε τη διαφορά µεταξύ των θεωρητικών υπολογισµών της Ι o και των πειραµατικών τιµών της Ι o που µετρήσατε. (vi) Υπολογίστε την ισχύ που καταναλώνεται στα άκρα της αντίστασης R 2. (α) Για R 2 = 100 Ω: (β) Για R 2 = 1 kω: (γ) Για R 2 = 10 kω: P = P = P = (vii). Αν η µέγιστη επιτρεπόµενη ισχύς για την αντίσταση R 2 είναι ίση µε 1 5 W, σε ποια(ες) από τις πιο πάνω περιπτώσεις ξεπερνάται αυτή η ισχύς;
Εργαστηριακή Άσκηση Ε2 Η εκµάθηση της ρύθµισης της γεννήτριας σηµάτων και του παλµογράφου. ιαδικασία: Ακολουθήστε τα παρακάτω βήµατα για να παρουσιαστεί το αρχικό σήµα στην οθόνη του παλµογράφου. Βήµα 1: Προσδιορίστε τον παλµογράφο. Ρυθµίστε τη συσκευή ακολουθώντας τις οδηγίες που δίνονται παρακάτω. Για περισσότερες λεπτοµέρειες που αφορούν τα κουµπιά ελέγχου µπορείτε να µελετήσετε το εγχειρίδιο που δίνεται από τον κατασκευαστή. Κουµπιά Ελέγχου POWER CH1 MENU VOLTS/DIV VERTICAL POSITION HORIZONTAL POSITION TIME/DIV TRIGGER AUTO SET DISPLAY CONTRAST INCREASE/DECREASE Ρύθµιση ON Position Pushed in 2 V/DIV Pushed in Pushed in Pushed in Βήµα 2: Προσδιορίστε την γεννήτρια σηµάτων. Ρυθµίστε τη συσκευή ούτως ώστε να παράγει στην έξοδο ηµιτονοειδή τάση συχνότητας 1 khz ακολουθώντας τις οδηγίες που δίνονται παρακάτω. Για περισσότερες λεπτοµέρειες που αφορούν τα κουµπιά ελέγχου µπορείτε να µελετήσετε το εγχειρίδιο που δίνεται από τον κατασκευαστή. Κουµπιά Ελέγχου Ρύθµιση POWER ON Position FUNCTION ~ FREQUENCY 1 khz ΕΠΙΛΟΓΕΑΣ ΕΧΤ/ΙΝΤ Pulled out DUTY AMPLITUDE DC OFFSET Ζητήστε από τον/την επιβλέποντα/ουσα να επιθεωρήσει τις δύο συσκευές µετά το πέρας της διαδικασίας για να επιβεβαιώσει ότι έχετε ρυθµίσει σωστά τις δύο συσκευές.
Εργαστηριακή Άσκηση Ε3 Η εκµάθηση της µέτρησης του πλάτους της τάσης περιοδικών σηµάτων χρήσιµοποιώντας ένα παλµογράφο και ένα AC βολτόµετρο. Η σύγκριση της ακρίβειας των δύο πιο πάνω µεθόδων. ιαδικασία: Βήµα 1: Χρησιµοποιείστε την πειραµατική πινακίδα (breadboard) για να συνδέσετε την έξοδο της γεννήτριας σηµάτων στον παλµογράφο, όπως φαίνεται στο Σχεδιάγραµµα 2. Αφού ρυθµίσετε τον µπροστινό πίνακα ελέγχου του παλµογράφου και της γεννήτριας σηµάτων, όπως κάνατε προηγουµένως, συνδέστε την τάση εξόδου της γεννήτριας σηµάτων στο CH1 του παλµογράφου µέσω της πειραµατικής πινακίδας. Ρυθµίστε την τάση από κορυφή σε κορυφή (peak to peak, Vpp) όπως φαίνεται στο Σχεδιάγραµµα 3, µέχρι να γίνει 6 V. Σχεδιάγραµµα 2. Σύνδεση γεννήτριας σηµάτων µε τον παλµογράφο Σχεδιάγραµµα 3. Ρύθµιση τάσης από κορυφή σε κορυφή
Βήµα 2: Μετρήστε την τάση από κορυφή σε κορυφή (Vpp), µε ακρίβεια, χρησιµοποιώντας τον παλµογράφο. Για να λάβετε την πιο ακριβή τιµή της Vpp πρέπει να τοποθετήσετε την κυµατοµορφή στην οθόνη µε τέτοιο τρόπο ώστε να κάνετε το εγχείρηµα αυτό εύκολο. Χρησιµοποιήστε τις οδηγίες που παρατίθενται παρακάτω ως παράδειγµα του τι πρέπει να κάνετε. Ωστόσο, µπορείτε χρησιµοποιήσετε και κάποια δική σας τεχνική. Για να αποφύγετε την παραµόρφωση των υπό µέτρηση κυµατοµορφών, πάντα χρησιµοποιείτε probes του παλµογράφου, και όχι BNC-BNC καλώδια, για να συνδέσετε σήµατα στα κανάλια (CH1 ή CH2) του παλµογράφου. (1) Ρυθµίστε τα volts ανά τετράγωνο (VOLTS/DIV) ώστε το εµφανιζόµενο σήµα να καλύπτει το µεγαλύτερο µέρος της οθόνης στην κάθετη διάσταση. (2) Ρυθµίστε το χρόνο ανά τετράγωνο TIME/DIV ώστε περίπου δύο κύκλοι της κυµατοµορφής να απεικονίζονται στην οθόνη. (3) Έπειτα, χρησιµοποιήστε το κουµπί ελέγχου κάθετης θέσης του CH1 για να ευθυγραµµίσετε τη θετική κορυφή της απεικονιζόµενης κυµατοµορφής µε τη δεύτερη (από πάνω) οριζόντια γραµµή, και χρησιµοποιώντας το κουµπί ελέγχου οριζόντιας θέσης µετακινείστε το σήµα ώστε η αρνητική κορυφή να συµπέσει µε την κάθετη γραµµή στο κέντρο της οθόνης. Βήµα 3: Για να απεικονίσετε τη µέθοδο, σχεδιάστε την κυµατοµορφή της τάσης, όπως φαίνεται στην οθόνη, στο εργαστηριακό σας τετράδιο. Επιπρόσθετα, καταγράψτε τις ρυθµίσεις που χρησιµοποιήσατε (VOLT/DIV και TIME/DIV). Βήµα 4: Μεταβάλετε τα κουµπιά ελέγχου του πλάτους τάσης και παρατηρείστε την επίδραση της µεταβολής στο απεικονιζόµενο σήµα. Καταγράψτε τις παρατηρήσεις σας. Βήµα 5: Μετρήστε την τάση Vpp, µε ακρίβεια, χρησιµοποιώντας ένα AC βολτόµετρο. Χρησιµοποιείστε ένα ψηφιακό πολύµετρο, ρυθµισµένο ως AC βολτόµετρο, για να µετρήσετε την ενεργό τάση (root mean square, rms) που τροφοδοτεί η γεννήτρια σηµάτων. Για ηµιτονοειδείς κυµατοµορφές η rms τάση, Vrms, συνδέεται µε την V P µε τη Vp σχέση V rms =. Αυτή η σχέση δεν ισχύει για µη ηµιτονοειδείς κυµατοµορφές. 2 Βήµα 6: Συγκρίνετε τα µετρούµενα πλάτη που λάβατε στα Βήµατα 2 και 5. Είναι τα αποτελέσµατα τα ίδια στα όρια του πειραµατικού λάθους;
Εργαστηριακή Άσκηση Ε4 Η εκµάθηση της µέτρησης της περιόδου και της συχνότητας περιοδικών σηµάτων χρησιµοποιώντας τον παλµογράφο. Η εκτίµηση της ακρίβειας αυτής της µεθόδου. ιαδικασία: Βήµα 1: Ρυθµίστε τη συχνότητα της εµφανιζόµενης τάσης στο 1 khz. Βήµα 2: Μετρήστε την περίοδο του εµφανιζόµενου ηµιτονοειδούς χρησιµοποιώντας τον παλµογράφο. Ένας τρόπος για να υπολογίσετε την περίοδο Τ είναι να κεντράρετε την απεικονιζόµενη κυµατοµορφή ως προς την κάθετη διάσταση και να µετρήσετε τον αριθµό των υποδιαιρέσεων, κατά µήκος του οριζόντιου άξονα, που αντιστοιχούν σε ένα πλήρη κύκλο. Μπορείτε να µεταβάλετε την οριζόντια θέση της κυµατοµορφής για να κάνετε τη µέτρηση ευκολότερη. Βήµα 3: Καταγράψτε τη µέθοδο µέτρησης της περιόδου που πιστεύετε ότι είναι η πιο ακριβής. Σχεδιάστε την κυµατοµορφή τάσης όπως φαίνεται στην οθόνη. Επιπρόσθετα, καταγράψτε τις τιµές TIME/DIV και VOLT/DIV. Υπολογίστε τη συχνότητα της απεικονιζόµενης κυµατοµορφής. Είναι η τιµή που υπολογίστηκε µε τη βοήθεια του παλµογράφου σε συµφωνία µε την τιµή που αναγράφεται στη γεννήτρια σηµάτων, στα όρια του πειραµατικού σφάλµατος; Βήµα 4: Αλλάξτε τη συχνότητα του σήµατος σε 50 khz και επαναλάβετε τις µετρήσεις της εργαστηριακής άσκησης Ε3. Σχολιάστε τα αποτελέσµατα.
Εργαστηριακή Άσκηση Ε5 Η απόκτηση οικειότητας µε την µέτρηση τάσεων σε ac κυκλώµατα. ιαδικασία: Σε αυτό το στάδιο, θεωρείται δεδοµένο ότι είστε εξοικειωµένοι µε τις βασικές λειτουργίες της γεννήτριας σηµάτων, του παλµογράφου, και του ac βολτοµέτρου. Βήµα 1: Σχηµατίστε το κύκλωµα στο Σχεδιάγραµµα 4, µε τιµή για την R 2 = 3 kω. R 1 = 1 kω + V in R 2 V 0 - Σχεδιάγραµµα 4. Κύκλωµα για εργαστηριακή άσκηση Ε5 Βήµα 2: Συνδέστε την τάση V in στο CH1 και την τάση V 0 στο CH2 του παλµογράφου. (α) Ρυθµίστε το πλάτος της τάσης της γεννήτριας σηµάτων στα 8 V (0 V dc απόκλιση) για ηµιτονοειδές κύµα συχνότητας 50 Hz. Παρατηρείστε τις τάσεις V in και V 0 και σχεδιάστε τις σαν συναρτήσεις του χρόνου στη γραφική παράσταση που ακολουθεί µε κατάλληλα αριθµηµένους άξονες.
Βήµα 3: (α) Υπολογίστε το πλάτος της έντασης Î που διαρρέει το κύκλωµα. (β) Υπολογίστε το πλάτος της πτώσης τάσης στα άκρα της R 2. (γ) Μετρήστε τη διαφορά µεταξύ του πλάτους των σηµάτων V 0 και V in. Συγκρίνετε την µε το πλάτος της πτώσης τάσης που υπολογίσατε.