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 (יש ללחוץ על כפתור Ω).

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

הערות:

  • בקצר רצוי לעבוד עם הטווח (Range) הכי נמוך של 100Ω כדי לקבל את המדידה הכי מדוייקת, אמורה לצאת התנגדות מאוד נמוכה של החוטים והרכיבים הפנימיים בלבד, בסדר גודל של מיליאוהמים (0.01 אוהם).
  • בנתק רצוי לעבוד עם הטווח (Range) המירבי של 100MΩ אך עדיין זה לא יעזור כיוון שכאשר החוטים מנותקים - הרמ"ס מנסה למדוד את ההתנגדות של האוויר שהיא הרבה יותר גבוהה ולכן הוא יראה OL שזה קיצור של Over Load או "עומס יתר", שזה מציין שהעומס (הנגד) גבוה מדי בכדי שהמכשיר יוכל למדוד אותו.
  • ניתן ללחוץ על הכפתור הכחול Shift ולאחר מכן על הכפתור האפור העליון של הטווח (שרשום מעליו Auto בכחול) כדי שהטווח של הרמ"ס ישתנה בצורה אוטומטית.

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.

נא לא להחזיק את הערכה מאיור 1 באוויר כיוון שהיד עלולה ללחוץ על הרכיבים בחלק האחורי והם עלולים להישבר!

התנגדות רצויה התנגדות מצויה
ערכה עם 470Ω

כפי שרואים באיור 1

דקאדה עם 0Ω
דקאדה עם 100Ω

הערות:

  • זה בסדר אם הדקאדה תראה 3-4Ω כאשר היא מכוונת על אפס - זוהי הסטייה של הדקאדה והיא תהיה פחות מורגשת בהתנגדויות גבוהות.

3.1.3 התנגדות הסקופ

נא להפעיל את המשקף תנודות ולמדוד את התנגדות הכניסה של שני הערוצים שלו ע"י חיבור ישיר של הרמ"ס אליהן.

ערוץ X ערוץ Y
   

הערות:

  • לשים לב מה כתוב מצד ימין של הכניסות האנלוגיות של הסקופ.

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
     
SignHere.png


3.2 שימוש בספק כוח מיוצב

איור 2: ספק כוח מיוצב

בסעיף זה נלמד להשתמש בספק כוח מיוצב:

  • נא לחבר את הנגד (של 470Ω) מהערכה אשר באיור 1 אל ערוץ 2 של ספק הכוח המיוצב.
  • לכוון את מתח המוצא של ערוץ 2 לאפס וולט.
  • להגביל את זרם המוצא ל-50mA, כלומר ל-0.05A
  • למלא את הטבלה מטה.
  • לקחת לפחות 3 תמונות מהמכשיר (באמצעות הכנסת כונן-אצבע ולחיצה על כפתור Meter View למשך 3 שניות).
מדידות בספק כוח מיוצב
מתח רצוי [V] מתח מצוי [V] זרם [mA]
0
5
15
20
*25
*30
איור 3: הגדרה דיגיטלית של חיבור שני ספקים בטור להגדלת המתח מוצא המירבי

הערות:

  • לשים לב שכאשר המתח גדול או שווה ל-25V מגיעים למגבלת הזרם המירבית של 50mA ולכן המתח יורד בהתאם (לערך של 50mA·R), כלומר הספק-מתח הפך לספק-זרם בעל זרם מוצא קבוע.
  • נא לשים לב שכדי לעבור את המתח של 25V יש לחבר שני ספקים בטור (בצורה דיגיטלית) כפי שרואים באיור 3:
    1. לוחצים על Output Settings
    2. לוחצים על Operation Mode
    3. ובוחרים באפשרות Mode Series
  • לשים לב! אם ב-30V הזרם נמוך מ-50mA, כנראה שהנגד חובר רק אל ערוץ 2 ולכן מקבל 15V במקום 30V, כלומר יש לשנות את החיבור של הנגד אל הספק המשולב כפי שרואים באיור 3:
    1. הפלוס של הנגד אל הפלוס של ערוץ 2.
    2. המינוס של הנגד אל המינוס של ערוץ 3.
  • אסור לעבור את ה-30V כיוון שהנגדים בערכה אלו נגדים של 2W ולכן לפי החישוב V^2/R מגיעים בדיוק לערך גבולי זה (במידה ולא קיימת מגבלת זרם).
SignHere.png


3.2.1 תוצאות לדוגמא של הספק כוח מיוצב

ניתן ללחוץ על הכפתור בצד שמאל כדי לראות תוצאות לדוגמא של מדידה זו.

איור 4: מדידה ב-0V של נגד 470Ω
איור 5: מדידה ב-5V של נגד 470Ω
איור 6: מדידה ב-10V של נגד 470Ω
איור 7: מדידה ב-15V של נגד 470Ω
איור 8: מדידה ב-20V של נגד 470Ω
איור 9: מדידה ב-25V של נגד 470Ω
איור 10: מדידה לא נכונה ב-30V של נגד 470Ω, כיוון שהנגד מחובר ישירות לערוץ 2 ולא לספק המשולב, ולכן מקבלים זרם השווה ערך לחיבור של 15V - כלומר רק חצי מהזרם הרצוי
איור 11: מדידה כן נכונה ב-30V של נגד 470Ω, כיוון שהנגד מחובר הפעם לספק המשולב, כלומר הפלוס לפלוס של ערוץ 2 והמינוס למינוס של ערוץ 3


3.3 הצגת אות על מסך המשקף תנודות

הערות:

3.3.1 אות סינוסי

איור 12: גל סינוס עם היסט של 3V
איור 13: 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 12 בעל המאפיינים הבאים:

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

אמור להתקבל גרף כפי המופיע באיור 13. רצוי להוסיף את ארבעת המדידות כפי שרואים באיור 13 (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 13 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

הערות:

  • 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]
  • הערך הממוצע אמור להיות זהה להיסט של הגל (כיוון שהממוצע של הסינוס עצמו הוא אפס) ולכן אמור לצאת בערך 3V.
  • הערך האפקטיבי (ללא DC) אמור להיות ערך אפקטיבי של גל עם משרעת של 1V כלומר 1 חלקי שורש 2 שזה בערך 0.7 וולט.
  • הערך האפקטיבי עם DC אמור להיות קצת גבוה יותר מהערך הממוצע (כיוון שערך ה-AC זניח).
SignHere.png



3.3.2 אות ריבועי

איור 14: גל ריבועי בעל מחזור-פעילות (בלועזית דיוטי סייקל) של 20%
איור 15: 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 14 בעל המאפיינים הבאים:

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

אמור להתקבל גרף כפי המופיע באיור 15. רצוי להוסיף את ארבעת המדידות כפי שרואים באיור 15 (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

הערות:

  • ברמ"ס נא לעבוד עם טווח של 10V ולא טווח של 1V כדי שהוא יראה את הערכים הנכונים (0.4V למשל במקום 0.369V).
  • 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]
  • במשקף תנודות יש להשתמש בסקאלה המירבית של ערוץ y כדי שיימדדו ערכים כמה שיותר מדוייקים וקרובים לערכים התיאורטיים.
  • כפי שראינו בשאלות לדוגמא, הערכים שאמורים לצאת:
    1. מתח ממוצע (DC) של 0.4V
    2. מתח יעיל (AC או RMS) של 0.8V
    3. מתח יעיל עם היסט (DCRMS) של 0.894V


להציג את התוצאות למדריך לפני המעבר לשלב הבא.

SignHere.png


3.4 מחולל אותות ומשקף תנודות

3.4.1 בדיקת תגובה לתדר

  1. נא להפעיל את המחולל אותות כך שיספק אות סינוסי בתדר ובמשרעת כלשהם.
  2. בידקו את תלות השתנות האמפליטודה בשינוי התדר:
    • עובדים באופן ידני! אין לעבוד עם סריקת-תדרים כאן.
    • הקפידו לבדוק מ 100Hz עד 5MHz בעזרת המשקף תנודות, ובעזרת DMM (ב-10 קפיצות), רצוי לשרשר את כל המכשירים יחד כדי לקבל מדידות בו-זמנית.
    • נא למלא את הטבלה.
  3. השוו בין התוצאות, והסבירו למדריך.
  4. נא לשמור לפחות 3 תמונות 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

3.4.2 התנגדות פנימית של המחולל

איור 16: מערך למדידת התנגדות פנימית של מחולל

נא לחבר את המעגל המתואר באיור 16:

  • התנגדות Rs היא ההתנגדות של המקור (s מלשון Supply או מלשון Source) אשר אמורה להיות 50Ω כפי שרשום ליד המוצא של המכשיר.
  • התנגדות RLOAD היא דקאדה המחוברת אל המחולל.
  • לוודא שעובדים במצב High-Z ולא במצב של 50Ω
  • נא "לשחק" עם הדקאדה עד שמחצית המתח היוצא מן המחולל תיפול על הדקאדה.
  • ברגע שמתח המוצא על הדקאדה הוא חצי מהמתח של המחולל זה אומר שהתנגדות המקור (Rs) שווה להתנגדות העומס (RLOAD) ולכן הדקאדה מורה על הערך של ההתנגדות הפנימית.
  • למידע מפורט יותר ניתן לפנות לסעיף 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

3.4.3 זמן מחזור

איור 17: 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 17 כאשר הפעם שינינו את מדידת התדר למדידת זמן-מחזור (Period).

נא לשמור את התמונה מהסקופ.

ערך
זמן מחזור במחולל
תדר במחולל
זמן מחזור בסקופ

3.4.4 סינכרון אותות

איור 18: 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 18 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 18:
    • 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 17:
    • 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.

3.4.5 סינכרון אות רועש

איור 19: גל-סינוסי רועש ולא מיוצב
איור 20: 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 19.
  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 20. הסבירו למדריך את תפקוד הכפתור.

נא לשמור את התמונות מהמשקף תנודות.

SignHere.png


3.5 מסנן מעביר גבוהים

איור 21: מעגל מסנן מעביר-גבוהים הלקוח משאלות ההכנה
  1. הרכיבו מעגל מסנן מעביר גבוהים בעל תדר ברך של 1ms, כפי שרואים באיור 21 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:

SignHere.png


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?