Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων

Transcript

1 ΗΜΥ203 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Εισαγωγή στο Εργαστήριο (Εργαστηριακός Εξοπλισμός, Διαιρέτης Τάσης και Ρεύματος) Διδάσκων: Δρ. Γιώργος Ζάγγουλος Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών

2 Ατζέντα 1. Η ασφάλειά μας πάνω απ όλα 2. Συζήτηση συμβολαίου 3. Εισαγωγή στον Εργαστηριακό Εξοπλισμό 4. Μονάδες Μέτρησης και Τάξη Μεγέθους 5. Ηλεκτρικά στοιχεία R, Lκαι C 6. Εργαστήριο 1 7. Εργαστήριο 2 8. Εργαστήριο 3 9. Εργαστήριο Εισαγωγή στο P-Spice Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 2

3 Η ασφάλειά μας πάνω απ όλα Η ασφάλεια βρίσκεται σε ένα κύκλωμα για να διακόπτει τη ροή ηλεκτρονίων όταν ο αριθμός τους ξεπεράσει μια επιθυμητή τιμή! Στην ουσία, το εσωτερικό μέρος της ασφάλειας θα υπερθερμανθεί με αποτέλεσμα να καταστραφεί (λιώσει) ανοίγοντας έτσι το κύκλωμα. Η τιμή της ασφάλειας πρέπει να είναι όσο το δυνατό πιο κοντά στην τιμή του ρεύματος που χρειάζεται για να λειτουργήσει το κύκλωμα/συσκευή. Ι = P/V Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 3

4 Η ασφάλειά μας πάνω απ όλα Main Circuit Breaker, Residual Current Device και RCBO Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 4

5 Η ασφάλειά μας πάνω απ όλα Γείωση Ηλεκτρικής Εγκατάστασης και συσκευών Πολύπριζα Προστασία από κεραυνό Μπαλαντέζες Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 5

6 Η ασφάλειά μας πάνω απ όλα Χαλαρές επαφές Φθαρμένα καλώδια Εξοπλισμός Ηλεκτρολόγου Φορτιστές μπαταριών Προστασία από λάθη άλλων ανθρώπων Ποτέ!!! Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 6

7 Όταν κάτι πάει λάθος Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 7

8 1. Συζήτηση συμβολαίου Ώρες Διάλεξης: Ώρες Εργαστηρίων: Παρασκευή 09:00-12:00, ΛΑ130 Τρίτη 13:00-16:30 και Τετάρτη 10:00-13:30, ΛΑ132 Διδάσκων: Δρ. Γεώργιος Ζάγγουλος Ώρες Γραφείου: Με ραντεβού (Τρίτη, Τετάρτη και Παρασκευή) Τηλέφωνο Εργαστηρίου: Youtube tutorials: ece labs ucy Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 8

9 Στόχοι ΗΜΥ203 Το ΗΜΥ203 έχει ως κύριο στόχο την εμπέδωση της ύλης που έχει διδαχθεί στο μάθημα ΗΜΥ102 του 2ου εξαμήνου. Για την επίτευξή του πιο πάνω στόχου, τα θεωρήματα και οι μέθοδοι που διδάχθηκαν στο ΗΜΥ102 μπαίνουν σε εφαρμογή στο ΗΜΥ 203 μέσω 9 εργαστηριακών εργασιών. Επιπλέον, στόχοι του μαθήματος είναι οι φοιτητές: Να εξοικειωθούνμε τη χρήση των βασικών οργάνων του εργαστηρίου, όπως ο παλμογράφος, το πολύμετρο και η γεννήτρια συναρτήσεων. Να εμπεδώσουν τον τρόπο μετρήσεως σημάτων σε ένα κύκλωμα και την εφαρμογή των βασικών θεωρημάτων, όπως π.χ. νόμοι του Kirchoff, θεώρημα Thevenin, θεώρημα της επαλληλίας κλπ. Να γνωρίσουν στην πράξη τις πηγές σφαλμάτων σε μετρήσεις και να κατανοήσουν τη διαφορά μεταξύ θεωρητικών και πειραματικών τιμών. Να εφαρμόσουν τη θεωρία των εναλλασσόμενων κυκλωμάτων σε πρακτικά κυκλώματα. Να εξοικειωθούν με το λογισμικό PSPICEτο οποίο υποστηρίζει τον σχεδιασμό και προσομοίωση κυκλωμάτων σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 9

10 Περιεχόμενο Μαθήματος Τα 9εργαστηριακά πειράματα περιλαμβάνουν βασικά κυκλώματα (κυρίως με στοιχεία R, L και C) και μετρήσεις με τη χρήση των βασικών οργάνων (κυρίως ψηφιακό πολύμετροκαι παλμογράφο). Επιπρόσθετα στο μάθημα δίνεται ιδιαίτερη σημασία στην κατανόηση του τρόπου μετρήσεως σημάτων σε ένα κύκλωμα (με πηγές DC και AC), κατανόηση των πηγών σφαλμάτων σε μετρήσεις καθώς και της διαφοράς μεταξύ θεωρητικών και πειραματικών τιμών. Τέλος, γίνεταιεφαρμογή των βασικών θεωρημάτων για ηλεκτρικά κυκλώματα (που διδαχθήκατε στο ΗΜΥ102). Η εξοικείωση σας με το λογισμικό PSPICEαποτελεί ένα από τους στόχους αυτού του μαθήματος. Το πρόγραμμα αυτό θα χρησιμοποιηθεί για να εξοικειωθείτε με το σχεδιασμό και προσομοίωση διαφόρων ηλεκτρικών κυκλωμάτων που θα υλοποιήσετε μέσα από τις 9 εργαστηριακές ασκήσεις (πειράματα). Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 10

11 Χρονοδιάγραμμα Εβδομάδα& Ημερομηνία 06/06/17 07/06/17 09/06/17 13/06/17 14/06/17 16/06/17 Διαλέξεις, Εργαστηριακές Ασκήσεις και Υποχρεώσεις ανά Εβδομάδα Ε1: Εξοικείωση με τον Εργαστηριακό Εξοπλισμό [1] Ε2: Μετρήσεις Σημάτων και Επίδραση Οργάνου στις Μετρήσεις[2] Δ1: Παρουσίαση Συμβολαίου ΗΜΥ203 και Εργαστηρίων 1,2,3, 4. Ε3: Ορθότητα, Ακρίβεια και σωστός αριθμός δεκαδικών ψηφίων [3] Ε4: Παράλληλες Αντιστάσεις και Διαίρεση τάσης και ρεύματος[4] Δ2: Παρουσίαση Εργαστηριακής Άσκησης 5και 6 20/06/17 21/06/17 23/06/17 27/06/17 28/06/17 30/06/17 Ε5: Γραμμικότητα, Αναλογικότητα και Επαλληλία[5] Ε6: Θεώρημα Thevenin[6] Δ3: Παρουσίαση Εργαστηριακής Άσκησης 7 και 8 και 9 Ε7: Εκθετικά κύματα και σύνθετη αντίσταση[7] Ε8: Κυκλώματα RLC και σταθερή ημιτονοειδής κατάστασης[8] Δ4: Επανάληψη Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 11

12 Χρονοδιάγραμμα εβδομάδα & ημερομηνία 04/07/17 05/07/17 07/07/17 Διαλέξεις, εργαστηριακές ασκήσεις και υποχρεώσεις ανά εβδομάδα Ε9: Πρακτική Εξάσκηση Εργαστηρίων 1-6 Ε10: Ενδιάμεση Εξέταση (Εργαστήριακες ασκήσεις 1-6) Δ5: παρουσίαση εργαστηριακής άσκησης 9 και Οδηγίες κατασκευής 11/07/17 Ε11: Διόρθωση συντελεστή ισχύος [9] 12/07/17 Ε12: Υλοποίηση κατασκευής 14/07/17 Δ6: επίλυση ασκήσεων - επανάληψη εργαστηρίων /07/17 19/07/17 21/07/17 Ε13:Υλοποίησηκατασκευής Ε14: πρακτική εξάσκηση Εργαστηριακών Ασκήσεων Δ7: Τελική Εξέταση; Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 12

13 Αξιολόγηση Quizes (3 out of 4) 15% Ενδιάμεση Εξέταση (Εργ. 1-6) 35% Κατασκευή και αναφορά 10% Τελική Εξέταση (Εργ. 1-9) 40% Εργασίες Βελτίωσης Βαθμού* Δημιουργία εκπαιδευτικού βίντεο (5-12 λεπτά) 10% * Απαιτείται τουλάχιστο 40% στις εξετάσεις για να προστεθεί ο βαθμός από το βίντεο Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 13

14 Προϋποθέσεις επιτυχίας στο μάθημα Απαραίτητες προϋποθέσεις επιτυχίας στο μάθημα είναι: η ολοκλήρωση όλων των εργαστηριακών ασκήσεων και η εξασφάλιση συνολικού βαθμού 50%. Οι αντίστοιχες μονάδες από την εργασία βελτίωσης βαθμού θα δίνονται ΜΟΝΟ σε φοιτητές που έχουν εξασφαλίσει συνολικά το 40% στο μάθημα χωρίς να υπολογίζεται η βαθμολογία από την εργασία βελτίωσης βαθμού. Φοιτητές που ενδιαφέρονται να κάνουν εργασία θα πρέπει να επιλέξουν θέμα και να το δηλώσουν στον διδάσκοντα για έγκριση μέχρι τις 06/07/2017. Η εργασία μπορεί να είναι ατομική ή ομαδική και πρέπει να ολοκληρωθεί και να παραδοθεί μέχρι τις 20/07/2016. ΔΕΝ θα δοθεί καμία παράταση! Ο διδάσκων διατηρεί το δικαίωμα οριακής αύξησης της βαθμολογίας με βάση την ενεργό συμμετοχή στο μάθημα. Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 14

15 Διαχείριση Χρόνου Κατά τη φοιτητική σας ζωή υπάρχει χρόνος για όλα Ύπνος Μελέτη Διασκέδαση.. αρκεί να τον κατανέμετε σωστά, ανάλογα βέβαια με τους στόχους και τις υποχρεώσεις σας. Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 15

16 Κανόνες Δεοντολογίας Όλοι οι φοιτητές του Πανεπιστημίου Κύπρου οφείλουν να γνωρίζουν και τηρούν τους Νόμους, Κανονισμούς, Κανόνες και επίσημες οδηγίες και ανακοινώσεις που τους αφορούν. Μια σύντομη περίληψη υπάρχει στο Εγχειρίδιο του Εργαστηρίου. Για να επιτραπεί η είσοδος στο εργαστήριο πρέπει να υπογραφεί η δήλωση κατανόησης των κανόνων δεοντολογίας και να παραδοθεί στον διδάσκοντα. Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 16

17 Πολιτική Κανόνες Μαθήματος Εξοπλισμός Εργαστηρίου:Η κάθε ομάδα είναι υπεύθυνη για τον εξοπλισμό του εργαστηρίου. Οι φοιτητές που χρησιμοποιούν τον κάθε σταθμό είναι υπεύθυνοι για τον εξοπλισμό και τα υλικά. Αν οτιδήποτε χαθεί ή καταστραφεί λόγω αμέλειας, οι φοιτητές του σταθμού θα θεωρούνται υπεύθυνοι. Για να επιτραπεί η είσοδος στο εργαστήριο πρέπει να υπογραφεί η δήλωση χρέωσης εξοπλισμού και να παραδοθεί στον διδάσκοντα. Ασφάλεια Εργαστηρίου:Η ασφάλεια σας βασίζεται κυρίως σε ΕΣΑΣ. Στο Εγχειρίδιο υπάρχουν οι κανόνες ασφαλείας. Για να επιτραπεί η είσοδος στο εργαστήριο πρέπει να υπογραφεί η δήλωση κατανόησης των κανόνων ασφαλείας και να παραδοθεί στον διδάσκοντα. Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 17

18 2. Εισαγωγή στο Εργαστήριο Στόχος του 1 ου εργαστηρίου είναι να εφοδιάσει το φοιτητή με τις βασικές γνώσεις που αφορούν στον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται σε ένα εργαστήριο ηλεκτρονικών. Ο βασικός εξοπλισμός περιλαμβάνει: παλμογράφο (oscilloscope), πολύμετρο(multimeter), γεννήτρια συναρτήσεων (function generator), τροφοδοτικό συνεχούς τάσης και την εκπαιδευτική πλακέτα (breadboard) μαζί με τη βάση της. Με την ολοκλήρωση του 1 ου εργαστηρίου, ο φοιτητής/φοιτήτρια πρέπει να είναι σε θέση να μπορεί να ρυθμίζει κατάλληλα τα πιο πάνω όργανα και να μετρά το πλάτος και την συχνότητα διαφόρων σημάτων. Ο φοιτητής/φοιτήτρια θα πρέπει επίσης να μπορεί να διαβάζει την τιμή των αντιστάσεων και των πυκνωτών καθώς και να μετρά Ωμικές αντιστάσεις χρησιμοποιώντας το πολύμετρο. Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 18

19 Πολύμετρο Το Πολύμετρο αποτελεί ένα συνδυασμό οργάνων κυρίως για μετρήσεις συνεχούς και εναλλασσόμενης (rms)τάσης και ρεύματος και Ωμικής αντίστασης. Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 19

20 Παλμογράφος Ο παλμογράφος είναι η συσκευή που μας επιτρέπει να βλέπουμε γραφικάτα σήματα εισόδου αλλά και κάποιες μαθηματικές πράξεις μεταξύ τους. Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 20

21 Ρυθμίσεις Παλμογράφου Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 21

22 Οθόνη Παλμογράφου Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 22

23 Πηγή Συνεχούς Τάσης (Τροφοδοτικό) Παρέχει 2 μεταβλητές εξόδους για τάσεις από -15Vμέχρι +15V και μια ρυθμιζόμενη έξοδο για τάση από 2.8 μέχρι 5.5V. Οι δύο μεταβλητές έξοδοι παρέχουν προστασία στον χρήστη αλλά και στο κύκλωμα μέσω κυκλωματοςελέγχου του ρεύματος εξόδου. Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 23

24 Γεννήτρια Συναρτήσεων Η έξοδος της (τύπου BNC) παρέχει όλα τα εναλλασσόμενα σήματα ελέγχου που χρειάζονται για τον έλεγχο/λειτουργία ενός κυκλώματος Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 24

25 Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 25

26 Είδη Καλωδίων Καλώδια BNC Καλώδια μπανάνα Συνδέσεις και μετατροπείς BNC banana Καλώδιο BNC - κροκοδειλάκι ProbeΠαλμογράφου BNC Απλή Σύνδεση και τύπου Τ Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 26

27 3. Μονάδες Μέτρησης και Τάξη Μεγέθους Τάση: Ρεύμα: Αντίσταση: Χωρητικότητα: Επαγωγικότητα: V (V) I (A) R (Ω) C (F) L (H) 1. Πώς μετράμε τα πιο πάνω χαρακτηριστικά; 2. Ποια η διαφορά μεταξύ: Vp, Vp-p και Vrms; Tera (Τ) = Giga (G) = 10 9 Mega (M) = 10 6 kilo (k) = 10 3 milli (m) = 10-3 micro (μ)ή(u) = 10-6 nano (n) = 10-9 pico (p) = Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 27

28 4. Ηλεκτρικά στοιχεία R, Lκαι C Χρωματικός Κώδικας Αντιστάσεων 0 Μαυρο, 1 Καφέ, 2 Κόκκινο, 3 Πορτοκαλί, 4 Κίτρινο, 5 Πράσινο, 6 Μπλε, 7 Μωβ, 8 Γκρίζο, 9 Άσπρο Ανοχή: [5% Χρυσό, 10% Ασημί] = /- 5% = 100κΩ +/- 5% Κωδικοποίηση Τιμής Πυκνωτών και Πηνίων (3 ψηφία) 1 ο και 2 ο Ψηφίο είναι αριθμοί ενώ το 3 ο Ψηφίο είναι το πλήθος μηδενικών. Η κωδικοποιημένη τιμή του πυκνωτή αναφέρεται σε pf, ενώ του πηνίου σε nh Π.χ.: Πυκνωτής (σε pf) με ένδειξη: 474 = pF= 470nF= 0.47μF. Π.χ.: Πηνίο (σε nh) με ένδειξη 476= nη = 47 mη Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 28

29 5. Περιεχόμενο 1 ου Εργαστηρίου Αναγνώριση εργαστηριακού εξοπλισμού και ρύθμιση τροφοδοτικού, γεννήτριας σημάτων, πολυμέτρουκαι παλμογράφου για μετρήσεις τάσης και ρεύματος. Υλοποίηση και επαλήθευση ενός κυκλώματος Διαιρέτη Τάσης (DC και AC). Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 29

30 6. Περιεχόμενο 2 ου Εργαστηρίου Κατασκευή κυκλωμάτων στην εκπαιδευτική πλακέτα και σύνδεση εξωτερικών συσκευών/οργάνων Μελέτη και επαλήθευση του διαιρέτη τάσης Μελέτη και επαλήθευση του διαιρέτη ρεύματος Μετατροπή μεταξύ Vrms, Vp, και Vp-p Υπολογισμός Ισχύς και διάρκειας λειτουργίας Επηρεασμός μέτρησης λόγω της αντίστασης οργάνου Επηρεασμός μέτρησης λόγω ανθρώπινου σώματος Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 30

31 Τοποθετήσεις Αντιστάσεων στη Πλακέτα Βραχυκύκλωμα Σειράς Παράλληλα Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 31

32 Διαιρέτης Τάσης R 1 + V R1 - upper terminal 3 5V R 2 + V R2 - R TOTAL R 1 R 2 2 center or "wiper" terminal 1 lower terminal VR1= (R1/R1+R2) x Vs VRi= (Ri/Rtotal) x Vs Με τη σύνδεση του βολτομέτρου σε 2 σημεία του κυκλώματος, η συνολική αντίσταση μεταξύ αυτών των 2 σημείων θα μειωθεί! Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 32

33 Διαιρέτης Ρεύματος R 1 I R1 IR2 = (R3/R2+R3) x IR1 10V R 2 I R2 R 3 I R3 Αμπερόμετρο IR3 = (R2/R2+R3) x IR1 Με τη σύνδεση του αμπερομέτρου σε κάποιο κλάδο του κυκλώματος, η αντίσταση του κλάδου αλλά και η συνολική αντίσταση θα αυξηθεί! Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 33

34 Μέτρηση Αντίστασης με το πολύμετρο Η μέτρηση της αντίστασης μεταξύ δύο σημείων στο κύκλωμα γίνεται με την σύνδεση του πολυμέτρου στα δυο σημεία που μας ενδιαφέρουν χωρίς όμως να υπάρχει συνδεδεμένη πηγή! Η μέτρηση της αντίστασης σε μία μόνο αντίσταση πρέπει να γίνεται όταν η αντίσταση που μετράμε δεν συνδέεται με το υπόλοιπο κύκλωμα. Τί θα συμβεί εάν κρατάμε με τα χέρια μας την αντίσταση και τους ακροδέκτες του οργάνου κατά τη διάρκεια μιας μέτρησης της αντίστασης; Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 34

35 Μέτρηση Τάσης και Ρεύματος Η τάση (διαφορά δυναμικού) μετριέται πάντοτε με το βολτόμετρο συνδεδεμένο παράλληλα με τα δύο σημεία όπου θα μετρήσω την τάση. Κατά τη διάρκεια της μέτρησηςτης VRiη αντίσταση Ri θα μειωθεί σε Ri// Rβολβτομέτρου. Για μέτρηση ρεύματος θα πρέπει προηγουμένως να ανοίξουμε το κύκλωμα και το αμπερόμετρο να συνδεθεί μεταξύ των δύο ανοικτών άκρων που δημιουργήθηκαν μετά το άνοιγμα του κυκλώματος. Κατά τη διάρκεια της μέτρησης η αντίσταση του κλάδου στον οποίο μετρούμε αυξάνεται κατά Rαμπερομέτρου. Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 35

36 Μαθησιακοί Στόχοι Εργαστήρια 1 και 2 Υλοποίηση κυκλωμάτων στην πλακέτα και μετρήσεις με πολύμετρο και Ρύθμιση και συνδεσμολογία πηγών (τροφοδοτικό (DC) και γεννήτρια σημάτων (AC)). Διάβασμα τιμής R, L και C (κώδικας χρωμάτων (R) και ψηφίων (L και C)) Χρησιμοποίηση των ορθών μονάδων μέτρησης και τάξης μεγέθους. Κατανόηση του κυκλώματος διαίρεσης τάσης και διαίρεσης ρεύματος. Υπολογισμός ισχύος σε κυκλώματα DC Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 36

37 Εισαγωγή στις Μετρήσεις Σημάτων και Επίδραση Οργάνου στις Μετρήσεις Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 37

38 7. Περιεχόμενο 3 ου Εργαστηρίου Οι έννοιες: σφάλμα, ορθότητα, ακρίβεια και αβεβαιότητα στις μετρήσεις Υπολογισμός αριθμού σημαντικών δεκαδικών ψηφίων Η αβεβαιότητα στα αποτελέσματα μαθηματικών πράξεων Πηγές θορύβου και υπολογισμός SNR Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 38

39 Ορισμοί Σφάλμα(συστηματικό ή τυχαίο) Ορθότητα Ακρίβεια Αβεβαιότητα (μετρήσεων ή οργάνου) * Το σφάλμα σε μια μέτρηση ελαχιστοποιείταιμε περισσότερες επαναλήψεις (αν είναι τυχαίο), η ακρίβεια όμως της μέτρησης δεν μπορεί να αλλάξει. Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 39

40 Υπολογισμός αριθμού σημαντικών δεκαδικών ψηφίων Ο υπολογισμός του αριθμού των σημαντικών δεκαδικών ψηφίων γίνεται σε 3 βήματα. 1. Υπολογισμός της μέγιστης αβεβαιότητας σε μια μέτρηση (από μετρήσεις και από τον κατασκευαστή). 2. Διπλασιασμός της πιο πάνω τιμής και επιλογή των σημαντικών ψηφίων. 3. Αναγραφή μέσης τιμής +/-μέγιστης αβεβαιότητας χρησιμοποιώντας τον σωστό αριθμό δεκαδικών. (π.χ. 3.2 ±0.3 και όχι ±0.3) Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 40

41 Η αβεβαιότητα στα αποτελέσματα μαθηματικών πράξεων Η αβεβαιότητα σε αποτελέσματα πρόσθεσης και αφαίρεσης πάντοτε προστίθεται. Γιατί; (4.2 ±0.2) + (3.1 ±0.4) = 7.3 ±0.6 (3.3 ±-0.1) -(3.1 ±0.4) = 0.2 ±0.5 Συμβαίνει το ίδιο στη διαίρεση και τον πολλαπλασιασμό; ΌΧΙ! Σε αυτά προστίθεται η σχετική (%)αβεβαιότητα των επιμέρους μεγεθών. (2.2 ±0.1) x(4.1 ±0.2) = 9.02 ±(0.3???) (2.2 ±4.55%) x(4.1 ±4.88%) = 9.02 ±9.43% = 9.02 ±0.85 Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 41

42 Παραδείγματα Υπολογισμού της Αβεβαιότητας (από Εργαστήριο 3) Αν μια αντίσταση 20kΩ με ανοχή 20% διαπερνάται από ρεύμα 10mAτο οποίο μετρήσαμε με το πολύμετρο (ορθότητα 0.05%) τότε η τάση θα είναι: V=IxR= 10mΑ(±0.05%) x 20kΩ(±20%) = 200V ±20.05%, δηλαδή 200 ±40.1 V Αν μια αντίσταση 100kΩ με ανοχή 20% έχει τάση στα άκρα της 20mVτην οποία μετρήσαμε με τον παλμογράφο (ορθότητα 3%), τότε το ρεύμα θα είναι: 0.2μΑ ±23% =0.2±0.2x(23/100)=0.20±0.05μΑ. (Γιατί όχι 0.2 ±0.046μΑή ±0.046μΑ;) Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 42

43 Πολλαπλές Μετρήσεις του ιδίου μεγέθους Vt=0s = Vt=1s = Vt=2s = Vaverage = ( )/4 = ΔV/2 = (Vmax Vmin)/2 = ( )/2 = Αβεβαιότητα από μετρήσεις: +/ Αβεβαιότητα από ορθότητα πολυμέτρου: Vt=3s= = Vaverage x 0.05% = * 0.05/100 = +/ Επιλέγουμε τη χειρότερη (μεγαλύτερη) από τις δύο αβεβαιότητες Άρα: / x 2 = (κρατάμε μέχρι το 1 ο μη μηδενικό ψηφίο) Γράφουμε την απάντηση ως: / Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 43

44 Πηγές θορύβου και υπολογισμός SNR Θόρυβος Johnson Θόρυβος 1/f Ηλεκτρονικός Θόρυβος Εξωτερικός Θόρυβος Signal to Noise Ratio SNR(dB) = 20 x log10(vsignal/vnoise) SNR(dB) = 10 x log10(ρsignal/ρnoise) Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 44

45 Μαθησιακοί Στόχοι Εργαστήριο 3 Υλοποίηση κυκλωμάτων στην πλακέτα και μετρήσεις διαφοράς δυναμικού και συχνότητας με πολύμετρο και παλμογράφο (σχέση rms, p-p). Ρύθμιση και συνδεσμολογία εναλλασσόμενης πηγής (γεννήτριας σημάτων). Εξοικείωση στη χρήση του χρωματικού κώδικα αντιστάσεων. Υπολογισμός αβεβαιότητας στις μετρήσεις και επιλογή του σωστού αριθμού δεκαδικών ψηφίων. Μέτρηση του λόγου σήματος προς θόρυβο και υπολογισμός σε db. Ενέργειες για ελαχιστοποίηση θορύβου. Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 45

46 Συνδεσμολογίες Παράλληλων Αντιστάσεων και Χρήση Ποτενσιόμετρου στη Διαίρεση Τάσης και Ρεύματος Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 46

47 8. Περιεχόμενο 4 ου Εργαστηρίου Μετρήσεις σε κυκλώματα με παράλληλες αντιστάσεις. Διαιρέτης τάσης με χρήση ποτενσιόμετρου Διαιρέτης ρεύματος με χρήση ποτενσιόμετρου Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 47

48 Μετρήσεις σε κυκλώματα (μόνο) με παράλληλες αντιστάσεις Τι θα συμβεί στο Rολικόαν προστεθεί ή αφαιρεθεί μια αντίσταση (μικρή ή μεγάλη) Τι θα συμβεί στο I των άλλων αντιστάσεων αν προστεθεί ή αφαιρεθεί μια αντίσταση (μικρή ή μεγάλη) Τι θα συμβεί στο Iολικόαν προστεθεί ή αφαιρεθεί μια παράλληλη αντίσταση (μικρή ή μεγάλη) Τι θα συμβεί στην κάθε τάση αν προστεθεί μια αντίσταση 50Ω παράλληλα στις ήδη παράλληλες αντιστάσεις Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 48

49 Διαιρέτης τάσης με χρήση ποτενσιόμετρου Το ποτενσιόμετρο έχει μια σταθερή ολική αντίσταση μεταξύ των άκρων 1-3 και δύο μεταβαλλόμενες αντιστάσεις μεταξύ των άκρων 1-2 και 2-3. Προσοχή! Η ολική αντίσταση δεν ισούται ακριβώς με το άθροισμα των 2 μεταβαλλόμενων αντιστάσεων λόγω κατασκευαστικού περιορισμού. Ο τρόπος υπολογισμού των αντιστάσεων ενός διαιρέτη τάσης για τροφοδοσία φορτίου με μικρή ή μεγάλη Ωμική αντίσταση είναι ο ίδιος; Ποίες είναι οι επιπλέον πράξεις που πρέπει να γίνουν και πότε είναι αναγκαίες; Παράδειγμα με γεννήτρια σημάτων και μικρή R Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 49

50 Διαιρέτης Τάσης και Ρεύματος με ποτενσιόμετρο (Παραδείγματα με 1 και 2 ποτενσιόμετρα) R 1 R 1 + V R1 - I R1 5V R 2 + V R2 - Βολτόμετρο R=10MΩ 10V R 2 I R2 R 3 I R3 Αμπερόμετρο VR1 = (R1/R1+R2) x Vs VR2 = (R2/R1+R2) x Vs ΙR1= ΙR2 = Vs/(R1+R2) R TOTAL upper terminal 3 R 1 R 2 2 ΙR1 = Vs/(R2xR3/R2+R3) + R1 ΙR2 = (R3/R2+R3) x ΙR1 ΙR3 = (R2/R2+R3) x ΙR1 VR1 = R1 x Vs /(R1 + R2,3) VR2 = VR3 = R2,3 x Vs /(R1 + R2,3) center or "wiper" terminal 1 lower terminal Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 50

51 Μαθησιακοί Στόχοι Εργαστήριο 4 Σχέση αντίστασης, τάσης και ρεύματος σε παράλληλες συνδεσμολογίες. Σχεδιασμός διαιρέτη τάσης με/χωρίς επίδραση του φορτίου Χρήση ποτενσιόμετρου σε διαιρέτη τάσης και ρεύματος Επηρεασμός μέτρησης από την αντίσταση του πολυμέτρου Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 51

52 Εργαστήριο 1 Βρείτε τις τιμές των πιο κάτω εξαρτημάτων: Αντιστάσεις: [1] Άσπρο, Κόκκινο, Πορτοκαλί, Χρυσό [2] Καφέ, Μαύρο, Κόκκινο, Χρυσό Πυκνωτές:[3] 821 Πηνία: [5] 475 [4] 474 [6] 336 [1] ± (5%) = 92kΩ ± (5%) [2] ± (5%) = 1kΩ ± (5%) [3] pf = 0.82nF [4] pf = 470nF = 0.47μF [5] nh = 4700μΗ = 4.7mH [6] nh = 33mH Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 52

53 Εργαστήριο 1 1.Αν μία μέτρηση για εναλλασσόμενη (ημιτονοειδή) τάση (AC) με το πολύμετρο είναι 0.1V, ποια είναι η μέγιστη τιμή αυτής της τάσης; 2.Εάν μία μέτρηση τάσης με τον παλμογράφο μας δείξει ότι V p-p = 20V (ημιτονοειδής), ποια θα είναι η αναμενόμενη ένδειξη της ίδιας τάσης αν τη μετρήσουμε με το πολύμετρο; 3.Υπολογίστε το πλάτος (V p-p ), την περίοδο (Τ) και την συχνότητα (f) του σήματος εάν οι ρυθμίσεις VOLTS/DIV και TIME/DIV στον παλμογράφο βρίσκονται στις θέσεις 5V και 1μs αντίστοιχα και το εμφανιζόμενο κύμα στην οθόνη του παλμογράφου έχει περίοδο 5 τετραγωνάκια και πλάτος (V p-p ) 4 τετραγωνάκια. 4.Με ποια κουμπιά μπορούμε να αυξήσουμε την ακρίβεια μιας μέτρησης με το πολύμετρο; 5.Σε ποια θέση πρέπει να βρίσκεται το περιστρεφόμενο κουμπί CURRENT της πηγής συνεχούς ρεύματος και γιατί; Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 53

54 1 ο Παράδειγμα Εξέτασης Έχετε στη διάθεση σας αντιστάσεις με τιμές 10Χ, 100Χ, 1000Χ, 10000Χ, Χ και Χ, όπου το Χ μπορεί να πάρει μία από τις ακόλουθες τιμές: 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.5, 1.6, 1.8, 2.0, 2.2, 2.4, 2.7, 3.0, 3.3, 3.6, 3.9, 4.3, 4.7, 5.1, 5.6, 6.2, 6.8, 7.5, 8.2 και 9.1. I. Σχεδιάστε ένα κύκλωμα διαιρέτη τάσης (με τις διαθέσιμες αντιστάσεις) το οποίο θα τροφοδοτείται με τάση 6.0V DC και θα δίνει στην έξοδο τάση 2.3 ± 0.1 Volts. Θα πρέπει επίσης το ολικό ρεύμα στο κύκλωμα να βρίσκεται μεταξύ 0.4mA και 0.6mA. II. Αφού δείξετε την πορεία σχεδιασμού του κυκλώματός σας, υλοποιήστε το στην πλακέτα, μετρήστε την τάση εξόδου και το ολικό ρεύμα από 3 φορές και σημειώστε τα αποτελέσματά σας με τον σωστό αριθμό δεκαδικών. III. Υπολογίστε το ποσοστιαίο σφάλμα μεταξύ θεωρητικής και πειραματικής τιμής τόσο για την τάση εξόδου όσο και για το ρεύμα και δικαιολογήστε το κάθε ένα αναλυτικά. Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 54

55 2 ο Παράδειγμα Εξέτασης Δίνεται το ακόλουθο κύκλωμα το οποίο πρέπει να υλοποιήσετε στην εκπαιδευτική πλακέτα. Ρυθμίστε την πηγή σας στα 20 κηzκαι τάση Vrms= 4V. I. Μετρήστε το ρεύμα και την τάση σε κάθε αντίσταση με το πολύμετρο. II. Υπολογίστε το ποσοστιαίο σφάλμα μεταξύ θεωρητικής και πειραματικής τιμής για τα μεγέθη: VR3, VR4, VR5, IR4, IR5, IR6πιο κάτω και δικαιολογήστε το κάθε σφάλμα ξεχωριστά. Προσοχή! Στους υπολογισμούς θα χρειαστεί και η εσωτερική αντίσταση του οργάνου, εκτός και αν ο επηρεασμός που προκύπτει είναι αμελητέος Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 55

56 Απορίες Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 56

57 Εισαγωγή στο PSpice Παραδείγματα στο youtube: Δυνατότητες PSpice Χρησιμοποίηση PSpice για τους σκοπούς του ΗΜΥ203: Σχεδιασμός κυκλωμάτων και καθορισμός τιμών (προσθήκη βιβλιοθηκών) Ανάλυση κυκλωμάτων (bias point: εμφάνιση τάσης, ρεύματος και ισχύς σε κάθε κόμβο, βρόχο, ή στοιχείο αντίστοιχα) Ανάλυση ευαισθησίας (sensitivity analysis) Ανάλυση ανοχής εξαρτημάτων(monte Carlo/ worst case min & max) Δημιουργία γραφικών παραστάσεων Ανάλυση κυκλωμάτων (RC και RLC) Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 57

58 Εγκατάσταση PSPICE Η εγκατάσταση του προγράμματος γίνεται από το αρχείο Setup.exe. Ακολουθήστε τις οδηγίες του προγράμματος. Όταν ερωτηθείτε ποια προγράμματα θέλετε να εγκαταστήσετε, επιλέξετε Capture CIS, PSpice και Layout Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 58

59 Δημιουργία πρότζεκτ με το πρόγραμμα «Capture CIS Lite Edition» Από το μενού διαλέξτε File/New/Project. Αυτή η επιλογή οδηγεί στη δημιουργία ενός καινούργιου πρότζεκτ. Δώστε ένα όνομα και καθορίστε το χώρο όπου θα αποθηκεύονται τα αρχεία του. Επιλέξετε Analog or Mixed AD και ακολούθως, blank project οπότε και θα ανοίξει το σχεδιάγραμμα μέσα στο οποίο θα υλοποιήσετε το κύκλωμά σας. Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 59

60 Εισαγωγή Βιβλιοθηκών και Εξαρτημάτων Όλα τα στοιχεία σε ένα κύκλωμα μπορούν να εισαχθούν από την επιλογή Place και ακολούθως πληκτρολογώντας το όνομα του στοιχείου (π.χ. vdc για πηγή τάσης DC) Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 60

61 Έλεγχος Συνδεσμολογίας και Ανάλυση Κυκλώματος Ο έλεγχος της συνδεσμολογίας μπορεί να γίνει από την επιλογή PSpice/Create Netlist και στη συνέχεια PSpice/View Netlist Όλοι οι τύποι ανάλυσης του κυκλώματος απαιτούν τη δημιουργία ενός αρχείου προσομοίωσης το οποίο μπορεί να δημιουργηθεί από την επιλογήpspice/new Simulation Profile ενώ η εκτέλεση της προσομοίωσης γίνεται από το PSpice/Run Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 61

62 Ανάλυση Τάσης, Ρεύματος και Ισχύος Για τον υπολογισμό των πιο πάνω μεγεθών σε ένα κύκλωμα (DC) μπορούμε να τρέξουμε μια απλή προσομοίωση Bias Point Ρυθμίσεις Προσομοίωσης Αποτελέσματα Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 62

63 Ανάλυση Ευαισθησίας Η ανάλυση ευαισθησίας χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό του ποσοστού που το κάθε στοιχείο του κυκλώματος επηρεάζει μια μεταβλητή (π.χ. την τάση εξόδου) Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 63

64 Αποτελέσματα Ανάλυσης Ευαισθησίας Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 64

65 Ανάλυση Ανοχής Εξαρτημάτων (tolerance) Με αυτό τον τύπο ανάλυσης μπορεί να υπολογιστεί η ελάχιστη και η μέγιστη τιμή μιας μεταβλητής (π.χ. της τάσης εξόδου) όταν τα στοιχεία του κυκλώματος έχουν κάποια ανοχή. 1. Max with Hi 2. Min with Low Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 65

66 Αποτελέσματα Ανάλυσης Ανοχής (Με μόνο τηνr1 να έχει10% tolerance) Από τον διαιρέτη τάσης Vout = (R3/R1+R3) x V1, άρα για τις 2 περιπτώσεις ισχύει ότι: Vout max = (100/190) * 200 = Vout min = (100/210) * 200 = Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 66

67 Μαθησιακοί στόχοι (PSPICE) Σχεδιασμός κυκλωμάτων και καθορισμός τιμών (προσθήκη βιβλιοθηκών) Ανάλυση κυκλωμάτων (bias point: εμφάνιση τάσης, ρεύματος και ισχύος σε κάθε κόμβο, βρόχο, ή στοιχείο αντίστοιχα) Ανάλυση ευαισθησίας (sensitivity analysis) Ανάλυση ανοχής εξαρτημάτων(monte Carlo/ worst case min & max) Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 67

68 Σύνδεσμος στο αρχείο: Σύντομη Εισαγωγή στο PSPICE Ιούνιος 17 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Γ.Ζ. - 68