Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων ΗΜΥ203

Transcript

1 Περίληψη Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων ΗΜΥ203 Παρατηρήσεις / Απορίες στα Εργ. 0 και 1 Εισαγωγή στο Εργαστήριο 2 Εισαγωγή στο PSpice ιάλεξη και Φροντιστήριο 2 11/09/ Εργαστήριο 0 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 Εργαστήριο 0 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 = 4V (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 ) 4τετραγωνάκια. 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; 3 4

2 Εργαστήριο 1 ιαιρέτης Τάσης Κατασκευή κυκλωµάτων στην εκπαιδευτική πλακέτα και σύνδεση εξωτερικών συσκευών/οργάνων Μετρήσεις µε παλµογράφο και πολύµετρο Μελέτη και επαλήθευση του διαιρέτη τάσης Μετατροπή µεταξύ Vrms, Vp, και Vp-p Υπολογισµός Ισχύος VR1 = (R1/R1+R2) x Vs VRi= (Ri/Rtotal) x Vs 5 6 Εισαγωγή στο Εργαστήριο 2 Ορισµοί 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 Σφάλµα (συστηµατικό ή τυχαίο) Ορθότητα Ακρίβεια Αβεβαιότητα (µετρήσεων ή οργάνου) * Το σφάλµα σε µια µέτρηση ελαχιστοποιείται µε περισσότερες επαναλήψεις (αν είναι τυχαίο), η ακρίβεια όµως της µέτρησης δεν µπορεί να αλλάξει. 7 8

3 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. 2. ιπλασιασµός 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) 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 ± Παραδείγµατα Υπολογισµού της Αβεβαιότητας (από Εργ.2) Αν µια αντίσταση 20kΩ µε ανοχή 20% διαπερνάται από ρεύµα 10 ma το 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 20mV την οποία µετρήσαµε µε τον παλµογράφο (ορθότητα 3%), τότε το ρεύµα θα είναι: 0.2µΑ ± 23% =0.2±0.2x(23/100)=0.20±0.05 µα. (Γιατί όχι 0.2 ± 0.046µΑ ή ± 0.046µΑ;) 11 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) = 10 x log10(ρsignal/ρnoise) 12

4 Εργαστηριακή Άσκηση 2 Χρωµατικός Κώδικας Αντιστάσεων Μετρήσεις AC τάσης µε πολύµετρο Υπολογισµός αβεβαιότητας και αριθµού σηµαντικών ψηφίων στα αποτελέσµατα Μετρήσεις AC τάσης µε παλµογράφο (από οθόνη και µε την επιλογή Measure) Αναγνώριση, µέτρηση και ελαχιστοποίηση του θορύβου σε ένα ηλεκτρικό σήµα. Μαθησιακοί Στόχοι Εργαστήριο 2 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 (AC)). 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 Εισαγωγή στο PSpice Εγκατάσταση PSPICE υνατότητες PSpice Χρησιµοποίηση PSpiceγια 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) ηµιουργία γραφικών παραστάσεων Ανάλυση κυκλωµάτων (RC και RLC) 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 15 16

5 ηµιουργία πρότζεκτ µε το πρόγραµµα «Capture CIS Lite Edition» Από το µενού διαλέξτε File/New/Project. Αυτή η επιλογή οδηγεί στη δηµιουργία ενός καινούργιου πρότζεκτ. ώστε ένα όνοµα και καθορίστε το χώροόπουθααποθηκεύονταιτααρχείατου. Επιλέξετε Analog or Mixed AD και ακολούθως, blank project οπότε και θα ανοίξει το σχεδιάγραµµα µέσα στο οποίο θα υλοποιήσετε το κύκλωµά σας. 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) Έλεγχος Συνδεσµολογίας και Ανάλυση Κυκλώµατος Ο έλεγχος της συνδεσµολογίας µπορεί να γίνει από την επιλογή PSpice/Create Netlistκαι στη συνέχεια PSpice/View Netlist Ανάλυση Τάσης, Ρεύµατος και Ισχύος Για τον υπολογισµό των πιο πάνω µεγεθών σε ένα κύκλωµα (DC) µπορούµε να τρέξουµε µια απλή προσοµοίωση Bias Point Όλοι οι τύποι ανάλυσης του κυκλώµατος απαιτούν τη δηµιουργία ενός αρχείου προσοµοίωσης το οποίο µπορεί να δηµιουργηθεί από την επιλογή PSpice/New Simulation Profile ενώ η εκτέλεση της προσοµοίωσης γίνεται από το PSpice/Run Ρυθµίσεις Προσοµοίωσης Αποτελέσµατα 19 20

6 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). Αποτελέσµατα Ανάλυσης Ευαισθησίας 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. Αποτελέσµατα Ανάλυσης Ανοχής (Με µόνο την R1 να έχει 10% 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 = Max with Hi Min with Low 24

7 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) Σύνδεσµος στο αρχείο: Σύντοµη Εισαγωγή στο PSPICE