Name:………………………………………………………………………… Course code:………………………. Date and time of the measurement: …………………………………
ÓBUDAI UNIVERSITY Kandó Kálmán Faculty of Electrical Engineering
Institute of Instrumentation and Automation
MEASUREMENT LABORATORY MEASUREMENT GUIDE 1/B Budapest, 2015
Compiled by Markella Zsolt
All rights reserved.
1
Table of Contents
8. laboratory measurements (Tényi V. Gusztáv)
3.
page
8.
page
Processing of the measured data
9. laboratory measurements (Tényi V. Gusztáv) Measuring galvanic and capacitive disturbance
10. laboratory measurements (Markella Zsolt)
16. page
Measuring AC voltage II.
11. laboratory measurements (Markella Zsolt) Measuring AC voltage III.
2
39. page
1. fejezet
2. fejezet
The aim of the measurement A mérés adatainak feldolgozása (közelítő görbék, jellemző paraméterek), nemlineáris hálózatban történő mérésnél. A mérési sorozatok kiértékelési módszerének elsajátítása. A laboratórium során elvégzendő mérések: 8.1. Mérési sorozat felvétele és kiértékelése 8.2. Vegye fel az 1. sz mérőpanelen egy kiválasztott Zenerdióda záróirányú karakterisztikáját! Határozza meg a dióda közelítő függvényeit és annak paramétereit!
Theory needed for the measurement Az előadáson elhangzottak és a méréstechnika jegyzet. Irodalom: [1] Méréstechnika jegyzet (Szerk. Dr. Horváth Elek)
3
8.1. Recruitment and evaluation of measurement series The measurement exercise plan: The aim of the measurement: Recording measurement series, making hisztrogram and determination of distribution, expected value and scattering characteristics. Method of the measurement: The object to be measured:
The sequence of measurement:
Set a 50 Hz frequency, 100 mV amplitude sinusoid signal with 500 mV offset on the function generator. Select DC voltage measurement mode and 5V measurement range on the multimeter. Connect the signal from the function generator to the multimeter. Start the data acquisition program on the computer. Set the Count of measures to 100 and the Delay between 2 measures to 1. At the end of the measurement save the data to your own pen drive! Repeat the measurement with 10 Hz signal frequency!
The evaluation of measurement data: (Use spreadsheet program for evaluating the! A laboratórium honlapján megtalálható egy példa feladat az excellel történő hisztogramm készítésről.) Perform analysis of the validity of the measurement data (that is, the measured values are within a specified range of validity)! The allowable tolerance range: 500 mV + 110 mV. Determine the basis of valid data found in the previous section, the following quantities: avarage, modus, median range, (minimum, maximum), standard deviation, Mean Absolute Deviation. Take measurements grouping with 10 groups! Create a histogram! Answer the following questions based on the histogram: a) What is the area under the histogram and the size of this? b) What is the probability that the measured voltage falls within a single scattering environment of the expected value: P[Uavarage - s < U < Uavarage + s] = ? c) What is the probability that the measured voltage falls within a triple scattering environment of the expected value: P[Uavarage - 3s < U < Uavarage + 3s] = ? d) Compare the calculated values with the theoretical values!
4
8.2. Record one Zener diode reverse characteristics from the board 1! Determine the diode’s approximate curves and its parameters! The aim of the measurement: Record one Zener diode reverse characteristics from the board 1 Object to be measured: Connect the circuit below with the help of the component from the board 1. an outer decade resistance: Rk limiter resistance
Rd decade resistance
Circuit for recording the reverse chatacteristic of the Zener diode
You should assemble a circuit , which can be recorded on the zener diode reverse characteristics and should in no way be damaged. Thus, a power supply and limiting resistor should be chosen that meet these criteria. Terms of measurements, limit data: Before the measurement calculate: measurement range, maximal power voltage the value of Rk limiter resistor! (Chouse Rk from the board! Rated power of the resistor: 0,5 W.) Help for the calculation: Data of the measured diode: Type: ZF 5,6 The Zener voltage UZN = 5,6 V ± 10% at Iz = 5 mA. Maximal opening current (Imax open): 100 mA. The power dissipation of diode (reverse direction): 400 mW Calculation in reverse direction: Determine the maximum power supply voltage and the value of Rk if know the diode reverse direction maximum power dissipation and breakdown voltage. We need Rk for limiting the current - so protect the diode - in case of 0Ω value of the decade resistor! For security reasons let's use a smaller power dissipation value than given in the catalog. Pmax = 0,8 Pmax_z = 320mW By the usage of the Zener voltage (but in definition it measured at 5 mA) P 320mW I max = max = 57mA UZ 5,6V 5
We are able to select one value because there are two free parameter (UTmax és RK). Let it be UTmax=10 V. U U Z 10V 5,6V Rk = Tmax = = 77,19 Ω I m1max 57mA Look for one close value on the board 1. Rk=150Ω 0,5W Let’s make some control calculation with this chosen resistor. For the first time calculate the maximal current in the circuit. U U Z 10V 5,6V I max = Tmax = = 29,33mA Rk 150Ω Check that the load of the Rk resistor permits this current. P 0,5W I Rkmax = = = 58 mA I max Rk 150Ω Aftre the calculation: UT=10 V, Rk=150Ω Atencion on the decade resistor the maximal load current is 70 mA! So on the power supply set 10 V voltage and the current limit to 50 mA! This current is higher than the calculated current in the circuit and lower than the maximal load of the decade resistor.
Measurement tasks: Chech the diode with a help of the HM8012 diode tester function! Record the reverse characteristics of the zener diode! Vigyázzon arra, hogy a műszerek fogyasztásából származó hiba a lehető legkisebb mértékben befolyásolja a mérést (azaz a legkisebb korrekciót kelljen elvégezni)! Ezért a karakterisztika mérése során a feszültségmérő helyét a kapcsolásban változtatni célszerű a kis és nagy ellenállások mérésénél tanultak alapján. A fentiekben már meghatározott mérési tartományban kiválasztjuk a beállítási jellemzőt. Ez jelen esetben mivel egy feszültség áram karakterisztikát kívánunk felvenni azt jelenti, hogy meghatározzuk melyik jellemzőt fogjuk beállítani és változtatni és a hozzá tartozó másik jellemzőt pedig le fogjuk olvasni. Nemlineáris karakterisztika felvételekor a beállítási jellemző váltása is célszerű a pontosabb beállítás miatt!
setting quantity U
setting quantity I
6
Mint az ábrából is látszik záró irányban a dióda küszöbfeszültségéig a feszültség jelentős változása mellett csak kis mértékben változik az áram. Tehát ebben a tartományban a feszültség lesz a beállítási jellemző. A dióda kinyitása után megfordul a helyzet, az áram változása lesz jelentősebb tehát azt érdemes beállítási jellemzőnek venni. A korábbiak figyelembevételével első lépésben a mérendő tartományrészeket egyenletesen beosztva vegyük fel a mérési pontokat a szükséges számban (itt 8-10 elegendő). Azokban a tartományokban ahol további adat felvétele látszik szükségesnek, az adott tartomány további egyenletes felosztásával “finomítsuk” a mérésünket. A mérési pontokat célszerű a maximum értéktől "lefelé" haladva felvenni. Megjegyzés: A mérési pontokat, a feszültségbeállítási tartományban, a tápfeszültség csökkentésével is beállíthatja. The current flowing throw the Zener diode and the voltage dropped on it: Low resistance section U I High resistance section U I
Draw the characteristics of the diode and calculate the approximating function of it! Use spreadsheet program for the calculation.
7
3. fejezet
4. fejezet
The aim of the measurement A mérési elrendezésbe galvanikus és kapacitív csatolással bekerülő zavaró jelek hatása, az ellenük történő védekezési lehetőségek bemutatása, vizsgálata. Egyenfeszültségmérők soros zavarójel elnyomásának bemutatása, az elnyomás frekvenciafüggésének meghatározása. A laboratórium során elvégzendő mérések: 9.1. feladat: Határozza meg, az 1.sz. mérőpanelen lévő feszültségstabilizátor kimeneti feszültségének megváltozását a bemeneti feszültség függvényében! 9.2. feladat: Kapacitív csatolás vizsgálata nyomtatott áramköri panelon lévő vezetők között.
Theory meeded for measurement Az előadáson elhangzottak és a méréstechnika jegyzet váltakozófeszültség mérésről szóló része. Irodalom: [1] Méréstechnika jegyzet (Szerk. Dr. Horváth Elek) Ajánlott irodalom: G. Breitenberger, H. Bürskens,...: EMC Elektromágneses zavarvédelem; Dr. Kiss Ernő: Elektronikus mérőműszerek vonatkozó fejezete;
8
Different sources of interference affecting to the measured circuit or circuit containing the measuring devices. In the measuring lines because of the disturbance beyond the so-called useful signal may appear interference and it cause measurement errors. There are two way to decrease these errors: First, with the structure of the measuring circuit can be prevented or mitigated the interfering signals from entering, On the other hand, if the disturbance signals already in the ciruit, the effect of it can be damping by appropriate selection of the measuring device. A zavaró hatásokat a zavarójel terjedésének, rendszerbe jutásának módja szerint az alábbiak szerint szokás csoportosítani (zárójelben szerepel a zavar forrása, továbbá a forrás modellezésére alkalmas jellemző mennyiség): Galvanikus (általában földelővezetékek, nullavezetékek / Zcs csatolóimpedancia); Kapacitív (jelvezetékek, energiavezetékek / Ccs csatolókapacitás) Induktív (jelvezeték, energiavezeték, vezeték-hurok / Mk kölcsönös induktivitás) Vezetéken terjedő hullám (jelvezeték / Uz) Elektromágneses sugárzás (jelvezeték, hurok, nulla-vezeték, / antenna jellemzők) A felsorolt zavaró hatások közül csak a galvanikus- és kapacitív csatolással foglalkozunk. 9.1. Determine the voltage stabilizer (on the measuring board 1) output voltage as a function of the input voltage! Galvanic disturbance: If currents of two circuits flowing through one impedance we get galvanic disturbance. In case of simple circuits for example the double power voltage common neutral conductor or using more than one circuit from a power supply with common neutral conductor. Here in this circuit the Z cs impedance of the neutral conductor is the coupling impedance. Often necessary to connect the neutral wire more than one point in the measurement circuit, then the problem is the right choice of the "ground reference point".
The modell of the galvanic disturbance Az U1 - Z1 hurok áramához (I1) a Zcs csatolóimpedancia jelenléte miatt hozzáadódik az U2 -Z2 áramának egy része, és fordítva. Az I1 áram “torzulása” tehát a Zcs függvénye.
9
Zcs a gyakorlatban többnyire vezetékimpedancia, sok esetben hatása elhanyagolható, de ha az elérendő mérési pontosság indokolja (pl. kis változások mérése esetén) a kapcsolást gondos mérlegeléssel úgy kell összeállítani, hogy Zcs értéke minimális legyen. Aim of the measurement: A kimeneti feszültségváltozás meghatározása a különböző mérési elrendezések esetében. A galvanikus zavarás nagyságának megállapítása, a legkisebb hibát tartalmazó elrendezés kiválasztása. Measuring the output voltage range: (measuring voltage)
Record the Uref output voltage of the REF voltage stabilizer circuit on the board 1. in function of Ut power voltage between 4V < Ut < 10V range in 2V steps. Use digital multimeter: TR 1667 ... UT Uref
4V
6V
8V
10 V
Inspection of the effect of the grounding point choice. (differential measurement) Object to be measured:
Connection choice 1. It is expected the ΔU change of the Uref will be small so differential measurement is necessary. (According to the manufacturer ΔU maximum value is 3 mV in the 4.5 V < Ut < to 15 V voltage range) Set the Ue on the other side of the power supply which is galvanic independent from the Ut.
10
The essencial of the differential measurement is the following: measuring between two nearly identical voltage. In this measurement the Uref voltage probable 2,5 V so Ue must be set to the same value.
There are three kind of connection possibility for connecting the Ue "-" point to the different ground reference point: 1. to the measuring board GNDref point; 2. to the measuring board GNDt point; 3. to the Ut power supply "-" point; Carry out the measurement every possible connection point! Digital multimeter: TR 1667 ... UT ΔU (GNDref) ΔU (GNDt) ΔU (Ut „-„)
6V
8V
10 V
Determine where is the coupling impedance! Which layout and why give the smallest measurement error caused by the coupling impedance?
11
9.2.: Examination of capacitive coupling between leaders in printed circuit board.
Capacitive coupling:
The general modell of the capacitive coupling
In practice the following simplified model can be use if the wire impedances are negligable. The The sources of disturbance is U0 voltage generator with Zki output impedance, the Zv impedancie is the receiver of the disturbance.
The Uz amplitude of the disturbance according to the simplified modell of the capacitive coupling: U z = Uo
Zv Z ki( out ) + Z v +
1 2πfC
The Zv impedance is the input impedance of the instrument we can not change it. The decreasing of Uz can be made by changing the C coupling capacitance (changing the cable, using shielded cable).
12
The aim of the measurement: Measuring the capacitive coupling in function of frequency. a) Object to be measured:
Zki(out)=50 Ω Zv=1 MΩ || 20 pF 1
𝑍𝑣 = 1𝑀Ω × ω20pF = …..
We invertigate the capacitive coupling on a PCB between the different drawing: in case of points 1 and 2 the length of the close part of the drawings are 12 cm and there is 1mm distance between it, in case of points 3 and 4 the length of the close part of the drawings are the same like in case of points 1 and 2 but the distance between it is 2mm, in case of points 5 and 6 the distance between it is the same like in case of points 1 and 2 but the length of the close part of the drawings are 6 cm, in case of 7 and 8 the drawings are on the opposite side of the PCB, in case of 9 and 10 there is a third drawing (11) between it. Connect the signal from the function generator output to the point 1. and the point 2. connect to the oscilloscope input. Connect the ground points of the cables to the COM point of the board! Set 5V peak value sinusoid signal on the function generator. Measure the capacitive coupled disturbing signal in function of frequency in 20Hz … 100kHz intervale. f[Hz] Uout1-2
100
1k
10 k
100k
Calculate the value of the C coupling capacitance at 1 kHz frequency!
13
Repeat the measurement and the calculation between points 3 and 4 and after it with the use of 5 and 6 points! f[Hz] Uout3-4
100
1k
10 k
100k
f[Hz] Uout5-6
100
1k
10 k
100k
f[Hz] Uout7-8
100
1k
10 k
100k
Compare and explain the results!
14
Make measurement and calculation firstly between points 9 and 10 without connecting the point 11 to the ground and repet it with connecting point 11 to the ground. Explain the results! f[Hz] Uout9-10
100
1k
10 k
100k
f[Hz] Uout9-10
100
1k
10 k
100k
11 GND
Which layout is considered the best in terms of crosstalk?ratóriumi
15
mé 5. fejezet
6. fejezet
The aim of the measurement Periodikusan változó mennyiségek mérőműszerei és mérő-egyenirányító alapkapcsolásainak bemutatása, működésük vizsgálata, hibaszámítás. A bemutatott elveket realizáló eszközök használatának gyakorlása, a mérési eredmények értelmezése a műszer mérési elve és a vizsgált jelalak függvényében. A laboratórium során elvégzendő mérések: 10.1 Passzív soros (együtemű) diódás csúcsérték egyenirányító kapcsolás vizsgálata. 10.2 Műveleti erősítővel felépített aktív csúcsérték egyenirányító kapcsolás vizsgálata.
Theory needed for measurement Az előadáson elhangzottak és a méréstechnika jegyzet váltakozófeszültség mérésről szóló része. Irodalom: [1] Méréstechnika jegyzet (Szerk. Dr. Horváth Elek) [2] Dr. Selmeczi Kálmán, Schnöller Antal: Villamosságtan II. 63-70, 249-260; 1§. A periodikus jelek alakja……….………….……….
[1] 119. oldal
………………………………………….…………….… ……………………………………………………… …………………………………………………………
16
2§. A váltakozó feszültség jellemzői Ábra:
[1] 120. oldal 2.42 ábra
3§. A periódusidő (T): két azonos állapot között eltelt idő. A frekvencia (f) a periódikusan…….………….………..
………………………………………….……………. ………………………………………………………… [1] 242. oldal
f= 4§. Csúcsértéken (peak value) a perióduson.………..….
………………………………………….……………. ………………………………………………………… [1] 120. oldal
Jelölése: A pozitív és negatív irányú.………..…………………..
………………………………………….……………. ………………………………………………………… [1] 120. oldal
Jelölése: Az egyszerű, vagy elektrolitikus.………..………………
………………………………………….……………. …………………………………………………………
[1] 120. oldal
17
Ue = [1] 120. oldal
Az abszolút középérték.………..………………………
………………………………………….…………….… ……………………………………………………… [1] 120. oldal
Uk = A négyzetes középérték.………..………………………
………………………………………….…………….… ……………………………………………………… [1] 120. oldal
Ueff = 5§. Formatényező (form factor )az.………..……………..
………………………………………….…………….. ………………………………………………………… [1] 120. oldal
kf = A szinuszos jel formatényezője..………………………..
[1] 120. oldal
18
………………………………………….…………….. …………………………………………………………
Csúcstényező (crest factor)..…………………………….
………………………………………….…………….. ………………………………………………………… kcs =
[1] 121. oldal
A szinuszos jel..………………………………………..
………………………………………….…………….. ………………………………………………………… A váltakozó feszültség-mérők jellemzésére………………
………………………………………….…………….. ………………………………………………………… 1) ………………………………………………... 2) ………………………………………………… 3) ………………………………………………… 4) ………………………………………………… 5) …………………………………………………
[1] 121. oldal
19
10.1. Measuring a passive series diode peak value rectifier Measurement No: Measuring person: Neptun code: Place: Measurement site: Date of measurements: Date of evaluation:
……………………………. ……………………………. ……………………………. ……………………………. ……………………………. ……………………………. …………………………….
The aim of the measurement: Determine the voltage range in whitch the passive peak rectifier good for rectifying AC voltages! A mérés elve:
……………………………………………………
A mérés módszere:
……………………………………………..
Object to be measured:
Passive series diode peak value rectifier circuit A C kapacitás a D diódán keresztül a mérendő Ux váltakozó feszültség pozitív csúcsértékére töltődik fel, majd az Ux csökkenésével a dióda lezár. A C kapacitás az R ellenálláson keresztül mindaddig kisül, amíg a következő periódusban az U x növekedése miatt a dióda ismét kinyit, és a folyamat ismétlődik. Az U ki feszültség és az Ux csúcsértéke (Uxp) közötti különbség az egyenirányító kapcsolás hibája. A hibának alapvetően két oka van. Az egyik a diódán eső feszültség (a dióda küszöbfeszültsége), amely a dióda-karakterisztika ismert jellege miatt munkapont függő, a másik ok a kondenzátor feszültségének kisülése. A feszültség csökkenés értéke fordítottam arányos az R, C és az f értékével. R értékeként értelemszerűen az egyenirányító kapcsolásba állandó terhelésként beépített ellenállás és a kapcsolást terhelő mérőműszer belső ellenállása R v párhuzamos eredőjét kell figyelembe venni.
20
……………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… A mérés feltételei, határadatai:
Needed for measurement instruments, equipment selection:
Instrument:
…………………………………………..
Instrument:
…………………………………………..
Instrument:
…………………………………………..
Instrument:
…………………………………………..
The sequence of measurement: Állítson össze egy passzív csúcsérték egyenirányító kapcsolást a 2. sz. mérőpanelen található Dx, C1, R1 (Az „x” tetszőleges számot jelent) alkatrészek felhasználásával! Mielőtt azonban kiválasztaná a panelon található diódák közül azt, amelyet fel fog használni, mindenképpen győződjön meg róla, hogy az alkatrész működőképes.
A dióda vizsgálata:
Kapcsolja be a HM8012 digitális multimétert, és kapcsolja „dióda teszt” üzemmódba. (Ha szükséges használja a mérőasztalnál megtalálható műszerkezelési útmutatót)
A kapcsolás összeállításakor mindig nézze a korábban közölt mérési kapcsolási összeállítást! MEGJEGYZÉS Bekapcsoló gomb Dióda teszt üzemmód
Üzemmód váltó
21
HM8012 „föld” pont
„feszültségmérő” pont D1 dióda jobb oldalán lévő csatlakozó
D1 Dióda bal oldalán lévő csatlakozó
Kösse össze (mindkét végén banándugóval ellátott kábellel) a digitális multiméter „föld” pontját a Dx dióda jobb oldalán lévő csatlakozóval (Katód). Kösse össze (mindkét végén banándugóval ellátott kábellel) a digitális multiméter feszültségmérő pontját a Dx dióda bal oldalán lévő csatlakozóval (Anód). Figyelje a digitális multiméter kijelzőjén megjelenő feszültség értéket, ha ez az érték 500 mV és 800 mV közötti, akkor „biztos lehet benne”, hogy a kiválasztott dióda megfelelő állapotú. A dióda teszt csak és kizárólag feszültségmentesített, áramkörbe be nem kötött diódán végezhető el. A teszt után bontsa szét a hálózatot! Alkatrész megnevezése: D… C1
MEGJEGYZÉS A laborban kifüggesztett paraméter lapon megtalálja az összes alkatrész adatát!
R1
Értéke: -----------
Tűrés: -----------
………. ----------………. ……….
Teljesítmény: ---------------------
……….
Kapcsolja be a függvény generátort, (ha szükséges használja a mérőasztalnál megtalálható műszerkezelési útmutatót)
„Offset” kapcsoló Jelalak váltó
Frekvencia állító potenciométer
Amplitúdó állító potenciométer
Osztók
22
Állítson be rajta szinuszos jelalakot, kapcsolja ki az offset-et, állítsa be a maximális amplitúdót (kapcsolja ki mindkét 20 dB-es osztót), állítsa be az 500 Hz-es frekvenciát (ha szükséges a frekvencia sáv váltót is).
Egy BNC-banán vezeték banándugós vég „meleg” pontját csatlakoztassa a 2. sz. mérőpanelen lévő Dx dióda bal oldalán lévő csatlakozóra (Anód), a BNC-s végét hagyja szabadon!
Kösse össze (mindkét végén banándugóval ellátott kábellel) a Dx dióda jobb oldalán lévő csatlakozót (Katód) a C1 kondenzátor bal oldalán található csatlakozóval!
Kösse össze (mindkét végén banándugóval ellátott kábellel) a C1 kondenzátor bal oldalán található csatlakozót (az oda korábban csatlakoztatott banándugó csatlakozóját felhasználva) az R1 ellenállás bal oldalán található
csatlakozójával!
Kösse össze (mindkét végén banándugóval ellátott kábellel) a C1 kondenzátor jobb oldalán található csatlakozót az R1 ellenállás jobb oldalán található csatlakozójával!
A generátorról a Dx dióda bal oldalához csatlakozó kábel még szabadon lévő „hideg” pontját kösse össze az R1 ellenállás jobb oldalán található csatlakozóval!
A
képen látható kimenetére (bajonett záras BNC) csatlakoztassa a korábban felhasznált BNC-banán vezeték BNC csatlakozó fejét!
C1 kondenzátor jobb oldalán lévő csatlakozó
C1 kondenzátor bal oldalán lévő csatlakozó R1 ellenállás jobb oldalán lévő csatlakozó
R1 ellenállás bal oldalán lévő csatlakozó
függvénygenerátor
Függvénygenerátor kimenete
Kapcsolja be az oszcilloszkópot!
kapcsolja kétsugaras üzemmódba, set 5V/DIV on both channel, set the ground of the channels in the midle of the screen (Kapcsolja be mindkét csatornán a GND gombot, és állítsa a két jelet úgy, hogy teljesen fedjék egymást), select DC coupling on both channel, set the timebase to 0,5 ms/DIV because we use 500 Hz signal (so you get aproximetelly 2,5 period)!
23
Csatlakoztasson az oszcilloszkóp CH1-es bemenetére egy BNC-banán vezeték BNC csatlakozó fejét, a vezeték banándugós vég „meleg” pontját csatlakoztassa a 2. sz. mérőpanelen lévő Dx dióda bal oldalán lévő csatlakozóra (korábban már ide csatlakozott a függvénygenerátorról jövő vezeték „meleg” pontjával). A „hideg” pontot pedig csatlakoztassa az
R1 ellenállás jobb oldalára! The oscilloscope’s CH1 channel measuring the Uxp peak value.
Csatlakoztasson az oszcilloszkóp CH2-es bemenetére egy BNC-banán vezeték BNC csatlakozó fejét, a vezeték banándugós vég „meleg” pontját csatlakoztassa a 2. sz. mérőpanelen lévő R1 ellenállás bal oldalán lévő csatlakozóra. A „hideg” pontot, pedig csatlakoztassa az R1 ellenállás jobb oldalára! The oscilloscope’s CH2 channel measuring the Uout DC value. (coupling: DC)
Draw the signal shape form the oscilloscop’s screen! CH1
CH2
Switch the CH2 channel coupling to AC and the sensitivity to 0,2 V/DIV. The oscilloscope’s CH2 channel measuring the Ub value. (coupling: AC)
24
Draw the signal shape form the oscilloscop’s screen! CH1
CH2
Állítsa egyen-feszültség mérő üzemmódba a HM8012es digitális multimétert és kapcsolja be az automatikus méréshatár váltót.
Csatlakoztasson a digitális multiméter föld pontjára egy mindkét végén banándugóval ellátott vezeték-kel, melynek szabad végét kösse az R1 ellenállás jobb oldalához. A multiméter feszültségmérő bementi pontját, pedig kösse össze az R1 ellenállás bal oldalával.
The (DVM2) HM8012 multimeter measuring (in DC mode) the Uout DC value (In theory it is the peak value of the Ux!)
Kapcsolja be és állítsa váltakozó-feszültség mérő üzemmódba a TR1667-B típusú digitális multimétert és kapcsolja 20 Voltos méréshatárba!
Csatlakoztasson a digitális multiméter föld pontjára egy mindkét végén banándugóval ellátott vezetékkel, melynek szabad végét kösse az R1 ellenállás jobb oldalához. A multiméter feszültségmérő bementi pontját, pedig kösse össze az Dx dióda bal oldalával. The (DVM1) TR 1667 digital multimeter measuring (in AC mode) the Ux effective value.
25
Record the data by 500 Hz frequency sinusoid signal. Decrease the amplitude from 10 Vp to 100 mVp. Write the measured values into the table below!
Uxp (CH1) Ux (TR1667 AC) Uout (HM8012 DC) Uout (CH2 DC) Ubp-p (CH2 AC)
Ux (calculated)
Ux (TR1667) Ux (calculated)
Calculation:
26
100 mV
…… …… …… ……
…… …… …… ……
…… …… …… ……
10 V
1V
100 mV
……
……
……
Consider the Ux (TR1667) effective value as true value and the Ux (calculated) value as measured value: calculate each measurement’s systematic error in relative form!
Uxp (CH1)
±h
1V
Let’s calculate the Ux effective value from the measured Uout (HM 8012) DC value. Write the calculated values into the table below! Being peak rectifier do not forget Uout equal the peak value of the Ux
Uxp (CH1)
10 V
10 V
1V
100 mV
…… …… ……
…… …… ……
…… …… ……
Draw the error curve in a function of Ux (TR1667)!
Inspect the circuit frequency dependence! Use Uxp = 10 V amplitude sinusoid signal on 100 Hz, 1 kHz and 10 kHz frequency. Write the measured data into the table below.
27
f
100 Hz
1 kHz
10 kHz
Uout (CH2 DC)
…… ……
…… ……
…… ……
Ub (CH2 AC)
How the frequency affects the measurement error?
………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… Determine the voltage range in whitch the passive peak rectifier good for rectifying AC voltages!
………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… …………………………………………………………
28
…………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… …………………………………………………………… ……………………………………
Notes
29
10.2. Műveleti erősítővel felépített (aktív) csúcsérték egyenirányító mérése A mérés célja: Annak megállapítása, hogy melyik az a feszültségtartományt, amelyen belül az aktív csúcs-egyenirányító kapcsolást váltakozó feszültség mérésére alkalmas. A mérés elve:
……………………………………………………
A mérés módszere:
……………………………………………..
A mérendő objektum:
A 2. sz. mérőpanelen található Műveleti erősítővel felépített (aktív) csúcsérték egyenirányító mérési kapcsolási összeállítás Az aktív egyenirányítós kapcsolás esetén, a diódán eső feszültségből eredő hiba jelentősen csökken, mivel a dióda küszöbfeszültsége a műveleti erősítő nyílthurkú erősítésed részére csökken. Természetesen az U ki feszültség hullámossága itt is hibát okoz.
……………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… A mérés feltételei, határadatai:
A méréshez kiválasztása:
30
szükséges
műszerek,
eszközök
Műszer:
………………………………………………..
Műszer:
………………………………………………..
Műszer:
………………………………………………..
Műszer:
………………………………………………..
A mérés műveleti sorrendje:
A műveleti erősítő működéséhez ±15V-os tápfeszültséget kell kapcsolni a 2. számú mérőpanelre 200mA-es áramkorláttal!
Végezze el a műveleti erősítő ofszetjének nullázását!
A műveleti erősítő + jelű (nem invertáló) bemenetét kösse össze az – alatta található – GND ponttal!
Kapcsolja be a HM8012 digitális multimétert és kapcsolja DC feszültségmérő üzemmódba, majd váltson auto range üzemmódba.
Csatlakoztassa a HM8012 digitális multiméter „föld” pontját az erősítő jobb oldali GND pontjához, a multiméter feszültségmérő pontját, pedig az erősítő jobboldalán található „OUT” pontjához!
Kapcsolja DC ON állásba a tápegységeket! Majd az erősítőhöz tartozó P1 potenciométerrel állítsa be a digitális multiméter által mért Uki = 0V – közelítő – feszültséget! Kapcsolja DC OFF állásba a tápegységeket!
Szüntesse meg az erősítő bal oldalán – bemenetén – található rövidzárat (Az IN és a GND csatlakozók közötti vezeték)
Állítsa be a függvény generátort! (ha szükséges használja a mérőasztalnál megtalálható műszerkezelési útmutatót) állítson be rajta szinuszos jelalakot, kapcsolja ki az offset-et, állítsa be a maximális amplitúdót (kapcsolja ki mindkét -20 dB-es osztót), állítsa be az 500 Hz-es frekvenciát (ha szükséges a frekvencia sáv váltót is használja)!
31
Egy BNC-banán vezeték banándugós vég „meleg” pontját csatlakoztassa a 2. sz. mérőpanelen lévő mérőerősítő bal oldalán lévő „IN” csatlakozóra, a BNC-s végét hagyja szabadon!
A generátorról a mérőerősítő bal oldalához csatlakozó kábel még szabadon lévő „hideg” pontját kösse össze a mérőerősítő bal oldalán található GND csatlakozóval!
Kösse össze (mindkét végén banándugóval ellátott kábellel) a mérőerősítő jobb oldalán lévő „OUT” csatlakozót a C1 kondenzátor bal oldalán található csatlakozóval.
Kösse össze (mindkét végén banándugóval ellátott kábellel) a C1 kondenzátor bal oldalán található csatlakozót (az oda korábban csatlakoztatott banándugó csatlakozóját felhasználva) az R1 ellenállás bal oldalán található csatlakozójával!
Kösse össze (mindkét végén banándugóval ellátott kábellel) a C1 kondenzátor jobb oldalán található csatlakozót az R1 ellenállás jobb oldalán található csatlakozójával!
Kösse össze (mindkét végén banándugóval ellátott kábellel) a C1 kondenzátor jobb oldalán található csatlakozót a mérőerősítő jobb oldalán található „GND” csatlakozójával!
Kapcsolja be a tápegységeket!
A függvénygenerátor kimenetére csatlakoztassa a korábban felhasznált BNC-banán vezeték BNC csatlakozó fejét!
Kapcsolja be az oszcilloszkópot! kapcsolja kétsugaras üzemmódba, tegye kalibrált állásba mindkét csatornát, és kapcsolja 5V/DIV-es érzékenységbe, állítsa mindkét közepére,
32
csatorna
földjét
a
képernyő
mindkét csatornát kapcsolja DC csatolt állásba, az időalapot az 500 Hz-es jelnek megfelelően kalibrált állás mellett állítsa 0,5 mS/DIV értékre (így kb. 2,5 periódus lesz látható a képernyőn)!
Csatlakoztasson az oszcilloszkóp CH1-es bemenetére egy BNC-banán vezeték BNC csatlakozó fejét, a vezeték banándugós vég „meleg” pontját csatlakoztassa a 2. sz. mérőpanelen lévő mérőerősítő bal oldalán lévő „IN” csatlakozóra (korábban már ide csatlakozott a függvénygenerátorról jövő vezeték „meleg” pontja). A „hideg” pontot, pedig csatlakoztassa az alatta lévő „GND” pontra! Az oszcilloszkóp CH1-es csatornájával az Uxp csúcsértékét mérjük!
Csatlakoztasson az oszcilloszkóp CH2-es bemenetére egy BNC-banán vezeték BNC csatlakozó fejét, a vezeték banándugós vég „meleg” pontját csatlakoztassa a 2. sz. mérőpanelen lévő mérőerősítő jobb oldalán lévő „OUT” csatlakozóra. A „hideg” pontot, pedig csatlakoztassa az alatta lévő „GND” pontra! Az oszcilloszkóp CH2-es csatornájával (DC csatoltan) az Uki egyenfeszültséget mérjük!
Rajzolja le az oszcilloszkóp képernyőjén megjelenő jelalakokat! CH1
CH2
33
Kapcsolja át a CH2-es csatornát AC csatoltra és az érzékenységet, pedig állítsa 0,2 V/DIV értékre.
Ebben az esetben az oszcilloszkóp CH2-es csatornájával (AC csatoltan) Ub búgó feszültséget mérjük.
Rajzolja le az oszcilloszkóp képernyőjén megjelenő jelalakokat! CH1
CH2
Állítsa egyen-feszültség mérő üzemmódba a HM8012-es digitális multimétert és kapcsolja be az automatikus méréshatár váltót.
Csatlakoztasson a digitális multiméter föld pontjára egy mindkét végén banándugóval ellátott vezetékkel, melynek szabad végét kösse a 2. sz. mérőpanelen lévő mérőerősítő jobb oldalán lévő „GND” pontra.
A multiméter feszültségmérő bementi pontját, pedig kösse össze a 2. sz. mérőpanelen lévő mérőerősítő jobb oldalán lévő „OUT” csatlakozóval! A digitális multiméterrel (DC üzemmódban) az Uki egyenfeszültséget mérjük (Ez elvben Ux csúcsértéke!)
34
Kapcsolja be és állítsa váltakozó-feszültség mérő üzemmódba a TR1667-B típusú digitális multimétert és kapcsolja 20 Voltos méréshatárba!
Csatlakoztasson a digitális multiméter föld pontjára egy mindkét végén banándugóval ellátott vezetéket, melynek szabad végét kösse a 2. sz. mérőpanelen lévő mérőerősítő bal oldalán lévő „GND” pontra. A multiméter feszültségmérő bementi pontját, pedig kösse össze a 2. sz. mérőpanelen lévő mérőerősítő bal oldalán lévő „IN” csatlakozóval!
A digitális multiméterrel (AC üzemmódban) az Ux effektív értékét mérjük.
A mérési adatok felvétele az Uxp feszültség változtatásával – a függvénygenerátoron az amplitudó csökkentésével történik - (500 Hz frekvencián a 100 mV-10 V feszültségtartományban 3 pontban) 10 V, 1 V, 100 mV végezze el. A mért értékeket az alábbi táblázatba rögzítse!
Uxp (CH1) Ux (TR1667 AC) Uki (HM8012 DC) Uki (CH2 DC) Ubp-p (CH2 AC)
10 V
1V
100 mV
…… …… …… ……
…… …… …… ……
…… …… …… ……
35
Számítsa ki és írja be az alábbi táblázatba a mért Uki értékekből az Ux jel effektív értékét. (HM 8012) Csúcsérték egyenirányítóról lévén szó az Uki az Ux jel csúcsértéke.
Uxp (CH1) Ux (számolt)
1V
100 mV
……
……
……
A digitális multiméterrel mért Ux (TR1667) effektív érték mérési eredményeit helyes értéknek tekintve, az előbb az Uki–ből számolt effektív értéket (Ux (számolt)) pedig mért értéknek tekintve: számítsa ki az egyes mérések rendszeres hibáját relatív formában megadva!
Uxp (CH1) Ux (TR1667) Ux (számolt) ±h
10 V
10 V
1V
100 mV
…… …… ……
…… …… ……
…… …… ……
Mellékszámítás:
36
Ábrázolja a kiszámított hibákat az Ux (TR1667) függvényében!
Vizsgálja meg a kapcsolás frekvencia függését! Legyen az Uxp = 10 V feszültség, 100 Hz, 1 kHz és 10 kHz frekvenciákon rögzítse az alábbi táblázatban kért mérési eredményeket.
f
100 Hz
1 kHz
10 kHz
Uki (CH2 DC)
…… ……
…… ……
…… ……
Ubp-p (CH2 AC)
Hogyan befolyásolja a frekvencia a mérés hibáját?
………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… …………………………………………………………
37
A felvett mérési eredmények alapján állapítsa meg azt a feszültségtartományt, amelyen belül az aktív csúcsegyenirányító kapcsolást váltakozó feszültség mérésére alkalmasnak tartja!
………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… Hasonlítsa össze a passzív és az aktív egyenirányításkor kapott eredményeket!
………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… ………………………………………………………… 38
7. fejezet
8. fejezet
The aim of the measurement: Periodikus jelek harmonikus összetevőinek mérése FFT analízissel, a mérési eredmények és az elmélet alapján számított eredmények összehasonlítása. Torzítási tényező mérése torzításmérővel. Mérőkábelek és feszültségosztók vizsgálata oszcilloszkóppal a frekvencia függvényében. A laboratórium során elvégzendő mérések: 11.1. Periodikus jelek spektrumának kiszámítása 11.2 Szimmetrikus négyszögjel spektrumának mérése 11.3
A függvénygenerátor szinuszos alakú torzításmérése 11.4. A mérővezeték és az oszcilloszkóp bemeneti kapacitásának hatása
jelének
A méréshez szükséges elmélet Az előadáson elhangzottak és a méréstechnika jegyzet váltakozófeszültség mérésről szóló része. Irodalom: [1] Méréstechnika jegyzet (Szerk. Dr. Horváth Elek) [2] Dr. Selmeczi Kálmán, Schnöller Antal: Villamosságtan II. 249-264, 278-284;
39
The knobs and bottoms of the TDS1002 oscilloscope in case of measuring a Fourier-spektrum: 7
6
8
1 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
40
9
(CH1 MENU) (MATH MENU) (HORIZONTAL POSITION) (SEC/DIV) (AUTO SET) (DEFAULT SETUP) (CURSOR) Cursor menu. (SOFT KEYS) (VERTICAL POSITION)
2
3
4
5
11.1. Calculation of the spectrum of the periodic signals: You must make Fourier series to determine the spectrum of the signal. The Fourier series:
u(t) = A0 + (Ak cosk 2f 0t + Bk sink 2f 0t ) k =1
The coefficients can be calculated by the following definite integrals: T
A0 =
1 u(t) dt T 0
T
Ak =
2 u(t)cosk 2f 0t dt T 0
Bk =
2 u(t)sink2f 0t dt T 0
T
In practice, that form of the Fourier series commonly used, which consists only of sine wave components:
u(t) = C0 + Ck sink2f 0t + k k =1
The coefficients can be calculated by the following equations: C 0 =A0 Ck = Ak2 + Bk2
k = arctg
Example for the spectrum of one periodic signal (as you see, this is only amplitude-spectrum there is no phase-spectrum, because our instrument can be measure only amplitude-spectrum!):
Ak Bk
Auxiliary figure for interpretation of the spectrum:
C C1 1
C0
C2 2
0
3
C4 4
0
The square wave signal „puts together” from the sinusoid signals
C3 C5 5
f0
2f0 3f0 4f0 5f0
f
41
Homework before measurement: Let’s calculate the first five harmonic component amplitude and frequency of the 50 % duty cycle square wave with 1 kHz frequency, 1 V peak value, 0 V DC offset! Draw the spectrum of the signal! The homework signal function of time: u(t) Up
t -Up
T Do you know the integrate is the “signed” area under the curve? If you use this formula for u(t), the integrate head can be calculated: T u(t) = U cs ; 0 < t < 2 T
Searched for Fourier series: u t =
4Ucs 4U 4U 4U 4U sin1 2Πf 0t + cs sin3 2Πf 0t + cs sin5 2Πf 0t + cs sin7 2Πf0t + cs sin9 2Πf 0t ... Π 3Π 5Π 7Π 9Π
Let’s calculate and draw the spectrum of the signal with a help of the above equation:
42
11.2. Measurement of the spectrum of the symmetric square wave: Set on the function generator an 50 % duty cycle symmetric (0 V offset) square wave with 1 kHz frequency 1 V peak value!
Switch on the Tektronix TDS 1002 digital oscilloscope! Set the factory default values by pushing the {DEFAULT SETUP} button (6)! Connect the signal from the function generator to the oscilloscope CH 1 channel! Select the CH 1 channel menu by pushing the {CH 1 MENU} button (1). Set the /PROBE/ 1X value by pushing many times the soft key (8) from the top the forth one! Use the {AUTO SET} button (5)! Check the values previously adjusted on the function generator by the displayed values on the bottom part of the screen! If necessary correct the values on the function generator!
CH1
Push the {MATH MENU} button (2)! Select the FFT value in the (OPERATION) function with the first soft key (8). (FFT is the abbreviationa of Fast-Fourier Transformation. It means that the spectrum calculated by a mathematical way)!
The highest measurable frequency of the real time digital oscilloscope is a half of the sampling frequency. This frequency called Nyquist frequency. If measuring one sinusoid frequency which is higher than the Nyquist frequency the signal will by undersampled – it means that frequency will be displayed on lower frequency (exactly the original frequency will be mirrored to the Nyquest frequency) so called aliases will be displayed. The oscilloscope’s FFT function transforms the time base mode wave form middle 2048 points into FFT spectrum. The result is 1024 points spectrum, which is contain frequency components from 0 Hz (DC) to the Nyquist frequency.
43
The information on the oscilloscope’s screen: 1. The frequency in the middle line. 2. Vertical scale in dB/division (0 dB = 1 VRMS). 3. Horizontal scale in frequency/division. 4. Sampling quantity / second (sampling frequency). 5. The FFT window type.
Set 2,5 kHz horizontal scale with {SEC/DIV} button (4). Inspect the effect of the {SEC/DIV} button! Do you meet with the aliasing with any kind of setting? Ezt arról lehet felismerni, hogy a spektrum-ábra kezd korábbi alakjához képest alapvetően megváltozni! A Nyquist frekvenciánál nagyobb frekvenciájú komponensek tengelyes tükrözéssel visszatükröződnek. In order not to interfere with the screen noise and aliasing phenomenon shift the signal down by the {VERTICAL POSITION} button (9) until you see only the effective part of the signal. After it increase the sensitivity by {VOLTS/DIV} until get well measurable figure!
44
Inspect the effect of the (WINDOW) function (8)! Draw the different wave forms!
45
Inspect the effect of the (FFT ZOOM) function (8)! You can select the different part of the signal by the {HORISONTAL POSITION} button (3). Draw the different wave forms! By default the oscilloscope displaying the FFT spectrum compressed into 250 points, by the ZOOM function can be zoom into 1024 points.
Measure the signal components frequency by cursor! Push the {CURSOR} button (7)! Select (MATH) as (SOURCE) by second soft key (8)! Select (FREQUENCY) by the first soft key! You can adjust the cursor 1 with the vertical {POSITION} knob of the CH 1 (9), and the cursor 2 with the vertical {POSITION} knob of the CH 2. Measure the f0 base harmonic and the first 5 harmonic frequencies with the help of the Cursor 1! f1=f0 Frequency
46
f3
f5
f7
f9
f11
Measure the amplitude of the components by cursor! Select the (MAGNITUDE) by the 1. soft key (8)! Measure the amplitude of the base harmonic and the first 5 harmonic with the help of the Cursor 1! The magnitude is displayed in dB. Here the 0 dB level equal to 1 V effective value. Calculation example: -1.39 dB = 20lg(Ueff / 1 Veff)
so
1,39dB U eff = 10 20 1Veff 0,85V
-1.39 dB: measured by cursor Ueff: the specific frequency Fourier component size specified in effective value U1=U0
U3
U5
U7
U9
U11
dB Ueff Compare the measured value with the calculated value in the home work! Attention! In the home work the calculated value was peak value. As you can see in the previous equation the measured value get in effective value.
47
11.3. Measuring the distortion of the sinusoid signal of the function generator:
The measured distortion: K=
U 22 +U 32 ++U n2 U 12 +U 22 +U 32 ++U n2
U1: amplitude of the base harmonic U2···Un: amplitude of the harmonics The denominator is the whole signal, if you set it to one, after it filter out the base harmonic the remaining is the harmonic signals so it is a distortion itself. Use the users guide of the HM8027 distortion meter for recognize the usage of it. Set sinusoid signal on a function generator with 100 Hz, 1 kHz and 10 kHz frequency set the amplitude 100 mV and 1 V and measure the distortion! (Check the measurable voltage range of the instrument!) 100 Hz 100 mV 1V
48
1 kHz
10 kHz
11.4. The effect of the measuring wire and the oscilloscope’s input capacitance:
Function generator ●
Oscilloscope
Make a frequency independent 1:10 divider with a help of the R6 (9 MΩ) and C6 (5…20 pF) in the measuring board 2. The lower tag of the divider will be the oscilloscope’s 1 MΩ ¦¦ 25 pF input impedance. For connection use shielded BNC-BNC cable! Trim the divider with adjusting C6, use square wave signal with 1 kHz frequency and 1 V amplitude. The square wave is the proper signal for adjusting the frequency independent response because the vertical edge is fast change is good for testing the high frequency response and the horizontal part is good for testing the low frequency response.
The next figure shows the shape of the divider output’s signal: a. high frequency enhancer(over compensated, C6 too high) b. high frequency suppressing (under compensated, C6 too low) c. frequency independent (well compensated,
1 MΩ · (25 pF + cable capacitance) = R6 · C6)
49
Measure the divider with 1 V amplitude sinusoid signal from 10 Hz to 1 MHz! Evaluate the measured data!
Frequency 10 Hz Um
100 Hz
1 kHz
10 kHz
100 kHz
1 MHz
Make the same measurement in over and under compensated case to!
Frequency Um (over) Um (under)
10 Hz
100 Hz
1 kHz
10 kHz
100 kHz
1 MHz
Draw the measured value in lin-log mm sheet! Evaluate the measured data in the three different type of setup.
50
