מהלך ניסוי הכרת מכשירי מדידה חלק א

מתוך מעבדת מבוא בחשמל
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

1 כללי

מכשירי מדידה של זרמים ומתחים וכן מקורות של אותות חשמליים הינם כלי עבודה בסיסיים של כל מהנדס חשמל ואלקטרוניקה. בכל מערך מדידה מהווים מכשירי המדידה עצמם חלק חשוב מהמערך. מכשירי המדידה עלולים לגרום לאי דיוקים, או לעיוותים במדידה. לפיכך יש להכיר היטב את הנתונים ומתכונות של כל מכשיר מדידה לפני שניגשים לביצוע המדידה, ולהתחשב בהם בעת שמסיקים את המסקנות או מעבדים את תוצאות המדידה. לפני שהסטודנט מתחיל בביצוע הניסיונות עליו להכיר היטב את מכשירי המדידה הבסיסיים.

1.1 מטרת הניסוי

  • הכרת ציוד ומכשור בסיסיים המשמשים במעבדת חשמל או אלקטרוניקה.
  • בתום המעבדה חייב הסטודנט להכיר תכונות, אופיינים ואופן פעולה של המכשירים המצויינים להלן:

2 ציוד לניסוי

3 מהלך הניסוי

3.1 הכרת רב-מודד ספרתי (DMM)

3.1.1 מדידת קצר

נא להפעיל את הרמ"ס למדידת התנגדות.

  1. קצרו את הדקי המדידה ורשמו את הערך המדוייק.
  2. נתקו את הדקי המדידה ורשמו את הערך המדוייק.
התנגדות בעת קצר התנגדות בעת נתק
   

3.1.2 מדידת נגד

איור 1: ערכה בה נבדוק את הנגד

נא למדוד התנגדותו של נגד נתון ולהשוות את הקריאה המתקבלת לערך הנגד הנתון.

התנגדות רצויה התנגדות מצויה
ערכה עם 470Ω

כפי שרואים באיור 1

דקאדה עם 0Ω
דקאדה עם 100Ω

3.1.3 התנגדות הסקופ

נא להפעיל את המשקף תנודות ולמדוד את התנגדות הכניסה של שני הערוצים שלו.

ערוץ X ערוץ Y
   

3.1.4 התנגדות הגוף

נא למדוד את התנגדות הגוף בין יד-ימין ליד-שמאל.

בחנו כיצד משתנה ההתנגדות עם הרטבת אזור המגע ושפשוף העור.

התנגדות עם עור יבש התנגדות עם עור רטוב התנגדות לאחר שפשוף
     

3.2 הצגת אות על מסך המשקף תנודות

הערה: למוצא המחולל אותות יש שני מצבים:

נא לבחור באפשרות הראשונה לפני תחילת ביצוע הסעיף ע"י מעבר על הנושא עבודה עם המחולל אותות.

3.2.1 אות סינוסי

איור 2: גל סינוס עם היסט של 3V
איור 3: גל סינוס על הסקופ. בעל מתח ממוצע של 3V ומתח שיא-לשיא של 2 וולט.

נא להציג על מסך המשקף תנודות את האות הסינוסי המופיע באיור 2 בעל המאפיינים הבאים:

  1. VDC = 3 V
  2. VAC = 2 VP-P

אמור להתקבל גרף כפי המופיע באיור 3. רצוי להוסיף את ארבעת המדידות כפי שרואים באיור (ע"י לחיצה על כפתור Meas).

הערה: במידה והאות אינו מיוצב, כלומר הוא "רץ" על המסך, יש לשנות את ה-Trigger Level:

  • הוא צריך להיות בתחום הערכים של האות, כלומר בין 2 ל-4 וולט.
  • באיור 3 רואים שהוא מכוון על 2.5V:
    1. גם רואים קו-אופקי על המסך במיקום 2.5V (אך הוא אמור להיעלם אחרי שנייה).
    2. גם כתוב 2.5V בצד ימין למעלה של המסך.
    3. וגם רואים את האות T (מלשון Trigger) בצד שמאל של מיקום 2.5V


למדוד את הערכים הבאים:

  1. ערך ממוצע (VDC)
  2. ערך אפקטיבי (VRMS)

בעזרת DMM ובעזרת המשקף תנודות ולשמור את התמונות.

מדידות גל-סינוסואידלי
סוג מדידה רב-מודד ספרתי משקף תנודות
ערך ממוצע

VDC

ערך אפקטיבי

VAC RMS

ערך אפקטיבי עם DC

VDC RMS

  • הערה: ברמ"ס לא ניתן למדוד את VDC RMS אך ניתן לחשבו משני הערכים האחרים: [math]V_{DCRMS}=\sqrt{V_{ACRMS}^2+V_{DC}^2}[/math]


3.2.2 אות ריבועי

איור 4: גל ריבועי בעל מחזור-פעילות (בלועזית דיוטי סייקל) של 20%
איור 5: גל ריבועי על הסקופ בעל דיוטי סייקל של 20%, מתחים בין 0 ל-2 וולט ובתדר 1 קילו-הרץ.

נא להציג על מסך המשקף תנודות את הגל-הריבועי המופיע באיור 4 בעל המאפיינים הבאים:

  1. TON = 0.2 ms
  2. TOFF = 0.8 ms
  3. V0 = 2 V

אמור להתקבל גרף כפי המופיע באיור 5. רצוי להוסיף את ארבעת המדידות כפי שרואים באיור (ע"י לחיצה על כפתור Meas).

למדוד את הערכים הבאים:

  1. ערך ממוצע (VDC)
  2. ערך אפקטיבי (VRMS)

בעזרת DMM ובעזרת המשקף תנודות ולשמור את התמונות.

מדידות גל-ריבועי
סוג מדידה רב-מודד ספרתי משקף תנודות
ערך ממוצע

VDC

ערך יעיל

VAC RMS

ערך אפקטיבי עם DC

VDC RMS

  • הערה: ברמ"ס לא ניתן למדוד את VDC RMS אך ניתן לחשבו משני הערכים האחרים: [math]V_{DCRMS}=\sqrt{V_{ACRMS}^2+V_{DC}^2}[/math]


להציג את התוצאות למדריך לפני המעבר לשלב הבא.

3.3 מחולל אותות ומשקף תנודות

3.3.1 בדיקת תגובה לתדר

  1. נא להפעיל את המחולל אותות כך שיספק אות סינוסי בתדר ובמשרעת כלשהם.
  2. בידקו את תלות השתנות האמפליטודה בשינוי התדר, הקפידו לבדוק מ 100Hz עד 5MHz בעזרת המשקף תנודות, ובעזרת DMM (ב-10 קפיצות), נא למלא את הטבלה.
  3. השוו בין התוצאות, והסבירו למדריך.
  4. נא לשמור את התמונות מהמשקף תנודות.
  5. בבית:
    • לעשות שני גרפים לשני המכשירים של תלות המתח בתדר.
    • להסביר למה קיים הבדל במדידות.
תדר [Hz] מתח יעיל (VAC) ברמ"ס [V] מתח יעיל (VAC RMS) בסקופ [V]
100
10K
50K
100K
300K
500K
700K
1M
3M
5M

3.3.2 התנגדות פנימית של המחולל

נא לפעול בהתאם להוראות בסעיף התנגדות פנימית של מחולל משאלות ההכנה של דו"ח מכין 1א'.

מדד ערך [יחידות]
מתח המחולל
מתח הרמ"ס (חצי מהמחולל)
ערך בדקאדה
התנגדות הרשומה ליד מוצא המחולל

3.3.3 זמן מחזור

איור 6: אות סינוס בתדר 10KHz. האות מיוצג ע"י סינכרון חיצוני

נא להציג (כלומר לשמור את התמונות) בעזרת המשקף תנודות והמחולל אותות, אות סינוסי בתדר 10KHz.

לבדוק האם קריאת זמן המחזור בעזרת המשקף תנודות מתאימה לקריאת התדר של המחולל אותות.

אמורים לקבל גרף דומה לאיור 6 כאשר הפעם שינינו את מדידת התדר למדידת זמן-מחזור (Period).

נא לשמור את התמונה מהסקופ.

ערך
זמן מחזור במחולל
תדר במחולל
זמן מחזור בסקופ

3.3.4 סינכרון אותות

איור 7: הצגה של אות סינכרון אשר נעשית אך ורק לשם ההמחשה, בזמן שבמציאות אמורים לחבר את האות הריבועי הירוק (אות הסינכרון) לכניסת ערוץ הסינכרון

נא לסנכרן את האות המוצג על גבי המשקף תנודות בשני אופנים:

  1. סנכרון ערוצי.
  2. סנכרון חיצוני.

אם נחבר את יציאת הסינכרון של המחולל אותות לכניסה של ערוץ 2 במשקף תנודות - נראה את אות-הסינכרון כפי שרואים בצבע ירוק באיור 7 בעל המאפיינים הבאים:

  1. אות ריבועי.
  2. מתחים בין 0 ל-3.3 וולט.
  3. תדר זהה לאות המוצא, או לזמן הסריקה במקרה של סריקת תדרים.

לשים לב לדברים הבאים:

  1. באיור 7:
    • מסומנת בצד ימין למעלה של המסך הספרה 1, כלומר האות מסתנכרן על ערוץ 1.
    • רואים את ערוץ הסינכרון בצבע ירוק (גל ריבועי) כיוון שאות הסינכרון מן המחולל מחובר פיזית לערוץ 2 במשקף.
  2. באיור 6:
    • מסומנת בצד ימין למעלה של המסך האות E, מלשון External, כלומר האות מכוון על סינכרון חיצוני.
    • הפעם לא רואים את ערוץ הסינכרון כיוון שהוא מחובר פיזית לחיבור של ערוץ הסינכרון (ולא לערוץ 1 או ערוץ 2) אשר נמצא בצד האחורי של הסקופ.


הסבירו למדריך את ההבדל ביניהם, ומתי משתמשים בכל אחד מהם, לעזרה ניתן לעיין בפרק מנגנון הסינכרון של משקף-התנודות.

3.3.5 סינכרון אות רועש

איור 8: גל-סינוסי רועש ולא מיוצב
איור 9: גל-סינוסי רועש בעל מתח של 25mVP-P
  1. חברו אות סינוס של 1VRMS למשקף תנודות וסנכרנו.
  2. הקטינו את האות במחולל לערך של 50mV RMS, אמורים לקבל גל רועש ולא מיוצב כפי שרואים באיור 8.
  3. השתמשו בכפתור TRIGGER LEVEL כדי לסנכרן מחדש - הוא אמור לא לפעול עקב המתח הנמוך והרועש, אך במידה והוא כן פועל עדיין יש לנסות את הדברים הבאים:
    • לנסות להמשיך להוריד את המתח מהמחולל עד לערך המינימלי ולראות אם הגל אינו מתייצב.
    • במידה והגל עדיין יציב, כנראה שהמחולל מחובר בכבל BNC-BNC איכותי, לכן ניתן לקחת שני כבלי BNC-בננה ולשרשר ביניהם - כך יווצר יותר רעש בחיבור בין הסקופ והמחולל ונוכל לקבל גל לא יציב למרות שמנגנון ה-Trigger מכוון כמו שצריך.
  4. עכשיו שקיבלנו גל רועש ולא יציב אשר לא ניתן לסנכרן אותו באמצעות מנגנון ה-Trigger, יש לחבר את אות סינכרון המוצא מהמחולל אל כניסת הסנכרון החיצוני של הסקופ אשר נמצאת בחלק האחורי של המכשיר.
  5. השתמשו בכפתור TRIGGER LEVEL כדי לסנכרן מחדש, אמורים לקבל גל מיוצב כפי שרואים באיור 9. הסבירו למדריך את תפקוד הכפתור.

נא לשמור את התמונות מהמשקף תנודות.

3.4 מסנן מעביר גבוהים

איור 10: מעגל מסנן מעביר-גבוהים הלקוח משאלות ההכנה
  1. הרכיבו מעגל מסנן מעביר גבוהים בעל תדר ברך של 1ms, כפי שרואים באיור 10 בהתאם לשאלת תכנון HPF.
  2. השתמשו בתכונת ה-SWEEP למציאת עקום ההיענות של המסנן, לעזרה ניתן לפנות לפרק סריקת תדרים.
  3. שימרו את התמונות והציגו את מערך המדידה ואת התוצאות למדריך.
מאפיין ערך [יחידות]
קבל - C (למדוד ברמ"ס)
נגד* - R (למדוד ברמ"ס)
חישוב תדר הברך התיאורטי

[math]f_C=\frac{1}{2\pi RC}[/math]

זמן סריקה במחולל - T
תדר התחלה במחולל - f0
תדר סופי במחולל - fT
סוג סריקה במחולל ליניארית/לוגריתמית
מיקום בשניות של שורש 2 (cutoff) בסקופ - tC
**חישוב מיקום בתדר של שורש 2 בסקופ - fC

הערות:

4 הערות לדו"ח מסכם

  1. חזרו וקראו את הנחיות כתיבת הדו"ח.
  2. הציגו במסודר את הניסויים שבצעתם, דונו בתוצאות של כל סעיף, הציגו גרפים והסיקו מסקנות.
  3. עירכו בצורה ברורה את התוצאות, את כל הגרפים יש להכין בעזרת מחשב.
  4. מה משמעות תוצאות מדידת התנגדות גופכם?
  5. מה תפקיד מנגנון הסינכרון של המשקף תנודות?