UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Sverker Johansson Bo Tannfors 1996-05-15 Spänningsmätning av periodiska signaler Laboration E8 ELEKTRO
Laboration E8 Spänningsmätning av periodiska signaler 2 Nyckelord Spänningsmätning, medelvärde, likriktat medelvärde, effektivvärde, formfaktor, crestfaktor, voltage measurement, mean value, rectified mean value, rms-value, form factor, crest factor. Målsättning Denna laboration har som mål att ge dig grundläggande kunskap om mätning av enfasiga periodiska signalers spänning med hjälp av vanliga mätinstrument. Ett viktigt delmål är att du får kunskap om mätinstrumentens praktiska begränsningar. Teori För att du skall kunna hämta in nödvändig teori finns exempelvis följande två alternativ att välja bland: Har du tillgång till ett kompendium med titeln Spänningsmätning så använd det! Läs i din kursbok med ledning av tex nyckelorden och bokens indexregister! Inledning Laborationen består praktiskt av att du med olika mätinstrument - mäter spänningen ( medel-, effektiv- och likriktat medelvärde ) på två periodiska signaler (en sinus- resp. en fyrkantsignal ) med olika likspänningsnivåer. - jämför mätresultaten med teoretiska värden som du räknat fram i förväg. Förteckning över uppgifter: Förberedelser Teoretiska frågor och beräkningar sidan 3 Laborationsuppgift Spänningsmätning av fyra olika signalfall 6
Laboration E8 Spänningsmätning av periodiska signaler 3 Varje uppgift är indelad i två avsnitt: Ett teoretiskt och ett praktiskt avsnitt: Teori: Här finns uppgifter som du gör som förberedelser innan du går till laborationslokalen. Praktik: I denna del utför du mätningar på din verkliga signal från en signalgenerator! Förberedelseuppgifter De förberedelseuppgifter som följer i detta stycke har två syften: - Att underlätta för dig att läsa in respektive teoriavsnitt. - att hjälpa dig att nyttja tiden mer effektivt i laborationslokalen så att du hinner göra laborationen färdig på avsedd tid. För att utföra laborationen behöver du dessförinnan hämta in kunskaper motsvarande uppgift I, II, III, IV, V, VI och VII ( se nedan ). Efter utförd laboration redovisar du endast uppgift VII bland förberedelseuppgifterna ( dessutom tillkommer punkter från praktiska delen som framgår av avsnittet "redovisning" ). Ingen av förberedelse/teoriuppgifterna skall direkt besvaras i den skriftliga redovisningen - De är till för självhjälp och du använder motsvarande fakta som underlag när du arbetar vidare med laborationen. Förberedelseuppgifter för laborationens spänningsmätningar: Anm. uppgifterna kräver inga laborativa moment. I Vad menas med AC- respektive DC-kopplat fall av en spänningsmätning? II För en periodisk signal - hur beräknas spänningens... a) medelvärde ( i bland kallas det DC-värde ) b) likriktade medelvärde c) effektivvärde ( rms-värde ) III En periodisk sinusspänning har amplituden 1 [V], periodtiden T 0 [s] och effektivvärdet beräknas enligt uppgift II till E 0 [V] ( ett numeriskt värde ). Vad händer med a) medelvärde, b) likriktat medelvärde och c) effektivvärde då sinussignalens frekvens sänks med faktorn 10 ggr ( periodtiden blir 10 ggr större, amplituden är oförändrad )? Vilken slutsats drar du om periodtidens betydelse för medel- och effektivvärden?
Laboration E8 Spänningsmätning av periodiska signaler 4 IV Vad är en form- respektive en crestfaktor? Om du vet signalens likriktade medelvärdet - vad finns det för samband som beskriver signalens effektivvärde? V Vad menas med att ett instrument visar sant effektivvärde ( true rms )? Hur många mätningar behöver man normalt göra för att mäta effektivvärdet med ett instrument märkt med true rms? VI Antag att du vet en viss periodisk signals medelvärde ( = A [V]). Du vet även signalens effektivvärde mätt i AC-fall ( = B [V] ). Vilket är signalens ( hela ) effektivvärde? Anm: Effektivvärdet skall vara i överensstämmelse med det samband du angav i uppgift II c. VII Gör uppgift 1.1 ( se nästa sida )! Material Du behöver: En signalgenerator, ett oscilloskop varav del av tiden ett digitalt oscilloskop samt vanliga mätinstrument för spänningsmätning.
Laboration E8 Spänningsmätning av periodiska signaler 5 Utförande Förutsättningar för laborationsuppgift: Du skall studera fyra olika fall med spänningar enligt följande diagram: Spänning [V] 2 FALL 1A 1 FALL 1B 1 0 0-1 -1-2 -2 0 0.5 1-3 0 0.5 1 Spänning [V] 6 FALL 2A 4 FALL 2B 4 2 2 0 0 0 0.5 1 1.5 TID [ms] -2 0 0.5 1 1.5 TID [ms] DIAGRAM: Periodiska spänningar ( fall 2 visar mer än en periodtid som är 1.0 ms i samtliga fall ). Teoretisk del: 1.1 Beräkna i de fyra olika fallen enligt diagrammet respektive signals teoretiska - medelvärde - likriktat medelvärde ( endast i AC-fall ) - effektivvärde ( både i AC-kopplat fall och i DC-kopplat fall, där det senare betecknar hela signalens effektivvärde med både ACoch DC-del inräknad ) - formfaktor ( endast AC-fall ) - crestfaktor ( endast AC-fall ) Redovisa dina beräkningar i ett formulär ( se sista sidan )!
Laboration E8 Spänningsmätning av periodiska signaler 6 Praktisk del: 1.2 Koppla upp en signalgenerator och skapa i tur och ordning spänningarna enligt diagrammets fyra olika fall! Mät praktiskt samma storheter som du redan beräknat ( medel-, likriktat medel- och effektivvärde enl. uppgift 1.1 )! Gör de praktiska mätningarna med tre olika instrument: - med en standard multimeter - med ett instrument som lovar att visa sant effektivvärde - med ett digitalt oscilloskop Redovisa de praktiska mätresultaten i samma formulär som du använde tidigare! 1.3 a) Testa valfritt instrument med valfri signal ( ett av de fyra fallen ) genom att endast ändra frekvensen en faktor 10 respektive 100 ggr både uppåt och nedåt! Vad visar instrumentet för medel- resp. effektivvärden? b) Mät och redovisa grafiskt standard-multimeterns frekvensberoende! Y-axeln skall visa en fast sinusspännings effektivvärde [V] och x-axeln skall visa frekvensen inom lämpligt intervall [Hz] ( tex inom det intervall där instrumentet visar ett relativt fel på högst +-10 % ). Kommentera! 1.4 Jämför praktik och teori! Kommentera och dra slutsatser! Redovisning Du redovisar laborationen enligt: Alternativ 1: Alternativ 2: Redovisa enligt kursansvarig lärares anvisningar (gäller i första hand). Redovisa skriftligt endast följande: dina beräknade resultat enligt bifogat formulär dina uppmätta resultat enligt formuläret din jämförelse mellan det teoretiska och det praktiska resultatet där du även har kommentarer och slutsatser. Du tar här även med slutsatser från mätning med olika signalfrekvenser ( uppgift 1.3). Anm. Direkta frågor från teoridelen skall ej redovisas! Plocka loss och lämna in de efterföljande formulärbladen när du redovisar laborationen! Jämförelse-uppgiften redovisar du på separat blad!
REDOVISNING AV LABORATION E8 SPÄNNINGSMÄTNING AV PERIODISKA SIGNALER Personalia: Namn: Program/Kurs: Datum: Återlämnad (ej godkänd): Rättningsdatum Kommentarer Godkänd: Rättningsdatum Signatur Kommentarer
Formulär för laboration E8 - Spänningsmätning av periodiska signaler MEDELVÄRDEN: UDC [Volt] Beräknat enl. teori Standard multimeter Instrument "true.." Dig. oscilloskop Fall 1A Fall 1B Fall 2A Fall 2B EFFEKTIVVÄRDEN: URMS [Volt] Beräknat AC-fall Beräknat hela signalen: AC+DC Standard multimeter Instrument "true rms" Dig. osc. "AC-mode" Dig. osc. "DC-mode" Fall 1A Fall 1B Fall 2A Fall 2B BERÄKNADE LIKRIKTADE MEDELVÄRDEN: UMM [Volt] Beräknat Endast AC-fall Fall 1A Fall 1B Fall 2A Fall 2B BERÄKNAD FORM- RESPEKTIVE CRESTFAKTOR: Beräknad formfaktor AC-fall Beräknad crestfaktor AC-fall Fall 1A Fall 1B Fall 2A Fall 2B