DIGITALNA TEHNIKA Ime : Priimek : VAJA 1 : MERILNI INSTRUMENTI a) Nasavie na funkcijskem generaorju signal s frekvenco f = 10 khz, ko ga kaže slika 1.6 a. b) Kompenziraje delilno sondo osciloskopa in izmerie čas naraščanja r pravokonega signala na izhodu funkcijskega generaorja. Izmerie udi maksimalno frekvenco f max pravokonega signala. c) Izmerie paramere RC usmernika pri reh frekvencah vhodne generaorske napeosi 1. Osciloskop Osciloskop je osnovni insrumen v elekroniki, s kaerim opazujemo elekrične signale v odvisnosi od časa. Osciloskop je v bisvu volmeer, ki ima nameso kazalca elekronski žarek, ki ga pomikamo v horizonalni (X) smeri. Na a način lahko opazujemo napeos ko odklon žarka v verikalni (Y) smeri, v odvisnosi od horizonalnega položaja žarka, ki je povezan s časom. Poleg napeosi lahko z osciloskopom merimo udi okove, vendar le posredno ko napeos na nekem majhnem uporu v okokrogu, oz. s pomočjo posebne okovne sonde. Ta meri magneno polje, ki ga povzroča elekrični ok v vodniku in ga prevarja v napeos. Običajno so ake sonde namenjene le merivam izmeničnih okov. 1 2 3 4 5 1 - zaslon z gumbi za nasaviev osrine in svelosi žarka 2 - verikalni odklon 1 ali X 3 - verikalni odklon 2 ali Y 4 - časovna baza 5 - sinhronizacija in zunanje proženje Slika 1.1 Razdeliev čelne plošče osciloskopa na funkcionalne enoe Analogni osciloskop Tekronix Na laboraorijskih vajah uporabljamo dvokanalne analogne in digialne osciloskope, s kaerimi lahko opazujemo hkrai dva signala. Na zgornji sliki je shemasko prikazana čelna plošča osciloskopa. Razdelimo jo v širi funkcionalne enoe. Ob zaslonu se nahaja sikalo za vklop in gumba za osrino (FOCUS) in svelos (INTENSITY) žarka. Verikalni odklon je razdeljen v dve samosojni enoi. Vsaka enoa vsebuje gumb za nasaviev verikalnega položaja žarka, pod njim je preklopnik s kaerim nasavljamo občuljivos kanala. Preklopnik je opremljen s skalo, s kaere lahko odčiamo nasavljeno občuljivos osciloskopa v V/razd oz. mv/razd. Preklopnik vsakokra kaže dve vrednosi, ker lahko merilni signal vodimo z direkno (1:1) ali pa delilno sondo (1:10), ki je priključena na koaksialni (BNC) vhod, ki je na dnu sekcije. Med preklopnikom in BNC priključkom je preklopnik s remi položaji : AC izmenični sklop GND ozemljiev vhoda DC enosmerni sklop.
2/8 VAJA 1 Digialna ehnika Srednji položaj omenjenega preklopnika ozemlji (krako sklene na ozemljiev) vhod posameznega kanala. Ponavadi vidimo v em položaju na zaslonu ravno čro, ki jo s pomočjo gumba za verikalni položaj posavimo v želeno izhodiščno lego na zaslonu. Navadno si za o izberemo sredino zaslona (izmenični signali) ali pa dno zaslona (unipolarni signali). DC GND Aenuaor Ojačevalnik AC Verikalni odklon Slika 1.2 Poenosavljena shema vhodnega dela verikalnega odklona Po nasavivi izhodišča premaknemo omenjeni preklopnik v položaj DC (direc curren - pojem za enosmerni ok, ki pa pomeni udi enosmerno merjenje napeosi in drugih elekričnih veličin) ali pa v položaj AC ( alernaing curren - s pomenom izmenični ok, napeos,... ). Slednji položaj se od DC razlikuje v em, da je osciloskop z merjencem povezan preko kondenzaorja, ki izloči enosmerno napeos. Zaradi ega veznega kondenzaorja ima osciloskop spodnjo frekvenčno mejo 10Hz. V položaju DC lahko merimo udi enosmerne signale. V em delu čelne plošče so udi sikala za vklop in izklop posameznega kanala, er za način dvokanalnega delovanja. V načinu ALT-ernae elekronski žarek riše oba kanala ako, da v vsakem preleu riše drugega. Sliki signalov se ponavljaa s polovično frekvenco. Ta izmenični način uporabljamo za višje frekvence. Druga možnos je CHOP - razsekavanje. V em načinu žarek znoraj enega prelea riše oba kanala ako, da ga preklapljamo med njima. Pri opazovanju hirih signalov opazimo, da sa signala razsekana. Ta način uporabljamo za nižje frekvence. Žarek pomikamo v horizonalni smeri z žagasim signalom časovne baze ali pa z zunanjim signalom, priključenim na vhod 1. Kakšen čas predsavlja razdelek (10 razdelkov v horizonali) na zaslonu kaže veliki preklopnik. Nad njim se nahaja še gumb za nasaviev horizonalnega položaja obeh žarkov. Skrajno desna sekcija je namenjena sinhronizaciji proženja (TRIGGER) časovne baze osciloskopa. Proženje je porebno, da je začeek prelea žarka sinhroniziran z opazovanim signalom. Časovno bazo prožimo z določeno vrednosjo izbranega (CH1, CH2 ali EXT) signala, ki ga nasavljamo z gumbom LEVEL. Poleg same vrednosi, lahko nasavljamo udi naklon signala ob prehodu nasavljenega nivoja. S preklopnikom MODE izbiramo med dvema načinoma proženja časovne baze: NORMAL AUTO prele žarka se sproži le če obsaja prožilni signal časovna baza čaka na proženje približno 50ms nao pa se sproži sama Običajno uporabljamo način AUTO, kaji udi v odsonosi signalov vidimo na zaslonu žarek. To je pomembno predvsem za nasavljanje izhodiščnega položaja, er merive enosmernih napeosi. NORMAL uporabljamo pri opazovanju počasnih izmeničnih signalov, ko lasno proženje prehieva želeni periodični prožilni signal. Poleg kalibriranih deliev skale v obeh smereh, imamo možnos spreminjai merilo udi zvezno z gumbom v osi preklopnikov. To možnos uporabljamo le poredko, zao se vedno prepričaje, da so vsi v skrajno desnem, zaskočenem položaju.
Digialna ehnika VAJA 1 3/8 Digialni osciloskop serije HP 54600 Osciloskopi serije 54600 so zasnovani ako, da so čimbolj podobni analognim osciloskopom, ki jih je večina uporabnikov navajena. Digialni osciloskop nudi določene dodane možnosi merive in opazovanja signalov, ki jih analogni nimajo. Večina gornjega opisa velja udi za digialne osciloskope HP. Čelna plošča je razdeljena na enak način le marsikaera funkcija se izvede s pomočjo programskih ipk. ki se nahajajo pod zaslonom. Njihov pomen se spreminja, v odvisnosi od zadnjega priiska gumba na čelni plošči. Vsakokrani pomen programske ipke je prikazan na zaslonu nad njo. Ko zgled si poglejmo nasaviev vhodnega sklopa AC, DC ali GND : s ipko pod preklopnikom verikalne občuljivosi izberemo kanal z zaporednim priiskanjem programske ipke osvelimo želeni sklop V em meniju lahko udi nasavie vrso merilne sonde 1:1, 1:10 ali 1:100. Nasaviev mora usrezai uporabljeni sondi sicer je na zaslonu izpisana verikalna občuljivos napačna. Digialni osciloskopi omogočajo udi meriev signalov, ko običajen volmeer ali frekvenčni ševec. Merilne sonde Merilne sonde, ki jih na vajah uporabljamo, so delilne (10:1) ali preklopne (10:1 in 1:1). Pri delilni sondi pripeljemo na vhod osciloskopa le deseino napeosi. S emi sondami lahko merimo višje napeosi ko z direknimi, poleg ega pa imajo nižjo vhodno kapaciivnos in s em večjo pasovno širino. Direkne sonde uporabljamo predvsem za meriev manjših signalov, ker z njimi dosežemo višjo občuljivos osciloskopa. Slika 1.3 prikazuje shemo delilne merilne sonde priključene na vhod osciloskopa. C k Osciloskop 9MΩ Merilna sonda s kablom 1MΩ Z 1 u 1 u 2 Z 2 Slika 1.3 Shema delilne sonde in njeno nadomesno vezje Iz nadomesnega vezja na sliki 1.3 vidimo, da je merjena napeos priključena na vhod osciloskopa preko napeosnega delilnika, ki ga sesavljaa impedanci Z 1 in Z 2. Prevajalna funkcija H(s) ega delilnika je v splošnem funkcija kompleksne frekvence s, kar vpliva na obliko časovnega signala. Obliki merjenega signala u 1 () in signala u 2 () na vhodu osciloskopa sa enaki, če je prevajalna funkcija konsana. To lahko dosežemo, če velja: ker iz ega sledi Za H(s) = 1/10 dobimo k = 9. Od od sledi: Z1 = kz2, k (1.1) Z2 Z2 1 H() s = = = Z + Z kz + Z 1 + k 1 2 2 2 (1.2) 1 1 1 Cvh + sck = sc vh C 9MΩ 9 + = 1M k (1.3) Ω 9
4/8 VAJA 1 Digialna ehnika Vhodna kapaciivnos ni za vse osciloskope vedno enaka, zao moramo sondo kompenzirai s em, da izpolnimo gornji pogoj. V a namen rabimo sponko (PROBE ADJUST) na kaerega priključimo delilno sondo. Vrljivi kondenzaor v ročaju sonde ali pa na BNC priključku nasavimo ako, da je slika pravokone napeosi na zaslonu osciloskopa čim bolj idealna (ravna). Pred očnimi merivami moramo sondo kompenzirai, v kolikor a ni salno priključena na isi osciloskop. Vsaka sonda ima udi žico za ozemljiev merjenca oz. povezavo na referenčno vozlišče. Pri merivah napeosi, ki so neposredno vezane na energesko omrežje, e žice ne uporabljamo, ker je osciloskop že ozemljen prek ozemljivene žile omrežnega kabla. Napačna priključiev v em primeru pomeni kraek sik, ki lahko poškoduje osciloskop. 2. Funkcijski generaor Funkcijski generaor je izvor signalov, ki jih uporabljamo v elekroniki. Na sliki je prikazana načelna predsaviev funkcijskega generaorja in osnovne oblike izhodnih signalov. Z gumbom AMPLITUDE nasavimo ampliudo izhodnega signala. Z izvlečenjem gumba DC OFFSET vključimo enosmerni napeosni generaor, ki je zaporedno vezan s signalnim generaorjem. Velikos in polarieo enosmernega pomika nasavljamo s sukanjem gumba. Obliko signala izbiramo s ipkami FUNCTION. Frekvenco signala nasavljamo sopenjsko z gumbi za izbiro usrezne frekvenčne dekade, er z velikim gumbom s skalo. Frekvence s em insrumenom ne moremo očno nasavii, zao jo moramo v primerih, ko se o zaheva, preverii z osciloskopom. Izhod funkcijskega generaorja povežemo z merjencem prek koaksialnega kabla, ki ima na eni srani BNC priključek na drugi pa rdečo in črno priključno žico s konaknim krokodilčkom. Nikakor ni dopusno v a namen uporabljai merilnih sond! Zunanji pol BNC priključka je preko energeskega kabla ozemljen, zao ga smemo priključii le v iso vozlišče, ko referenčno sponko osciloskopa, sicer bi naredili med ema vozliščema kraek sik. u g ( ) Uof 50Ω ON u g ( ) OFF u izh 3. Napajalniki Slika 1.4 Shema funkcijskega generaorja in osnovni izhodni signali Za napajanje vezij z enosmernimi napeosmi uporabljamo nasavljive usmernike, oz. napajalnike. Na vajah uporabljamo napajalnik, ki ima dva nasavljiva napeosna vira in vir z napeosjo 5 V za napajanje logičnih vezij. Vsi viri so med seboj neodvisni, lahko pa jih med sabo povežemo. Nasavljiva vira sa lahko vezana vzporedno oz. zaporedno z usreznim sikalom. V prvem primeru se poveča maksimalni izhodni ok, v drugem pa napeos. Zaporedno ju povežemo udi kadar želimo uporabljai dvojno napajanje, npr. +10 V in 10 V. V em primeru uporabimo noranji sponki napajalnika za referenčno vozlišče (maso). Na sliki 1.5 je prikazana U(I) karakerisika napajalnika skupaj z njegovo shemasko predsavivijo. Z vgrajenima insrumenoma lahko vedno konroliramo napeos in ok napajalnika. Kadar se
Digialna ehnika VAJA 1 5/8 zaheva očnejša nasaviev izhodne napeosi, jo pri nasavljanju merimo z bolj naančnim univerzalnim insrumenom. U iz U 0 I max Tokovna omejiev U 0 U iz I max I iz Slika 1.5 Izhodna karakerisika U iz (I iz ) laboraorijskega usmernika in njegovo nadomesno vezje 4. Univerzalni insrumeni Z njimi merimo napeos ok in upornos. Tok in napeos sa lahko enosmerna ali izmenična. Pri slednjih merivah je deklarirana očnos zagoovljena le pri sinusnih napeosih in okovih. Pri merivah izmeničnih signalov drugih oblik, je bolje opazovai signal z osciloskopom. Univerzalni insrumeni merijo izmenične veličine na osnovi enosmerne (srednje) vrednosi polvala, ki ga dobimo z usmerjanjem. Izmerjene vrednosi so očne le za meriev sinusnih napeosi in okov do mejne frekvence. Insrumen kaže v em primeru efekivno vrednos. Elekronski digialni univerzalni insrumeni se odlikujejo predvsem pri merivah enosmernih napeosi, saj imajo zelo visoko noranjo upornos. Ko ampermeer so slabši saj merijo ok posredno preko napeosi na noranji upornosi, ki se spreminja z menjavanjem merilnega območja. Merilne sponke za merjenje oka so zaščiene z varovalko (2 A) razen območja 10 A. V primeru, da ampermeer ne kaže oka, je verjeno porebno zamenjai varovalko. M e r i e v : a) Za prvi del vaje priklopimo osciloskop na funkcijski generaor. Pazii moramo, da vežemo maso osciloskopa na "hladno" sponko generaorja. Nao prakično preskusimo, kaj pomenijo posamezna sikala na osciloskopu in funkcijskem generaorju. Časovno merilo na sliki prikazuje zgolj razmerje med impulzom in pavzo. Pri nasavivah pazie na preproso dejsvo, da spreminjanje položaja slike z gumbi za položaj žarka na osciloskopu, v ničemer ne vpliva na izhodni signal funkcijskega generaorja. Sliko na zaslonu pokažee u g ( ) [v] 3 2 u() 90% 100% 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10% r Slika 1.6 a) zahevana nasaviev izhodnega b) definicija časa naraščanja r (rise signala s frekvenco 10 khz ime) pravokonega signala
6/8 VAJA 1 Digialna ehnika b) V elekroniki so hirosi prehodnih pojavov definirane s časom naraščanja, oz. upadanja. Čas naraščanja je definiran ko čas, v kaerem napeos (ok) narase z 10 % na 90 % končne vrednosi. To velja ako za diskrene elekronske elemene (diode, ranzisorji, id.), ko za inegrirana vezja (logična vraa, komparaorji, id.). Čas upadanja je določen podobno le, da opazovana veličina upada proi nižji vrednosi. Čas naraščanja načeloma ni odvisen od frekvence impulzov, vendar mora bii čas, ki ga prikazuje slika na zaslonu analognega osciloskopa primerljiv s periodo opazovanega signala, sicer posane slika na zaslonu preemna in žarka sploh ne opazimo. Pri merivi časa r povečaje frekvenco opazovanega signala oliko, da dobie dovolj svelo sliko ob zadosni horizonalni ločljivosi (časovna baza), vendar ne na maksimalno. Polperioda pravokone napeosi mora bii dovolj dolga, da lahko ugoovimo, koliko je vrednos 100 % impulza. Ker gre v em primeru le za merive časa, lahko uporabie posebno skalo na zaslonu osciloskopa, ki je predvidena ravno za ake merive. Ampliudo signala (100%) na zaslonu lahko prilagodie z vrenjem gumba za nasaviev ampliude na funkcijskem generaorju ali pa z gumbom za zvezno spreminjanje ojačenja. Za digialni osciloskop dvig frekvence ni oliko pomemben, saj lahko z njim merimo udi enkrane prehodne pojave. Svelos slike ni odvisna od nasavljene časovne baze, ker je merjeni signal vzorčen in shranjen v digialni obliki v pomnilniku osciloskopa. Digialni osciloskop omogoča udi merive z uporabo kazalcev (kurzorjev), oziroma lahko uporabimo avomaizirano meriev časa naraščanja. Ta meriev lahko izmeri napačno vrednos, v kolikor poek merjenega signala preveč odsopa predvidene oblike. Zao je reba pri ej merivi preverii položaja napeosnih kazalcev, ki se samodejno posavia na usrezna nivoja med kaerima se meri čas naraščanja. Maksimalno frekvenco funkcijskega generaorja izmerie za simerično pravokono napeos, pri kaeri sa dolžini impulza in pavze enaka (τ = T/2). c) Meriev paramerov RC usmernika Na merilni ploščici je izdelan prepros RC usmernik, kakršne uporabljamo za usmerjanje izmeničnih napajalnih napeosi. Elekrična shema usmernika je prikazana na sliki 1.7. Vhodno izmenično napeos vodimo preko diode na kondenzaor s kaerim gladimo izhodno napeos. Upor R2 predsavlja bremenski upor prek kaerega eče enosmerni ok. Polprevodniška dioda prevaja le akra, ko je vhodna generaorska napeos višja od napeosi na kondenzaorju, V obranih primerih je dioda zapra in izhodno napeos vzdržuje kondenzaor. Zaradi bremenskega oka, ki prazni kondenzaor prazni, edaj izhodna napeos upada. Časovna poeka vhodne in izhodne napeosi sa podana na sliki 1.8, in sicer za primer, ko je na vhodu sinusna napeos, kakršno dobimo iz omrežnih ransformaorjev. Usmernike lahko napajamo udi z drugimi oblikami izmeničnih napeosi. Pri preklopnih napajalnikih je o v večini primerov pravokona napeos. X1 GEN VH J1 V1 X7 X3 R1 51 1N4148 C1 10u R2 2,2k X5 Sl. 1.7 Vezje RC-usmernika
Digialna ehnika VAJA 1 7/8 U pp U 0 U min U m u g () Sl. 1.8 Meriev valoviosi usmernika Izhodna napeos usmernika je sesavljena iz enosmerne komponene U 0, na kaero je superponirana majhna izmenična komponena, ki je posledica polnenja in praznenja kondenzaorja. Vršna vrednos izmenične izhodne napeosi je razlika med maksimalno in minimalno napeosjo. Označena jo ko U pp (peak o peak volage). Razmerje med ampliudo izmenične komponene in enosmerno izhodno napeosjo imenujemo valovios γ = U AC U pp U = DC 2 UD C in je eno od meril kvaliee usmernika. Valovios je odvisna od obremenive usmernika er oblike in frekvence vhodne napeosi. Običajno jo izražamo v procenih. (1.4) Meriev: Sondi osciloskopa priključimo na merilno vezje. Ponavadi uporabimo prvi kanal za vhod (X1) in drugi kanal za izhod (X3). Ozemljiveni priključek priključimo s krokodilčkom na priključek X5. Na izhod usmernika priključimo še univerzalni insrumen, s kaerim bomo merili enosmerno izhodno napeos. Izhod funkcijskega generaorja priključimo na vhod usmernika prek koaksialnega kabla z BNC priključki. Oba kanala osciloskopa nasavimo na enosmerni sklop (DC) in primerno občuljivos. Ampliudo vhodne napeosi nasavimo na 5 V. Z drugim kanalom pomerimo minimalno izhodno napeos U min. Nao presavimo sikalo za sklop drugega kanala v položaj (AC) (izmenični sklop) in povečamo občuljivos, da lahko odčiamo napeos med negaivnim in poziivnim vrhom izmenične napeosi. Odčiek je vršna vrednos izmenične napeosi U pp (peak o peak volage). Meriev opravie za sinusno in pravokono vhodno napeos pri reh frekvencah, ki so podane v abeli v kaero vpišee merilne rezulae na naslednji srani.
8/8 VAJA 1 Digialna ehnika R e z u l a i : b) Meriev funkcijskega generaorja Čas vzpona Maksimalna frekvenca r f max c) Meriev RC usmernika Oblika f [Hz] U 0 [V] U min [V] U AC =U pp /2 [V] γ [%] 50 500 5000 50 500 5000