« poprzedni punkt |
Pomiary są dokonywane na stanowisku pomiarowym złożonym z przyrządów i wzorców oraz pomocniczego sprzętu pomiarowego. Pod pojęciem elektronicznych przyrządów pomiarowych rozumie się zespół urządzeń elektronicznych umożliwiający pomiary wielkości elektrycznych i nieelektrycznych. Wzorce służą do odtworzenia z określona dokładnością jednej lub wielu wartości określonej wielkości. Pomocniczy sprzęt pomiarowy stanowią takie urządzenia, które zapewniają właściwe warunki wykonania pomiaru. Do nich zaliczamy: zasilacze i stabilizatory, generatory sygnałowe, czujniki pomiarowe, dzielniki, filtry oraz złącza i kable.
Do najczęściej wykorzystywanych w praktyce przyrządów zaliczamy: oscyloskopy, generatory funkcyjne, woltomierze i amperomierze, oraz multimetry, które zostaną omówione w niniejszym rozdziale. W praktyce laboratoryjnej wykorzystuje się przyrząd wielofunkcyjny, który składa się z zasilacza, generatora, częstościomierza i multimetru.
Oscyloskop jest najbardziej uniwersalnym elektronicznym przyrządem pomiarowym stosowanym do pomiarów i badania okresowych i nieokresowych przebiegów elektrycznych. Charakteryzuje się dużą rezystancją wejściową, dużą czułością oraz pomijalnie małą bezwładnością. Jest więc, pewnego rodzaju szybkim rejestratorem X - Y, który umożliwia obrazowanie sygnałów wejściowych w funkcji innego sygnału lub w funkcji czasu. Rolę elementu piszącego tego rejestratora spełnia świecąca plamka przemieszczająca się po ekranie lampy oscyloskopowej. Podstawowe parametry oscyloskopu podane zostały w zalecanej literaturze (Podr. uzupełn. poz. 3 i skrypt labor.)
Rys. 5.11. Uproszczony schemat blokowy oscyloskopu
Schemat blokowy oscyloskopu analogowego przedstawiono na rys. 5. 11. Wyodrębnić w nim można cztery bloki funkcyjne:
Zasadniczym elementem oscyloskopu jest promieniowa lampa oscyloskopowa, w której strumień elektronów, padając na ekran pokryty specjalną substancją zwaną luminoforem powoduje jej świecenie. Ten strumień emitowany jest z działa elektronowego, którego pracę kontroluje wzmacniacz Z, ustalając jaskrawość plamki na ekranie. Wiązka elektronów podlega uformowaniu w układzie soczewek elektrostatycznych (anod) sterowanych odpowiednio z zasilacza wysokiego napięcia. Kontrola pracy odbywa się za pomocą pokrętła "ostrość". Dalej elektrony biegną przez obszar, w którym prostopadle do kierunku ich ruchu działają na nie odchylające pola elektrostatyczne. Pola te wytwarzane są przez dwie pary płytek odchylających. Napięcia przykładane do nich ze wzmacniaczy odchylania poziomego X i pionowego Y są proporcjonalne do chwilowych wartości badanych sygnałów.
W zwykłym trybie pracy oscyloskopu, gdy badane są czasowe zależności mierzonego sygnału, do wzmacniacza odchylania X dostarczany jest sygnał piłokształtny z generatora podstawy czasu. Podczas jednego cyklu podstawy czasu plamka przebiega po ekranie od lewej do prawej strony, po czym następuje powrót. Na czas powrotu jest ona wygaszana przez impuls dostarczany do wzmacniacza Z. Szybkość narastania sygnału podstawy czasu, a przez to rozdzielczość czasowa, może być dobierana przez użytkownika w szerokim zakresie. Możliwe jest też odłączenie generatora podstawy czasu i dołączenie do wejścia X dowolnego innego sygnału. W ten sposób przechodzi się do trybu pracy oscyloskopu X- Y.
Blok odchylania pionowego służy do przetwarzania badanego sygnału. Jego zadaniem jest dokładne odtworzenie na ekranie lampy oscyloskopowej kształtu sygnału doprowadzonego do wejścia Y. Badany sygnał po przejściu przez przełącznik wybierający rodzaj sprzężenia (DC,AC,GDN) ulega podziałowi w tłumiku, określającym skokowo wartość współczynnika odchylania pionowego. Wzmacniacz wstępny umożliwia wysterowanie wzmacniacza końcowego, regulacje położenia plamki - przesuw Y oraz ciągłą regulacje wzmocnienia. W torze Y znajduje się linia opóźniająca niezbędna do obserwacji przebiegów jednorazowych przy wyzwalanej podstawie czasu. Linia ta kompensuje czas przetwarzania w torze odchylania poziomego i badany sygnał dociera do płytek odchylania pionowego z pewnym opóźnieniem rzędu ok. 200ns.
Blok odchylania poziomego służy do liniowej podstawy czasu. Napięcie podstawy czasu określa tor i prędkość ruchu elektronów w lampie oscyloskopowej przy braku obserwowanego sygnału. Wytworzony pod wpływem tego ruchu ślad na ekranie nazywany jest podstawa czasu. Przyjęcie poziomej osi czasowej oznacza konieczność wytworzenia napięcia piłokształtnego, o regulowanym okresie dostosowanym do częstotliwości obserwowanego sygnału, który składa się z dwóch części:
Przebieg taki powtarza się okresowo.
Do wytwarzania napięcia piłokształtnego służy generator podstawy czasu o regulowanej częstotliwości generowanego przebiegu. Za generatorem w torze odchylania poziomego znajduje się wzmacniacz odchylania poziomego. Jego zadaniem jest wzmacniania napięcia odchylającego do wartości potrzebnej do pełnego wysterowania płytek odchylania poziomego. We wzmacniaczu odchylania poziomego stosowana jest skokowa lub płynna regulacja wzmocnienia.
Do zapewnienia stabilności obrazu na ekranie lampy oscyloskopowej służy blok wyzwalania i synchronizacji. Generator napięcia podstawy czasu, bez zewnętrznego sterowania, jest samowzbudny i dostarcza napięcia samobieżnej podstawy czasu. Aby w kolejnych okresach napięcia podstawy czasu tor plamki był kreślony na ekranie w tym samym miejscu, okres T tego napięcia musi być całkowitą wielokrotnością przebiegu badanego Tx
T = Tn + Tr = n Tx | (5.13) |
Wówczas na ekranie oscyloskopu obserwujemy nieruchomy obraz n okresów badanego przebiegu. Realizowane jest to przez formowanie impulsów synchronizujących, z uwzględnieniem okresu przebiegu badanego z wejścia Y, podanych następnie na generator podstawy czasu.
Przy wyzwalanej podstawie czasu napięcie wyjściowe pojawia się impulsu wyzwalającego. Źródłem impulsów wyzwalających może być obserwowany sygnał, napięcie sieci lub sygnał zewnętrzny.
Opis płyty czołowej typowego oscyloskopu i sposoby posługiwania się nim przy określonych pomiarach podano w skrypcie laboratoryjnym.
Generator funkcyjny jest źródłem napięcia zmiennego, którego przebieg wyjściowy może przyjmować postać funkcji sinusoidalnej, funkcji prostokątnej lub funkcji trójkątnej o regulowanej w szerokim zakresie częstotliwości oraz amplitudzie. Schemat blokowy takiego generatora został przedstawiony na rys. 5.12.
Rys. 5.12. Schemat blokowy generatora funkcyjnego
Pierwotnym źródłem sygnału w generatorze funkcyjnym jest układ zwany generatorem relaksacyjnym, wytwarzający, jednocześnie na dwóch swoich wyjściach, dwa przebiegi prostokątny i trójkątny o znormalizowanej amplitudzie, regulowanych: częstotliwości i współczynniku wypełnienia. Sygnał o kształcie funkcji sinusoidalnej jest otrzymywany z sygnału trójkątnego na skutek aproksymacji w układzie kształtującym. Wybrany przebieg jest podawany na układ wyjściowy zawierający układy służące do regulacji amplitudy i składowej stałej przebiegu wyjściowego oraz zapewniające odpowiednią impedancję wyjściową generatora.
Do podstawowych parametrów technicznych generatora funkcyjnego zaliczamy:
Przyrządy do pomiaru napięcia i prądu tworzą grupę woltomierzy i amperomierzy. Woltomierze elektroniczne umożliwiają pomiary napięcia w szerokim zakresie pomiarowym od nanowoltów (10-9 V) do megawoltów (106 V) i szerokim zakresie częstotliwości: od zera (napięcie stale) do ok. 300 MHz. Dalszymi zaletami woltomierzy są: duża impedancja (bądź rezystancja) wejściowa, duża dokładność, duża wytrzymałość na przeciążenia, możliwość pomiaru różnych parametrów napięcia (wartości skutecznej, średniej, szczytowej). Woltomierze można klasyfikować według różnych kryteriów. Ogólny podział zostanie dokonany ze względu na sposób odczytu na woltomierze analogowe i cyfrowe.
Elektroniczne woltomierze analogowe pod względem przeznaczenia dzielimy na woltomierze napięć stałych i woltomierze napięć zmiennych.
Woltomierze napięć stałych składają się z dzielnika napięcia wejściowego, wzmacniacza napięcia stałego oraz miernika magnetoelektrycznego wyskalowanego w jednostkach napięcia i używanego jako wskaźnika, połączonych w sposób jak na rys.5.13.
Rys. 5.13 Schemat blokowy woltomierza napięcia stałego
Dzielnik zapewnia dużą rezystancję wejściową woltomierza, praktycznie stałą na wszystkich zakresach. Wzmacniacz napięcia stałego wzmacnia napięcie do poziomu niezbędnego dla spowodowania wychylenia organu ruchomego miernika magnetoelektrycznego, a ponadto odgrywa role układu dopasowującego małą rezystancję miernika do rezystancji wejściowej dzielnika.
W woltomierzach napięć stałych o działaniu bezpośrednim stosuje się przeważnie wzmacniacze operacyjne. Umożliwia to zwiększenie czułości i uzyskanie najniższych zakresów pomiarowych, rzędu 1 mV. Aby jednocześnie uzyskać dużą rezystancję wejściową takiego woltomierza, wzmacniacz operacyjny pracuje jako nieodwracający. Otrzymuje się wówczas rezystancję wejściowa rzędu 109 - 1012 W.
Pewna odmiana woltomierzy napięć stałych są woltomierze z przetwarzaniem o schemacie jak na rys.5.14.
Rys.5.14. Schemat blokowy woltomierza napięcia stałego z przetwarzaniem
W układach takich woltomierzy jest stosowany wzmacniacz napięcia stałego z przetwarzaniem, który charakteryzuje się bardzo małym dryftem zera, przy bardzo dużym wzmocnieniu. Umożliwia to dalsze zwiększenie czułości woltomierza, a tym samym zmniejszenie poziomu napięcia dla najniższego zakresu do wartości 1 - 10 mV. Wzmacniacz jest objęty pętlą silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego dla napięcia stałego. Ujemne sprzężenie zwrotne zapewnia liniowość charakterystyki przetwarzania Uwy = f (Uwe) oraz zmianę zakresów pomiarowych przez zmianę wartości współczynnika ujemnego sprzężenia zwrotnego. Filtr dolnoprzepustowy na wejściu tłumi zakłócenia, a filtr na wyjściu prostownika fazoczułego wygładza przebieg wyprostowany. Wtórnik emiterowy na wyjściu pełni funkcję urządzenia dopasowującego.
Woltomierze elektroniczne napięć zmiennych konstruuje się według ogólnego schematu funkcjonalnego pokazanego na rys. 5.15.
Rys. 5.15. Ogólny schemat funkcjonalny woltomierza napięć zmiennych
Woltomierz składa się z przetwornika sygnału zmiennoprądowego na sygnał stałoprądowy, tzn. taki, w którym składowa stała zawiera informacje o wartości średniej, maksymalnej albo skutecznej przetwarzanego przebiegu oraz woltomierza analogowego napięć stałych. Przetwornikami tymi mogą być odpowiednie prostowniki wartości średniej, szczytowej lub skutecznej.
Woltomierze cyfrowe
Zasada pracy woltomierza cyfrowego polega na przetworzeniu napięcia ciągłego (analogowego) na przebieg dyskretny (cyfrowy). Proces ten realizują układy zwane przetwornikami a/c - analogowo-cyfrowymi. Podział woltomierzy można dokonywać według różnych kryteriów:
Przetworniki bezpośrednie porównują wprost wielkość analogową z sygnałem wzorcowym sterowanym cyfrowo. W wyniku porównania powstaje sygnał cyfrowy zawierający informację pomiarową o wielkości analogowej.
Przetworniki pośrednie przekształcają wstępnie wielkość analogową w inną wielkość fizyczną (np. czas, a ściślej przedział czasu lub częstotliwości), która następnie jest bezpośrednio przetwarzana w sygnał cyfrowy.
Do najbardziej rozpowszechnionych należą woltomierze cyfrowe napięć stałych i wolnozmiennych o ogólnym schemacie jak na rys. 5.16.
Rys.5.16. Schemat funkcjonalny woltomierza cyfrowego napięć stałych
W każdym woltomierzu napięcia stałego można wyróżnić następujące zespoły bloków:
O właściwościach metrologicznych woltomierzy cyfrowych napięcia stałego decyduje rodzaj zastosowanego przetwornika analogowo-cyfrowego.
Cyfrowy pomiar napięć zmiennych może być realizowany przez zamianę wartości średniej, skutecznej lub szczytowej tych napięć na napięcie stałe. Najczęściej spotyka się prostownikowe przetworniki wartości średniej lub szczytowej. Podstawowa wada wszystkich woltomierzy prostownikowych jest zależność wskazań od kształtu krzywej mierzonego napięcia. Do najbardziej współczesnych rozwiązań konstrukcyjno-układowych należą woltomierze cyfrowe mikroprocesorowe.
Pomiaru prądów dokonujemy amperomierzami. Amperomierze elektroniczne zawierają najczęściej bocznik, na którym mierzy się spadek napięcia za pomocą miliwoltomierza elektronicznego analogowego lub cyfrowego (jak na rys. 5.17), który powinien mieć małą rezystancję wejściową.
Rys. 5.17. Schemat funkcjonalny amperomierza elektronicznego
Woltomierz jest zatem częścią amperomierza elektronicznego. Innym rozwiązaniem są układy amperomierzy z przetwornikami prąd-napięcie ze wzmacniaczami operacyjnymi. Ponieważ w takim przetworniku wykorzystuje się ujemne sprzężenie zwrotne napięciowo-równolegle, odznacza się on bardzo małą rezystancja wejściową. Dzięki odpowiedniemu doborowi elementów można uzyskać również bardzo dobrą czułość prądową umożliwiającą pomiary prądów już od 10-12 A.
Multimetry są wielozakresowymi przyrządami do pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych. Najczęściej spotykane multimetry mierzą stałe i zmienne napięcie i prąd oraz rezystancję. Bardziej rozbudowane przyrządy pozwalają ponadto mierzyć częstotliwość i pojemność elektryczną. Schemat blokowy typowego multimetru pokazano na rys. 5.18.
Rys. 5.18. Schemat blokowy typowego multimetru
Zasadniczym blokiem multimetru jest przetwornik analogowo-cyfrowy (przetwornik a/c), który wraz ze źródłem odniesienia (wzorcem napięcia) przetwarza napięcie doprowadzone do wejścia na sygnał cyfrowy, który pojawia się na wyjściu. Wynik pomiaru jest wyświetlany na wskaźniku (wyświetlaczu) cyfrowym w postaci liczby dziesiętnej ze znakiem, z jednoczesnym wskazaniem jednostki lub zakresu pomiarowego.
Zadaniem układu wejściowego jest dopasowanie wartości napięcia wejściowego do wymagań przetwornika analogowo-cyfrowego oraz minimalizacja oddziaływania przyrządu na obwód pomiarowy. Podczas pomiaru parametrów napięć zmiennych włączany jest dodatkowo przetwornik AC/DC (Alternating Current/Direct Current), na którego wyjściu pojawia się napięcie stałe o wartości proporcjonalnej do wybranego parametru napięcia zmiennego. Najczęściej spotykane są przetworniki wartości średniej wyprostowanego napięcia zmiennego, ale mogą być również przetworniki wartości szczytowej lub skutecznej.
Pomiar rezystancji jest dokonywany za pośrednictwem przetwornika R/U, którego działanie polega na wytworzeniu na wyjściu napięcia stałego o wartości proporcjonalnej do wartości rezystancji dołączonej do wejścia. Zazwyczaj, przetwornik ten zawiera wzorcowe źródło prądu stałego, który przepływając przez rezystor o rezystancji Rx powoduje spadek napięcia na nim zgodnie z prawem Ohma
Ux = I Rx | (5.14) |
Wydajność prądowa źródła I może być wykorzystana do zmiany zakresu pomiarowego.
Przy pomiarze natężenia prądu równolegle do wejścia przyrządu jest włączany zestaw boczników (rezystorów wzorcowych). Do pomiaru natężenia prądu zmiennego jest wykorzystywany ponadto przetwornik AC/DC.
Multimetr może zawierać układ interfejsu, który umożliwia zdalne sterowanie pracą przyrządu, a także przesyłanie i rejestrację wyników pomiaru (np. do drukarki lub komputera).
Podstawowe parametry typowego multimetru
Wielkości mierzone:
Zakres częstotliwości przy pomiarze napięć i prądów zmiennych: 10 Hz ¸ 20 kHz.
Rezystancja wejściowa przy pomiarze napięcia stałego: na podzakresach £ 10V większa od 1000 MW, na podzakresach ³ 100V 10 MW.
Impedancja wejściowa przy pomiarze napięcia zmiennego: 1 MW, równolegle z pojemnością < 100pF.
Spadek napięcia na zaciskach wejściowych przy pomiarze prądu: £ 0,3 V.
« poprzedni punkt |