Pracownia elektroniczna

Na stronie Pracowni Elektronicznej znajdują się:

• opisy ćwiczeń,
• pierwsza strona sprawozdania,
• regulamin odbywania zajęć,
• regulamin BHP,

które obowiązują wszystkich uczestników zajęć. Niniejsza strona zawiera dodatkowe informacje dla uczestników moich grup laboratoryjnych.

Analiza i prezentacja danych

Literatura

Wykresy oraz analizę niepewności sporządzamy zgodnie z podręcznikiem podanym w spisie literatury każdego ćwiczenia:

• [PMOP] A. Bielski, R. Ciuryło, “Podstawy metod opracowania pomiarów”, Wydawnictwo Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, 2001.

który jest dostępny w Bibliotece Instytutu Fizyki oraz jako zasób online, albo:

• [WSTP] J. R. Taylor, “Wstęp do analizy błędu pomiarowego”, Wydawnictwo Naukowe PWN, 1999.

Wyznaczanie wartości i niepewności metodą graficzną

Rozdział 8.4.1. podręcznika [PMOP].

Zaokrąglanie wartości i błędów

Dla uproszczenia zapisu wartości z błędami, można stosować zasadę:

• jeśli pierwsza cyfra znacząca błędu należy do zakresu 3-9, to podajemy błąd tylko z jedną cyfrą znaczącą,
• jeśli pierwsza cyfra znacząca błędu należy do zakresu 1-2, to podajemy błąd z dwoma cyframi znaczącymi.

Należy odnotować stosowanie tej zasady w sprawozdaniu.

Oprogramowanie

Polecane oprogramowanie komputerowe:

• LabPlot
• Python + Numpy + Scipy + Matplotlib, np. Google Colab
• Matlab
• …
• Excel

Wykresy

Dokument WYKRESY przedstawia te same dane przedstawione na 3 różnych wykresach. Raporty z wykresami przypominającymi ZŁY WYKRES będą zwracane. Dobry wykres:

1. jasno określa wielkości między którymi przedstawia relację,
2. pozwala na możliwie dokładne odczytanie wartości z wykresu.

Na Pracowni bardzo często należy odczytać wartości z wykresu, więc nie można lekceważyć punktu drugiego. To oznacza że:

• kresy główne rysujemy na tyle gęsto żeby etykiety nie były zbyt blisko siebie,
• prawie zawsze rysujemy również kresy pośrednie,
• prawie zawsze rysujemy siatkę główną i siatkę pośrednią.

W przedstawionym przykładzie narysowano gęstą podziałkę w osi pionowej, dzięki czemu można odczytać wartości z dużą dokładnością. W osi poziomej ograniczono się do odstępu co 1 V. Co taki odstęp wykonywano pomiary, więc nie było sensu gęściej rysować kresów. Jako symbole zastosowano niewypełnione okręgi, bo obok krzyżyków najłatwiej określić ich położenie na siatce.

Histogramy - ZADANIE 8

Histogramy przyporządkowują pomiary do przedziałów wartości i podają ilość zliczeń w każdym przedziale. Histogram zazwyczaj przyjmuje postać słupkową, ale wykres słupkowy można użyć do wykreślenia dowolnej funkcji. Ponieważ histogram operuje na przedziałach, to powinien bez luk pokrywać cały zakres wartości od wartości minimalnej do wartości maksymalnej i na wykresie powinny być jasno zaznaczone granice przedziałów, a nie np. wartości centralne każdego przedziału. Ponieważ chcemy pokrywać cały zakres bez luk i bez powtórzeń, to stosujemy przedziały półotwarte [x_min, x_max), za wyjątkiem ostatniego przedziału, który jest przedziałem zamkniętym.

Dokumenty dobre histogramy oraz złe histogramy przedstawiają przykłady dobrych i złych wykresów pomiarów stabilności generatorów z Zestawu 8.

Generator Meissnera

Histogram zawiera wszystkie niezbędne informacje, lecz jest mało przejrzysty, gdyż pierwsze 4 cyfry częstotliwości każdego przedziału się powtarzają.

W dobrym przykładzie wykreślono wartości na osi X względem częstotliwości 164 600 Hz, co pozwoliło umieszczać tylko 2 cyfry do oznaczenia każdego przedziału.

Dobrym alternatywnym wyborem byłoby wykreślanie częstości względem częstości średniej, co by obrazowało rozrzut pomiarów.

Generator RC

Niepotrzebnie podzielono zliczenia na 4 przedziały, z których 2 są puste. Wynika to z tego, że szerokość każdego przedziału to 0,5 Hz, podczas gdy precyzja pomiaru to 1 Hz. Nie było zatem możliwe żeby jakikolwiek pomiar został przypisany do np. przedziału [1936,5; 1937,0) Hz.

Dla czytelnika nie znającego szczegółów pomiarów ten wykres jest mylący, bo sugeruje że oscylator przeskakiwał między dyskretnymi częstościami i pomijał częstości pośrednie. Porównaj to z luką w pomiarach częstości Generatora Meissnera, który faktycznie przeskakiwał pomiędzy trzema zakresami częstości.

Zakres częstości jest niepotrzebnie szeroki. Skoro odczytane częstości przyjmowały tylko wartości 1936 lub 1937 Hz, to nie ma sensu rysować wykresu od 1935 do 1939 Hz.

Generator z mostkiem Wiena

Jeszcze gorszy wariant błędów dokonanych w poprzednim wykresie - zbyt szeroki zakres i źle dobrane szerokości przedziałów. Szerokości przedziałów nie dość, że są mniejsze niż precyzja pomiaru, to dodatku nie są jej podwielokrotnością, tylko wynoszą 0,6 Hz. Bardzo utrudniony odczyt danych.

Sprawozdanie

Sprawozdanie składa się z:

• strony tytułowej, zgodnie z oficjalnym wzorem,
• wstępu - schemat układu, badane zjawisko, hipoteza, cel ćwiczenia,
• opisu przebiegu ćwiczenia - opis słowny wykonywanych czynności, tabele z pomiarami, zrzuty ekranu, wykresy, obliczenia wielkości pośrednich oraz niepewności,
• wniosków - wyjaśnienie wyników pomiarów zgodnie z instrukcją, wyjaśnienie ewentualnych niezgodności ze spodziewanymi wynikami (uwzględniając niepewności!).

Nie ma potrzeby pisać obszernego wstępu teoretycznego, ale sprawozdanie musi tworzyć spójną całość, bez konieczności odwoływania się do instrukcji ćwiczenia.

Składając poprawę sprawozdania drukujemy nową stronę tytułową. Całe poprawione sprawozdanie składamy razem ze starym sprawozdaniem, na którym prowadzący zaznaczył elementy do poprawy.

Uwagi ogólne

• Nie zmieniać napięcia na zasilaczach laboratoryjnych bez konsultacji z prowadzącym. Napięcia ustawione na zasilaczach często są wyższe niż napięcia zasilania podane w instrukcji, bo między zasilaczem a układem ćwiczeniowym przechodzą przez stabilizator, który obniża napięcie do pożądanej wartości.

Uwagi do ćwiczeń

Zestaw 0 - Pomiary oscyloskopowe

Większość ćwiczeń wykonywanych na Pracowni polega na doprowadzeniu odpowiedniego sygnału do badanego urządzenia lub układu i zbadanie odpowiedzi układu przy pomocy oscyloskopu. Pierwsze zajęcia uczą obsługi generatora funkcyjnego, oscyloskopu oraz multimetru z pominięciem badanego układu.

Niepewności w pomiarze napięcia oscyloskopem wynikają z niepewności współczynnika tłumienia (attenuator) lub wzmocnienia (amplifier) oraz z niepewności napięcia przesunięcia (DC Offset). Potencjalnym dodatkowym źródłem błędów jest błąd kwantyzacji przetwornika analogowo-cyfrowego, natomiast nie wynikają one z potencjalnego ludzkiego błędu przy odczycie danych z ekranu oscyloskopu. Dokładne wartości liczbowe zarejestrowane przez oscyloskop możemy zapisać do pliku tekstowego i odczytać na komputerze, i one dalej będą obarczone błędem pomiarowym.

Niech błąd wzmocnienia wynosi 2% pełnego zakresu, a błąd przesunięcia 10% działki¹, wtedy całkowity błąd przy ustawieniu 1 V/div wyniesie:

• (8⨯1 V)⨯0.02 + 0.1⨯1 V = 0.16 V + 0.1 V = 0.26 V

Oscyloskopy używane podczas zajęć wykorzystują przetworniki 8-bitowe, czyli rzutują cały zakres napięć na 256 dyskretnych wartości (błąd systematyczny 1/(2⨯256)≅0.2%). Dla ustawienia 1 V/div, odpowiada to skokowi o 0.03125 V, czyli wartości pomijalnej w stosunku do błędu wzmacniacza i przesunięcia.

Kręcąc gałkami oscyloskopu dopasowujemy napięcie przesunięcia oraz wzmocnienie, tak aby sygnał mieścił się w zakresie (-V, +V) przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC).

Zapisywanie danych do pamięci zewnętrznej

Poruszamy się po menu pokrętłem Intensity, akceptujemy przyciskając pokrętło. Menu jest nieaktywne przed podłączeniem pamięci zewnętrznej.

1. Przycisk Storage.
2. Przycisk pod Menu → Picture lub CSV.

• Picture

  1. Pic Type → PNG.
  2. Para. Save → ON.
  3. Inverted → ON.
  4. Save → D: → New file → OK.

• CSV

  1. DataDepth → Displayed (tylko widoczne dane)/Maximum (wszystkie zarejestrowane).
  2. Channel → Upewnić się, że zaznaczono pożądany kanał.
  3. ParaSave → ON.
  4. Save → New File → OK.

Sygnał TTL/CMOS

Generatory funkcyjne używane na zajęciach często nie posiadają wyjścia TTL/CMOS. Zamiast tego należy ustawić sygnał prostokątny o odpowiednich parametrach.

Omawiane zagadnienia

1. Generator funkcyjny.
2. Schemat blokowy oscyloskopu.
3. Oś pionowa i oś pozioma.
4. Duża działka i mała działka.
5. Precyzyjne ustawianie działki.
6. Wyzwalanie sygnału - częstotliwość odświeżania ekranu, wyzwalanie na wejściu EXT, co robić gdy sygnał jest zaszumiony.
7. Zapisywanie danych na pamięć przenośną.
8. Używanie kursorów.
9. Sprzężenie AC i DC.
10. Niepewności w pomiarach oscyloskopowych.

Filmy instruktażowe

Dla utrwalenia lub pogłębienia umiejętności wykonywania pomiarów oscyloskopem polecam poniższe filmy:

• Metrologia - Oscyloskop - podstawy - obsługa
• AGH - Metrologia - Ćw. 3: Oscyloskop
• AGH - Metrologia - Ćw. 8: Oscyloskop - zaawansowany #1 (Kompensacja, pomiar fazy, krzywe Lissajou)
• Metrologia - Oscyloskop vs. multimetr - pomiar parametrów sygnałów
• Metrologia: Reflektometria, pomiar długości kabla i lokalizacja uszkodzenia. Piotr Burnos

Zestaw 2 - Tranzystor bipolarny i jego układy pracy

• Przy pomiarach w układzie wspólnego kolektora (WK) ustawić napięcie 400 mV zamiast 40 mV.
• Wyzwalać oscyloskop używając wejścia Ext na oscyloskopie i wyjścia Sync generatora funkcyjnego. Badany układ sprzęga szum do sygnału wejściowego, co uniemożliwia powtarzalne wyzwalanie na tym sygnale.
• Zwrócić uwagę, że kolejność kolumn w Tabeli 1. nie zgadza się z kolejnością w Tabelach 2. i 3.

Zestaw 4 - Wzmacniacz tranzystorowy małej częstotliwości

• W punkcie 3. wykonać również pomiary dla częstotliwości f=10 MHz.
• Tabela 1 z wynikami powinna również zawierać błędy pomiaru napięć wyjściowych. Wartości oraz ich niepewności podać odpowiednio zaokrąglone.

  f [kHz]	0,02	0,1	…	3160,0	10000,0
  U_wy [V]
  ΔU_wy [V]
  k_U
  Δk_U

Zestaw 9 - Porównanie metod stabilizacji napięcia

Pomiary w tym ćwiczeniu można wykonać bardzo szybko. Niepewność wyznaczonej stabilności napięcia w zależności od prądu obciążenia jest zdominowana przez tolerancję oporników wynoszącą 10%. Osoba zainteresowana dokładniejszych sprawdzeniem stabilności badanych układów stabilizacji napięcia może drastycznie zredukować tę niepewność mierząc faktyczne wartości oporników, używając multimetru cyfrowego DM3051 (używanego w ćwiczeniu) ustawionego w tryb pomiaru oporu.