ΗΜΜΥ 203 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων. Τελική Εξέταση Σάββατο 1/12/2006, ΛΑ και

Transcript

1 ΗΜΜΥ 23 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Τελική Εξέταση Σάββατο 1/12/26, ΛΑ και Παρατηρήσεις 1. Η εξέταση θα είναι πρακτική. Θα σας δοθούν άγνωστα προβλήματα τα οποία θα πρέπει να λύσετε. Το πρώτο πρόβλημα θα είναι προσομοίωση σε PSPICE. Φροντίστε να έχετε μαζί σας τον κωδικό για πρόσβαση στους υπολογιστές του Τμήματος. 2. Πρέπει να βρίσκεστε στο χώρο της εξέτασης έγκαιρα. Δεν θα γίνεται κανένας δεκτός (ειδικά στην περίπτωση των ομάδων ) 3 λεπτά μετά την έναρξη της εξέτασης. 3. Δεν θα δοθεί καμιά παράταση. Η εξέταση θα τελειώσει ακριβώς όπως προνοεί το πρόγραμμα. 4. Κανένας δεν θα επιτρέπεται να αποχωρήσει από την αίθουσα πριν από τις 11.3 μμ (για τις ομάδες ) 5. Θα εξετάζεστε στους πάγκους που βρίσκεστε συνήθως. Στους ίδιους πάγκους εξετάζονται και άλλοι γι αυτό φροντίστε να τους αφήσετε σε καλή κατάσταση. 6. Απαγορεύεται αυστηρά η χρήση σημειώσεων, εγχειριδίων, βιβλίων ή οποιουδήποτε άλλου υλικού εκτός από γραφική ύλη, υπολογιστική μηχανή και οργάνων του εργαστηρίου. 7. Απαγορεύεται η συνομιλία κατά την διάρκεια της εξέτασης 8. Απαγορεύεται, επίσης, η ανταλλαγή οποιωνδήποτε υλικών ή συσκευών. Αν νομίζετε ότι θα χρειαστείτε οτιδήποτε (π.χ. υπολογιστική μηχανή, γομολάστιχα, μολύβια κλπ.) πρέπει να έχετε μεριμνήσει να το φέρετε από πριν. Αν υπάρχει πρόβλημα μιλήστε μόνο με τους βοηθούς. 9. Προσοχή! Παράβαση των πιο πάνω κανονισμών σημαίνει αυτόματο μηδενισμό στη εξέταση! Κάνετε τις μετρήσεις σας πολύ προσεκτικά και μην στρογγυλοποιείτε περισσότερο από όσο πρέπει γιατί κάποιες μετρήσεις δεν θα είναι σωστές. Οι μετρήσεις σας πρέπει να έχουν τον σωστό αριθμό δεκαδικών. Όλα τα κυκλώματα μπορούν να υλοποιηθούν με τα στοιχεία που ήδη έχετε! Σημειώσεις: Οι εσωτερικές αντιστάσεις του πολυμέτρου είναι Βολτόμετρο: 1ΜΩ, Αμπερόμετρο: Ω Ορθότητα μετρήσεων παλμογράφου: ± 3% Ορθότητα Ψηφιακού Πολυμέτρου: ±.5% Ορθότητα μετρήσεων από την οθόνη του παλμογράφου: ±.5 μικρή υποδιαίρεση (minor div) 1

2 Άσκηση 1 (PSPICE) 25/1 Ο Γουάλι το Κογιότ προσπαθεί, όπως πάντα, να αιχμαλωτίσει τον road runner Μπιπ-Μπιπ. Ετοιμάζει για αυτό το σκοπό ένα νέο σύστημα το οποίο θα εκπέμπει ένα εκκωφαντικό θόρυβο ο οποίος θα παραλύει το θύμα του. Για να μπορεί να λειτουργήσει με ακρίβεια το σύστημα ελέγχου της συχνότητας χρειάζεται το μια καλά ελεγχόμενη τάση η οποία να μην είναι πέρα από ±6 % της θεωρητικής τιμής. Ο Γουάλι έχει σχεδιάσει το πιο κάτω κύκλωμα για να πάρει την τάση στο Vout. Επειδή όμως είναι ένα φτωχό Κογιότ θέλει να χρησιμοποιήσει τις φτηνότερες δυνατές αντιστάσεις αλλά ταυτόχρονα να είναι σίγουρος ότι όταν κατασκευάσει το κύκλωμα δεν θα είναι πέραν του ±6 % από τη θεωρητική τιμή. Θα ήθελε να χρησιμοποιήσει 3 αντιστάσεις με ανοχή 1% (που στοιχίζουν.5) και 2 αντιστάσεις με ανοχή είτε 5 % (που στοιχίζουν.75) είτε 1 % (που στοιχίζουν 1) είτε και συνδυασμό των δύο. R1 12k R2 33k Out V1 5V V2 15V R5 1k R3 1.2k R4 3.3k 1. Εσείς σε ποιες τρεις από τις πιο πάνω αντιστάσεις θα συμβουλεύατε τον Γουάλι να χρησιμοποιήσει στοιχεία με 1% ανοχή; Δικαιολογήστε την απάντηση σας με τη βοήθεια του PSPICE (1) 2. Τι ανοχή θα πρέπει να χρησιμοποιήσει ο Γουάλι για τις άλλες δύο αντιστάσεις έτσι ώστε το κύκλωμα του να διαθέτει τάση εξόδου η οποία σίγουρα να εμπίπτει μέσα στα όρια που έχει θέσει και ταυτόχρονα να είναι και όσο ποιο φτηνό γίνεται; Πόσο θα στοιχίσουν οι αντιστάσεις στον Γουάλι; Δικαιολογήστε την απάντηση σας με τη βοήθεια του PSPICE (15) Σε κάθε περίπτωση πρέπει να παραδίδονται τα αποτελέσματα, το κύκλωμα, το αρχείο εξόδου της προσομοίωσης και οι γραφικές παραστάσεις αν απαιτούνται. Προσοχή: Σε κάποιους υπολογιστές πιθανών να μην έχουν εγκατασταθεί οι συλλογές. Μπορείτε να προσθέσετε συλλογές (libraries) από τον διάλογο επιλογής στοιχείων πατώντας το κουμπί Add Library και επιλέγοντας όλες τις συλλογές που βρίσκονται στον φάκελο (folder) PSpice. Το ίδιο πρέπει να γίνει και με τις συλλογές από τον διάλογο για την γείωση. 2

3 3

4 Άσκηση 2 (Πειραματική) 3/1 Ο Γουάλι το Κογιότ προσπαθεί φτιάξει ένα σύστημα συναγερμού για να ακούει τον road runner Μπιπ- Μπιπ όταν πλησιάζει στη περιοχή του. Για αυτό το σκοπό χρειάζεται ένα κύκλωμα που θα ελέγχει την ευαισθησία του συστήματος. Το κύκλωμα αυτό όμως, πρέπει να είναι γραμμικό. Μπορείτε να τον βοηθήσετε να ελέγξει το κύκλωμα του; D1 R2 Vin DC D1N42 R1 V5 Rout + Vout - 5Vdc 1. Υλοποιήστε το πιο πάνω κύκλωμα και δείξετε αν είναι ή όχι αναλογικό για Vin μεταξύ -5 και 5 V σε στάδια τουλάχιστον.5 V. (1) 2. Ποια είναι η αβεβαιότητα της κάθε μέτρησης της κλίσης; Για ποιες τιμές του Vin είναι το κύκλωμα αναλογικό μέσα στα πλαίσια τις αβεβαιότητας; (1) 3. Για τις τιμές της τάσης εισόδου (Vin) που το κύκλωμα είναι αναλογικό, είναι και γραμμικό; Αποδείξετε πειραματικά την απάντηση σας. (1) Σημείωση: Μετρήστε προσεκτικά όλες τις τάσεις και στοιχεία γιατί διαφορετικά θα έχετε πρόβλημα! Σε κάθε περίπτωση, περιγράψετε αναλυτικά τη διαδικασία και δείξτε όλες σας τις μετρήσεις και πράξεις. Η περιγραφή αξίζει σε κάθε περίπτωση 2 βαθμούς! 4

5 5

6 Άσκηση 3 (Πειραματική) 45/1 Ο Γουάλι το Κογιότ προσπαθεί, ακόμη, να αιχμαλωτίσει τον road runner Μπιπ-Μπιπ. Ετοιμάζει για αυτό το σκοπό ένα πύραυλο που θα είναι πολύ γρηγορότερος από το θύμα του! Για να μπορεί να τον ελέγχει με το τηλεχειριστήριο του, πρέπει να μπορεί και να τον εντοπίζει από μακριά. Για αυτό το σκοπό θέλει να χρησιμοποιήσει ένα ραντάρ. Το ραντάρ εκπέμπει ένα ημιτονοειδές κύμα σε συχνότητα f =1 khz. Αφού ανακλαστεί από κάποιο στόχο, όπως τον πύραυλο, επιστρέφει στην αντένα του ραντάρ. Η αντένα αυτή έχει το ισοδύναμο που φαίνεται στο πιο κάτω σχήμα. Ο πύραυλος πετά με ταχύτητα v = km/s και άρα οι ανακλάσεις από 2 fv αυτόν μπορεί να εμφανίζονται σε συχνότητες f = f ± λόγω του φαινομένου Doppler. (c = c ταχύτητα του φωτός = 3x1 8 m/s). Ακόμη, για να μην χάσει τον έλεγχο του πυραύλου ο Γουάλι πρέπει να μπορεί να τον εντοπίζει από απόσταση τουλάχιστον 3 km. Κατά την επιστροφή του το σήμα που έχει ανακλαστεί από τον στόχο αυτή την απόσταση έχει πλάτος 5V. Η συσκευή εξόδου του Γουάλι μπορεί να μετρήσει ρεύμα, σε αυτή τη χειρότερη περίπτωση, ma ή μεγαλύτερο. Δεν πρέπει όμως να είναι πολύ μεγαλύτερο για να μην μειωθεί η ευαισθησία του συστήματος. Το ισοδύναμο της συσκευής εξόδου φαίνεται στο πιο κάτω σχήμα. Antenna Filter Output Ra 5 V1 Rout 1. Βοηθήστε τον Γουάλι να σχεδιάσει ένα φίλτρο έτσι ώστε να μπορεί να μετρά ανακλάσεις μόνο από το ραντάρ και να απορρίπτει άλλες συχνότητες. (11) 2. Υλοποιήστε το κύκλωμα και επιβεβαιώστε ότι όντως έχει τα αναμενόμενα χαρακτηριστικά (f, Δf) μέσα στα πλαίσια του 5 % σφάλματος. Εξηγείστε τυχόν διαφορές. (1) 2 f v 3. Αν η ταχύτητα του πυραύλου πέσει στα v = 15 km/s ( f c Γουάλι να αυξήσει το πλάτος του σήματος για να βλέπει και πάλι τον στόχο σε απόσταση 3 km; Χρησιμοποιήστε το κύκλωμα σας για να το βρείτε πειραματικά. (14) = f ) Πόσο θα πρέπει ο Σε κάθε περίπτωση, περιγράψετε αναλυτικά τη διαδικασία και δείξτε όλες σας τις μετρήσεις και πράξεις. Η περιγραφή αξίζει σε κάθε περίπτωση 2 βαθμούς! 6

7 7