ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA Katedra mechatroniky a elektroniky BAKALÁRSKA PRÁCA ESM BP/13-2008 Turčák Michal
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA Katedra mechatroniky a elektroniky BAKALÁRSKA PRÁCA Simulácia a návrh generátora signálu obdĺžnikového tvaru Študijný odbor: ELEKTROTECHNICKÉ SYSTÉMY V MECHATRONIKE Vedúci bakalárskej práce: Ing. Ivan Kožehuba Stupeň kvalifikácie: bakalár (Bc.) Dátum odovzdania práce: 6. 6. 2008 ŽILINA 2008 Turčák Michal
Priezvisko a meno: Turčák Michal Rok: 2008 Názov bakalárskej práce: Simulácia a návrh generátora signálu obdĺžnikového tvaru Fakulta: Elektrotechnická Katedra: Mechatroniky a elektroniky Počet strán: 37 Počet obrázkov: 53 Počet tabuliek: 0 Počet grafov: 2 Počet príloh: 3 Počet použ. lit.: 9 Anotácia v slovenskom jazyku: Táto bakalárska práca sa zaoberá návrhom generátora signálu obdĺžnikového tvaru a jeho následným analyzovaním pomocou programu MultiSIM a pomocou virtuálneho meracieho prístroja vytvoreného v programovacom prostredí LabVIEW. Anotácia v anglickom jazyku: This bachelor thesis deal with design of rectangular shaped signal generator and its consecutive analysis by program MultiSIM and with help of programmed virtual equipment, with was created in programming environment LabVIEW. Kľúčové slová: generátor signálu obdĺžnikového tvaru, MultiSIM, LabVIEW Vedúci bakalárskej práce: Ing. Ivan Kožehuba Recenzent bakalárskej práce: Ing. Libor Hargaš Dátum: 30. 5. 2008
ČESTNÉ PREHLÁSENIE Prehlasujem, že som danú bakalársku prácu vypracoval samostatne, pod odborným vedením vedúceho bakalárskej práce Ing. Ivana KOŽEHUBU a používal som len literatúru uvedenú v práci. Súhlasím so zapožičiavaním bakalárskej práce. V Žiline, dňa 6. 6. 2008... Podpis
OBSAH 1. ÚVOD... 10 2. GENERÁTORY OBDĹŽNIKOVÉHO SIGNÁLU... 11 2.1. ASTABILNÝ PREKLÁPACÍ OBVOD... 11 2.1.1. Tranzistoroví astabilný preklápací obvod... 11 2.1.2. Astabilný preklápací obvod s logickými členmi... 13 2.2. SCHMITTOV RC OSCILÁTOR... 14 2.3. ČASOVACÍ OBVOD 555... 16 2.3.1. Úvod do časovača 555... 16 2.3.2. Štruktúra časovača 555... 17 2.3.3. Astabilný preklápací obvod s časovačom 555... 17 3. NÁVRH GENERÁTORA OBDĹŽNIKOVÉHO SIGNÁLU...20 4. MULTISIM... 23 4.1. MULTISIM, ZÁKLADNÁ CHARAKTERISTIKA... 23 4.2. MULTISIM, PRACOVNÉ PROSTREDIE... 23 4.3. VYTVORENIE A ODSIMULOVANIE OBVODU... 24 5. LABVIEW... 27 5.1. LABVIEW, ZÁKLADNÁ CHARAKTERISTIKA... 27 5.2. MERACIA KARTA NATIONAL INSTRUMENTS PCI 6221 E... 27 5.3. VIRTUÁLNY PRISTROJ... 28 5.3.1. Čelný panel... 28 5.3.2. Bloková schéma... 29 5.4. ZÁKLADY PROGRAMOVANIA V PROGRAME LABVIEW... 30 5.4.1. Návrh virtuálneho meracieho pristroja... 30 5.4.2. Zdrojová časť... 31 5.4.3. Snímanie a spracovanie signálu... 36 5.4.4. Ukladanie hodnôt (vzorkovanie)... 39 5.4.5. Ovládanie čelného panelu... 40 6. PRÁCA S MERACÍMI PRÍSTROJMI, POROVNANIE MULTISIM S LABVIEW... 40 7. ZÁVER... 45 8. ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY... 46
ZOZNAM POUŽITÝCH OBRÁZKOV Obr. 2.1 Tranzistorový astabilný preklápací obvod Οbr. 2.2 Časové priebehy obvodových veličín astabilného preklápacieho obvodu Obr. 2.3 Astabilný preklápací obvod s logickými členmi Obr. 2.4 Časové diagramy astabilného preklápacieho obvodu s použitím logických členov Obr. 2.5 Schéma Schmittovho RC oscilátora Obr. 2.6 Časové diagramy Schmittovho RC oscilátora Obr. 2.7 Vnútorné zapojenie časovača 555 Obr. 2.8 Schematická značka časovača 555 Obr. 2.9 Generátor signálu obdĺžnikového tvaru realizovaný časovačom 555 a diódou D Obr. 2.10 Generátor signálu obdĺžnikového tvaru realizovaný časovačom 555 bez diódy D Obr. 2.11 Časové diagramy časovača 555 Obr. 3.1 Schéma zapojenia 555 pre úlohu č. 1 Obr. 3.2 Schéma zapojenia 555 pre úlohu č. 3 Obr. 3.3 Schéma zapojenia 555 pre úlohu č. 4 Obr. 4.1 Pracovné prostredie v MultiSIM 10 Obr. 4.2 Databáza súčiastok Obr. 4.3 Snímač frekvencie v MultiSIM 10 Obr. 4.4 Osciloskop v MultiSIM 10 Obr. 4.5 Zapojenie pre úlohu č. 2 v MultiSIM 10 Obr. 4.6 Generátor signálov v MultiSIM 10 Obr. 5.1 Multifunkčná meracia karta NI 6221 E Obr. 5.2 Čelný panel v LabVIEW 8.5 Obr. 5.3 Bloková schéma v LabVIEW 8.5 Obr. 5.4 Bloková schéma zdrojovej časti Obr. 5.5 Snímanie a spracovanie signálu bloková schéma Obr. 5.6 Ukladanie hodnôt bloková schéma Obr. 5.7 Generátor signálu Obr. 5.8 Výber regulátora
Obr. 5.9 Matematické operácie Obr. 5.10 Regulácia frekvencie TTL signálu Obr. 5.11 Ponuka Exces Control Obr. 5.12 Ukážka zapojenia Case Stuctury Obr. 5.13 Ponuka pre výber tlačidiel Obr. 5.14 Výber OSC Obr. 5.15 Výber meracej karty Obr. 5.16 Ukážka zapojenia zdrojovej časti v LabVIEW 8.5 Obr. 5.17 Ukážka čelného panelu zdrojovej časti v LabVIEW 8.5 Obr. 5.18 Výber Round Led Obr. 5.19 Výber Num Ind Obr. 5.20 Výber meracej karty Obr. 5.21 Delič signálu Obr. 5.22 Analyzovanie signálu Obr. 5.23 Výber ln2 Obr. 5.24 Ukážka zapojenia snímania a spracovania signálu v LabVIEW 8.5 Obr. 5.25 Ukážka čelného panelu snímania a spracovania signálu v LabVIEW 8.5 Obr. 5.26 Výber funkcie pre ukladanie hodnôt Obr. 5.27 Ukážka vyplneného okna Write Meas File Obr. 6.1 Namerané hodnoty k úlohe č.1 v MultiSIM 10 Obr. 6.2 Namerané hodnoty k úlohe č. 1 v LabVIEW 8.5 Obr. 6.3 Výstupné charakteristiky k úlohe č. 2 Obr. 6.4 Porovnanie frekvencii f a dôb T on a T off Obr. 6.5 Snímky s OSC pri zmenách T on a T off v LabVIEW 8.5 Obr. 6.6 Snímky s OSC pri zmenách T on a T off v MultiSIM 10 Graf. 6.1 Grafy závislosti frekvencie f od celkového odporu R 11 +R 21 +D Graf. 6.2 Grafy závislosti celkového odporu R 11 +R 21 +D s dobou T on a závislosť celkového odporu R 12 +R 22 s dobou T off
ZOZNAM POUŽITÝCH SKRATIEK A SYMBOLOV u k C R T 1,2 t 1,2 U cc u be T U γ H 1,2 H L u c U ref u o K 1,2 D f T off T on TTL DC OSC T1,2 kolektorové napätie kapacita kondenzátora rezistor tranzistory doby trvania jednotlivých stavov napájacie napätie kolektorové napätie perióda napätie, pri ktorom sa otvorí tranzistor logické členy NAND logická jednotka logická nula napätie na kondenzátore referenčné napätie výstupné napätie napäťové komparátory dióda frekvencia doba vypnutia doba zopnutia Transistor Transistor Logic (Logika Tranzistor-Tranzistor) jednosmerné napätie osciloskop kurzory v OSC v MultiSIM 10
1. ÚVOD Virtuálny priestor má na rozdiel od skutočného niekoľko výhod. Tieto výhody spočívajú v tom, že čokoľvek vykonáme, pokazíme nič sa nestane. Nanajvýš nás počítač upozorni, že sa vyskytla nejaká chyba. Táto vlastnosť sa dosť využíva v priemysle v predvýrobnej etape, kedy sa výrobok projektuje. Tu sa výrobok vymodeluje po rozmerovej aj fyzikálnej stránke a potom sa vyskúša, či pracuje správne a ak nie, menia sa parametre až kým nebude pracovať podľa našich predstav. MultiSIM je opäť virtuálny priestor, v ktorom si môžeme navrhnúť elektronické zapojenie, kde ku každej súčiastke pridelíme určité parametre. Potom len na požadované miesta vložíme virtuálny merací pristroj a odsimulujeme. Na prístroji vidíme, ako sa zapojenie správa. A ak sa nám nepáči jeho správanie, stačí len meniť hodnoty súčiastok, kým nám výstupný signál nebude vyhovovať. V tomto programe môžeme skúšať viaceré zapojenia, bez toho aby sme sa báli, že sa nám niečo pokazí, nanajvýš ak sa vyskytne nejaká chyba program nás na ňu upozorní. V tejto prací sa stretneme ešte s jedným programom, ktorý sa volá LabVIEW. Tento program nám dovolí za pomoci priloženej meracej karty National Instruments PCI 6221 E vytvoriť si virtuálny merací pristroj. V prostredí LabVIEW si vytvoríme virtuálne meracie zariadenie, ktoré bude pre konkrétne meranie, čím sa stáva prehľadnejšie. Jednotlivé grafy, tabuľky, snímače sa dajú pekne popísať tak, že i laik pri pozretí na tento pristroj hneď vie kde sa čo nachádza a na čo to je. 10
2. GENERÁTORY OBDĹŽNIKOVÉHO SIGNÁLU 2.1. ASTABILNÝ PREKLÁPACÍ OBVOD 2.1.1. Tranzistoroví astabilný preklápací obvod Rk1 Rb2 Rb1 Rk2 T1 C1 C2 T2 Ucc uk1 ub1 ub2 uk2 Obr. 2.1 Tranzistorový astabilný preklápací obvod Na obrázku obr. 2.1 máme typicky príklad tranzistorového astabilného preklápacieho obvodu. Ktorý nemá ani na jednom s dvoch výstupov stabilný stav. Ak je na jednej strane signál tak na druhej je nula a na opak. Princíp funkčnosti spočíva v postupnom otváraní a zatváraní tranzistorov. Tak že, predstavme si že tranzistor T 2 je otvorený. Kladný pol kapacity C 1 (kapacita C 1 sa pri otvorenom tranzistore T 1 a zatvorenom tranzistore T 2 nabila na hodnotu napájacieho napätia U cc ) sa cez otvorený T 2 dostane na nulový potenciál, čím sa zmení polarita a na baze T 1 sa objaví záporne napätie u be1 = U cc. Tranzistor T 1 sa uzavrie. Napätie na kolektore u k1 sa nám začne meniť vplyvom nabíjania kapacity C 2 cez odpor R k1 podľa toho to vzťahu (2.1) t / R C u = U 1 e k1 2 k1 cc (2.1) Potom popri otvorenom tranzistore T 2 sa nám kapacita C 1 začne vybíjať cez odpor R b1 a na krátku chvíľu nabíjať. Prejavy sa to zväčšovaním napätia u be1 na prahové napätie U γ. (U γ napätie, pri ktorom sa otvorí tranzistor). Kedy sa tranzistor T 1 otvorí. 11
Priebeh napätia na báze prvého tranzistora T 1. t / R C u = U + U U b t / R C b 1 be1 cc cc cc cc ( ). e 1 1 = U 1 2e 1 (2.2) Doba trvania stavu kedy je tranzistor T 1 uzavretý a T 2 otvorený, vyjadrime (2.3) t = R C ln 1 b1 1 ( 2U cc )/( U γ U cc ) 0,7R C b1 1 c (2.3) za predpokladu že U γ <<U cc. V druhom cykle, keď máme tranzistor T 1 otvorený a T 2 zatvorený. Napätie u k1 klesne na nulu a u k2 bude mať hodnotu napájacieho napätia U cc. Keď že je tranzistor T 1 otvorený, kladný pol kondenzátora C 2 (ktorý sa pri prvom cykle cez odpor R k1 nabil na napájacie napätie U cc ) sa uzemni, kapacita C 2 sa prepoľuje a na u b2 sa objavy záporná hodnota napätia u b2 = -U cc. Ta sa vplyvom pripojeného odporu R b2 začne zväčšovať na hodnotu Uγ, kedy sa tranzistor T 2 sa otvory a T 1 zatvorí. Priebeh kolektorového napätia u k2 druhého tranzistora T 2 (2.4) u k = U 1 e t / R k 2C1 2 cc Priebeh bazového napätia u b2 druhého tranzistora T 2 (2.5) u = + t / R b C t / R C b 2 be2 U cc U cc U cc U cc ( ) e 2 2 = 1 2e 2 (2.4) (2.5) Doba trvania stavu kedy je tranzistor T 2 uzavretý a T 1 otvorený, vyjadríme (2.6) ( 2Ucc )/( U γ Ucc ) 0,7Rb2 2 t2 = Rb2C2 ln C (2.6) za predpokladu že U γ <<U cc. Perióda T preklápania je daná (2.7) T = t1 + t2 = 0,7Rb1C 1 + 0,7Rb2C2 (2.7) Časové závislosti jednotlivých obvodových veličín sú znázornené na obr.2.2 12
Οbr. 2.2 Časové priebehy obvodových veličín astabilného preklápacieho obvodu 2.1.2. Astabilný preklápací obvod s logickými členmi Obr. 2.3 Astabilný preklápací obvod s logickými členmi Na obrázku obr. 2.3 máme astabilný preklápací obvod s logickými členmi, ktorý sa skladá s dvoch logických členov H1, H2 typu nand s kapacitami a odpormi. Predstavme si že na výstupe Y1 máme úroveň L (L je logická nula) a na výstupe Y2 máme úroveň H (H je logická jednotka). Úroveň H sa nám prenesie ku kondenzátoru C1, ktorý bude tuto hodnotu cez seba prenášať na logicky člen H1, kde sa signál H zmení na L, L sa cez kondenzátor C2 dostane na logicky člen H2 (cez tuto dobu sa kondenzátor C2 vybíja cez odpor R2) kde sa zmení na hodnotu H. Tento cyklus bude trvať kým kondenzátor C1 vplyvom svojho nabíjania nezmení hodnotu H na hodnotu L. L sa dostane na vstup logického člena H1 kde sa zmení na H. Signál H bude na výstupe kondenzátora C2 (kým sa dostatočné nenabije a potom prestane prenášať a na výstupe kondenzátora sa objaví hodnota L) ktorý nám ho prenesie na logicky člen H2 13
kde sa zmení na L. Kondenzátor C1 sa mam začne vybíjať cez odpor R1. A na vstupe logického člena H1 budeme mať L, kde sa nám negáciou zmení na H. Tento cyklus sa ďalej bude opakovať. Jedna perióda astabilného preklápacieho obvodu s logickými členmi (2.8) T = t + t R C + R C 1 2 1 1 2 2 (2.8) Aby dochádzalo k preklápaniu hodnoty odporov musia byť také, aby vstupná úroveň napätia mala možnosť prechádzať rozhodovacou úrovňou. Obr. 2.4 Časové diagramy astabilného preklápacieho obvodu s použitím logických členov 2.2. SCHMITTOV RC OSCILÁTOR Na obrázku obr. 2.5 máme znázornené Schmittovo zapojenie. Na rozdiel od predchádzajúcich obvodov generuje obdĺžnikoví signál aj zo zápornou hodnotou, ako je vidieť na obr. 2.6. Táto schéma je zložená s komparátora, ktorý porovnáva U c (napätie na kapacite) na invertujúcom vstupe s U ref (referenčné napätie), ktoré sa získa s napäťového deliča a tento delič je napájaný s výstupu komparátora. 14
Obr. 2.5 Schéma Schmittovho RC oscilátora Obvod generuje obdĺžnikový signál pomocou kapacity C x, ktorá sa nabíja a vybíja cez odpor R x na polovičnú hodnotu u o ( u c = u 0 /2 ). Tak že ak je na výstupe komparátora záporná hodnota napätia -u o, napätie na kapacite C x bude klesať, kým nedosiahne -u o /2. Potom začne komparátor prepúšťať +Ucc a zastaví tok -U cc. Pre to sa na výstupe objavy kladná hodnota napätia u o = +U cc. Potom začne napätie u c, pod vplyvom odporu R x stúpať s -u c /2 na +u c /2. Keď dosiahne +u c /2, komparátor prestane prepúšťať +U cc a začne púšťať -U cc. Tak že na výstupe s komparátora sa objaví záporná hodnota napätia u o = -U cc. Celý tento priebeh je znázornený na obr. 2.6 Doba trvania celej periódy je vyjadrená vzorcom (2.9). T = 2R C ln 3 x x (2.9) Obr. 2.6 Časové diagramy Schmittovho RC oscilátora 15
2.3. ČASOVACÍ OBVOD 555 2.3.1. Úvod do časovača 555 555 integrovaný obvod označovaný týmto číslom, sa skladá z niekoľkých funkčných blokov (analógovej časti a číslicovej) ktoré pri správnom použití rôznych vonkajších súčiastok nám dovoľuje vytvoriť rôzne varianty časovacích obvodov. Vo svete sú aj novšie verzie tohto časovača ktoré sa skladajú z dvoch a až zo štyroch 555 integrovaných obvodov. Vyrábajú sa aj v prevedení CMOS ktoré sú charakterizované malou spotrebou. Vzhľadom k rovnakému rozloženiu vývodov je možné použiť verziu CMOS skoro vo všetkých zapojeniach, pôvodne robených pre bipolárny časovač 555.[2] Obr. 2.7 Vnútorné zapojenie časovača 555 Obr. 2.8 Schematická značka časovača 555. 1 nula, 2 spúšťanie, 3 výstup, 4 nulovanie, 5 radiace napätie, 6 prah, 7 vybíjanie, 8 napájanie 16
2.3.2. Štruktúra časovača 555 Časovač 555 je integrovaný obvod zložený z napäťového deliča, z dvoch komparátorov, z pamäťového preklápacieho obvodu, z výkonového koncového člena a zo spínacieho tranzistoru. Komparátory K 1, K 2 porovnávajú napätia na vstupoch threshold (prah) a trigger (spúšťanie) s referenčnými napätiami, ktoré je vytvorené napätovim deličom. Výstupy oboch komparátorov sú spojene so vstupmi preklápacieho obvodu, ktorý má vyvedený ešte jeden nulovací vstup. Výstupný signál preklápacieho obvodu je zosilnený výstupným výkonovým stupňom, ktorého výstup tvorí hlavný výstup časovača 555. Ku preklápaciemu obvodu je ešte pripojený vybíjaní (discharge) tranzistor. [2] 2.3.3. Astabilný preklápací obvod s časovačom 555 Na obrázku obr. 2.9 je znázornene jedno s mnohých zapojení časovača 555. Tento obvod ako aj iné vytvára sled po sebe opakujúcich sa impulzov. Doba trvania impulzu závisí od toho za aký čas napätie na kondenzátore C a, u c vzrastie na 2/3 napájacieho napätia U cc, čím sa aktivuje komparátor K 1. Ten preklápací obvod vynuluje a kondenzátor C a sa vybíja cez odpor R a a vybíjací tranzistor. Keď poklesne napätie na kondenzátore u c na 1/3 U cc. Aktivuje sa zapínací komparátor K 2, ktorý preklopí preklápací obvod, čím sa vypne vybíjací tranzistor. Napätie u c, cez odpor R b a diódu D začne exponenciálne stúpať na hodnotu 2/3 U cc, kedy sa znova aktivuje komparátor K 1. A znova sa to všetko zopakuje. Rb RST VCC OUT DIS D Ra THR TRI CON 555 GND uo Ucc uc Ca Cb Obr. 2.9 Generátor signálu obdĺžnikového tvaru realizovaný časovačom 555 a diódou D 17
(2.10). Napätie u c pri vybíjaní kondenzátora C a je charakterizovane týmto vzorcom u c 2 3 T RaC ( t) = U e a cc (2.10) Čas T off si vyjadrime keď za u c dosadíme 1/3 U cc (2.12). T off 1 2 U = U e RaCa 3 cc 3 cc (2.11) T off = R C a a.ln 2 0,693R C a a (2.12) Čas T on je zase doba kedy u c z 1/3 U cc vzrastie na 2/3U cc (2.14) u c ( t) = U U cc d 2 U cc U d. e 3 T on R b C a (2.13) T on 2Ucc 3 = R C.ln Ud b a U cc 3U d (2.14) Ak U cc >>3.U d môžeme U d zanedbať a potom dostaneme. (2.15) T = R C. ln 2 0, 693R C on b a b a (2.15) Frekvencia kmitov. (2.16) f 1 = Toff + Ton = 1 Rb Ca ( + ). ln 2 Ra (2.16) Ako vidieť zo vzorcov v tomto prípade sa časi T off a T on dajú regulovať samostatne zmenou odporov R a a R b. Frekvencia sa dá meniť zmenou kondenzátora C a. Len pre porovnanie je na obr. 2.10 generátor signálu obdĺžnikového tvaru s časovačom 555 bez diódy D. 18
Rb RST VCC OUT DIS Ra THR TRI CON 555 GND uo Ucc uc Ca Cb Obr. 2.10 Generátor signálu obdĺžnikového tvaru realizovaný časovačom 555 bez diódy D Rozdiel medzi týmito dvoma zapojeniami spočíva v čaše T on. Keď že v tomto prípade nemáme diódu kondenzátor sa bude nabíjať nielen cez odpor R b ale aj cez odpor R a, ktorý treba do vzorca zaradiť. (2.18) T off = R C a a.ln 2 0,693R C b a (2.17) T on = ( R a + R b ) C.ln 2 0,693( R a + R b ) C a a X (2.18) Frekvencia potom vyzerá takto. (2.19) f 1 = Toff + Ton = 1 ( 2. + ) ln 2 Ra Rb Ca (2.19) S tohto vzorca je vidieť že vždy čas T off bude menší ako čas t on (T off <T on ). Frekvencia sa dá regulovať tak ako v predchádzajúcom zapojení. Obr. 2.11 Časové diagramy časovača 555 19
3. NÁVRH GENERÁTORA OBDĹŽNIKOVÉHO SIGNÁLU Pri návrhu generátora signálu obdĺžnikového tvaru som nemal presne stanovené hodnoty. Z toho dôvodu som si vytvoril 4 úlohy, pri ktorých budem skúšať a merať rôzne parametre 555 integrovaného obvodu. Tieto úlohy sú koncipované, tak aby som priblížil prácu v MULTISIME a možností práce s prostredím LabVIEW. Úloha č. 1 Vypočítajte odpor R 11 a R 12, pri požadovanej frekvencii 70hz, doba zopnutia T on sa musí rovnať dobe vypnutia T off (T on =T off ) a pri kapacite C a =10nF. Po zrealizovaní a zapojení (obr. 3.1), zosnímajte amplitúdu u o, doby T on, T off a frekvenciu f, ktoré potom porovnajte so zadanými hodnotami. Potom zosnímajte napätie na u c a zistite pri akej hodnote sa na výstupe objavy signál a pri akej zmizne. R11 5 V D R12 RST DIS VCC OUT THR TRI 555 Ca 10nF uc Cb 10nF CON GND uo Obr. 3.1 Schéma zapojenia 555 pre úlohu č. 1 Keď že T on =T off tak aj R 12 a R 11 sa rovnajú (R 11 =R 12 ) Odpor R 11 vypočítame s tohto vzorca (3.2) 1 1 f = R = 70 2R. 11 C a ln 2 11 2 f70c a ln 2 1 R = = 1,03MΩ 11 2.70.10.10 9.ln 2 (3.1) (3.2) 20
Úloha č. 2 Odpojte vstup RST z integrovaného obvodu (obr. 3.1) a zapojte naň generátor TTL signálu na ktorom meňte frekvenciu. Pozorujte zmeny, ktoré sa vykonajú na výstupnom signály. Úloha č. 3 Regulujte frekvenciu zo 70hz na 40hz, pri T on =T off, prostredníctvom dvojitého potenciometra, ktorý je označený ako R 2. V grafe vykreslite závislosť frekvencie f od celkového odporu R (R=R 11 +R 21 ). A porovnajte doby T on, T off pri 40hz a pri 70hz. R11 R21 R22 5 V D R12 RST DIS VCC OUT THR TRI 555 Ca 10nF uc Cb 10nF CON GND uo Obr. 3.2 Schéma zapojenia 555 pre úlohu č. 3 Hodnotu potenciometra R 21 a R 22 (R 21 =R 22 ) si vypočítame s celkového odporu R, ktorý dostaneme z rovnakého vzorca (3.3) ako pred tým, len s rozdielom, že namiesto 70hz dáme 40hz. 1 1 R = = = 1,8 MΩ 2 f40ca ln 2 2.40.10.10 9.ln 2 R = R R = 0, 8MΩ 21 11 (3.3) (3.4) 21
Úloha č. 4 Vypočítajte hodnoty rezistorov R 11, R 12 a potenciometrov R 21, R 22. Pri konštantnej frekvencii 50hz a pri regulovaní dôb od T on =7ms, T off =13ms do T on =13ms, T off =7ms. V grafe znázorníte závislosť celkového odporu R 11 +R 21 s dobou T on a závislosť celkového odporu R 12 +R 22 s dobou T off. Urobte obrázky z tejto regulácie pri minimálnych a maximálnych hodnotách dôb T on a T off. R11 R21 R22 5 V D R12 VCC RST OUT DIS THR TRI 555 Ca 10nF uc Cb 10nF CON GND uo Obr. 3.3 Schéma zapojenia 555 pre úlohu č. 4 Keďže máme konštantnú frekvenciu a minimálne a maximálne doby pri obidvoch pomeroch T on a T off sú rovnaké s toho vyplýva. že R 11 =R 12 a R 21 =R 22. Totiž platí tu závislosť, keď je pomer T on =7ms, T off =13ms tak potenciometer R 21 nevykoná žiaden odpor, zato u druhej vetvy sa R 12 sčítava s R 22. A naopak ak je pomer T on =13ms, T off =7ms tak na prvej vetve sa odpor R 11 sčítava s potenciometrom R 21 a v druhej vetve je potenciometer R 22 nefunkčný tak tam zostava iba R 12. Z doby T on si vypočítame odpor R 11 T = R C.ln 2 0,693R C on 11 a 11 a T 7.10 3 R = on = = 1MΩ 11 C a.ln 2 10.10 9.ln 2 (3.5) (3.6) 22
A s T off si vypočítame potenciometer R 2 Toff 13.10 3 6 R = R = 1.10 = 0,875MΩ 22 1 (3.7) Ca.ln 2 10.10 9.ln 2 4. MULTISIM 4.1. MULTISIM, ZÁKLADNÁ CHARAKTERISTIKA Multisim je program, ktorý by sme mohli nazvať aj virtuálnym elektronickým laboratórium. Obsahuje v sebe celkom slušnú databázu súčiastok, rôzne meracie prístroje od virtuálnych až po repliky skutočných meracích prístrojov a generátorov signálov a ešte mnoho ďalších zariadení. Samotný program pracuje na princípe riešenia rovníc, ktoré si vygeneruje zo simulovaného zapojenia. Rovnice si zostaví za pomoci Kirchhoffovych a Ohmových zákonov a za pomoci matematicky vyjadrených súčiastok. Výsledky s týchto rovníc potom uvidíme na meracích prístrojoch. 4.2. MULTISIM, PRACOVNÉ PROSTREDIE Obr. 4.1 Pracovné prostredie v MultiSIM 10 Po spustení programu, s ikony uloženej na ploche alebo s ponuky štart sa zobrazí úvodné okno a po chvíli čakania aj samotné pracovné prostredie. Pracovné prostredie pozostáva z pracovnej plochy, v ktorej budeme vytvárať zapojenie a z panelov. 23
Na obr. 4.1 vidíme na samom vrchu hlavný panel, pod ním je panel nástrojov, vedľa neho panel simulácie a panel zobrazenia. Pod týmto riadkom sa nachádza panel súčiastok, kde si budeme vyberať súčiastky a zdroj, vedľa tejto ponuky je panel simulácie a panel virtual, kde sa taktiež nachádzajú súčiastky ale ideálne, v tejto ponuke sa nachádzajú aj virtuálne zdroje energie a signálov. Na pravej strane okna sa nachádza panel Instruments, kde sú rôzne meracie prístroje, analýzatori a generátor signálov. Podrobnejšie vysvetlenie týchto ponúk aj iných nájdete v literatúre [5]. 4.3. VYTVORENIE A ODSIMULOVANIE OBVODU Postup tvorby a simulovanie obvodu vám znázorním iba pre prvú a druhu úlohu. V druhej úlohe ukážem len ako sa pridáva generátor signálu. Tak že zapojenie pre prvú úlohu je znázornené na obr. 4.1. Obr. 4.2 Databáza súčiastok Začneme tým, že si najskôr do pracovného prostredia povkladáme súčiastky. Tie sa nachádzajú buď v panely súčiastok alebo po stlačení pravým tlačidlom miši na pracovnom prostredí a vybratí ponuky Paace Component sa nám zobrazí okno Select a Component obr. 4.2. Tu si najskôr vyberieme odpory, tie nájdeme v okne Group v ponuke Basic a v okne Family si vyberieme RESISTOR, pre urýchlenie hľadania, do ponuky Component zadáme hodnotu hľadaného odporu a stlačíme OK. S pomocou miši 24
si súčiastku vložíme na plochu kde chceme. Po vložení súčiastky sa nám opäť zobrazí okno Select a Component kde si znova vyberieme odpor a vložíme na plochu. Diódu nájdeme medzi Diodes v ponuke Group. Potom sa nám v ponuke Family zobrazia rôzne varianty diód, pre urýchlenie hľadania do ponuky Component zadáme označenie hľadanej diódy. Kapacity nájdeme obdobným spôsobom v ponuke Group-Basic- CAPACITOR. Integrovaný obvod, ak nevieme kde sa nachádza, využijeme ikonu Search, ktorá sa nachádza na pravej strane a tam zadáme označenie súčiastky, stlačíme Search, program nájde požadovanú súčiastku a tu už iba vložíme ku ostatným. Teraz je potrebné obvod napájať. V ponuke Group si vyberieme Source a v ponuke Family POWER_SOURCE a na koniec DC_POWER (jednosmerný zdroj). Tak to sme uzavreli návrh meraného zariadenia. Teraz už len chýba pospájať začiatky tak ako je to na obr. 4.1. Snímanie hodnôt uskutočníme pomocou Osciloskope obr. 4.4 a Frequenci Counter obr. 4.3 Tieto merače nájdeme na pravej strane pracovnej plochy v panely Instruments. Tieto zariadenia pripojíme na sledované vystúpi v zapojení. S Frequenci Counter zistíme frekvenciu výstupného signálu f, periódu T a doby T on a T off. Obr. 4.3 Snímač frekvencie v MultiSIM 10 Osciloskop, s týmto prístrojom dokážeme praktický zistiť všetky potrebné údaje, ktoré máme zadné v úlohách. Tak najskôr si nastavíme rozsahy. Rozsah na časovej osi x si nastavíme pomocou okienka v ľavom dolnom rohu, v ponuke Scale si zadefinuje čas, ktorý bude reprezentovať jeden dielik na ose x. Teraz si nastavíme rozsahy pre os y, ktorá reprezentuje merané signály. Toto docielime v okne Channel A a Channel B v ponuke Scale. Po zadaní rozsahov pomocou ktorých sme si snímané signály zväčšili, môžeme začať odčítavať amplitúdy. To docielime keď si kurzorom T1 prejdeme na výstupný signál a v informatívnom okne sa nám zobrazia hodnoty pre Chanal A a pre Chanal B. Potom si môžeme zmerať periódu T a doby T on a T off. Spravíme to tak, že 25
s kurzorom T1 prejdeme na začiatok periódy a s kurzorom T2 na koniec periódy. V informatívnom okne v tretom riadku v prvom stĺpci sa nám zobrazí rozdiel týchto dvoch časov. Doby T on a T off zistime obdobným spôsobom. Obr. 4.4 Osciloskop v MultiSIM 10 Teraz prejdeme k druhej úlohe obr. 4.5. Tu sme reset odpojili od zdroja a napojili sme naň generátor TTL signálu obr 4.6, ktorý nájdeme v panely Instruments. Tu si budeme v ponuke Frequency meniť frekvenciu. V ponuke Duty Cycle sa dá meniť pomer medzi T on a T off. V Amplitúde si nastavíme výstupnú hodnotu napätia a Offset reprezentuje posunutie generovaného signálu v osi Y. XSC1 R1 945kΩ XFG1 Ext Trig + _ V1 5 V D1 1N4148 C1 10nF R2 965kΩ C2 10nF 4 7 6 2 5 RST DIS THR TRI CON 8 VCC GND 1 U1 OUT 3 A B + _ + LM555CM _ Obr. 4.5 Zapojenie pre úlohu č.2 v MultiSIM 10 26
Obr. 4.6 Generátor signálov v MultiSIM 10 5. LABVIEW 5.1. LABVIEW, ZÁKLADNÁ CHARAKTERISTIKA LabVIEW je obecný vývojový prostriedok s bohatými knižnicami pre vytváranie aplikácii zameraných do oblasti merania vo všetkých fázach tohto procesu tj. zberu, analýze a prezentácie nameraných dát. Poskytuje užívateľom plnohodnotný programovací jazyk so všetkými zodpovedajúcimi dátovými a programovými štruktúrami v grafickej podobe v súčasnosti nazývanej ako tzv. G jazyk (Graphical language). LabVIEW je teda programovací jazyk na úrovni napr. C jazyka, ale na rozdiel od neho nie je orientovaný textovo, ale graficky. Výsledný produkt tohto vývojového prostredia sa nazýva virtuálny pristroj. [4] 5.2. MERACIA KARTA NATIONAL INSTRUMENTS PCI 6221 E PCI-6221 je univerzálna meracia karta, ktorá je ponúkaná ako štandard pri zakúpení softvérového balíka LabVIEW Starter Kit. Táto karta je určená do PC, ktorá sa pripája cez zbernicu PCI. Je to karta, ktorá slúži na základne merania, prevažne signálových obvodov čomu zodpovedajú aj jej parametre. Táto karta disponuje 16 analógovými a 8 digitálnymi vstupmi, Karta PCI-6221 E je taktiež vybavená 2 analógovými výstupmi. Je osadená 16 bitovým AD prevodníkom. Maximálna vzorkovacia frekvencia je 250Khz. Citlivosť je závislá od nastavenia rozsahov. Pri meraní na najmenšom 200 mv rozsahu je táto citlivosť približne 5,2µV. Meracia doska je priamo prepojená pomocou zbernice na dcérsku dosku, ktorá je vybavená konkrétnymi svorkami, na ktorých sa bude meranie vykonávať. Priamo v programe je možné nakonfigurovať jednotlivé svorky na meracej doske na nami zvolene vstupy, pripadne výstupy. [7] 27
Obr. 5.1 Multifunkčná meracia karta NI 6221 E 5.3. VIRTUÁLNY PRISTROJ Virtuálny prístroj ako základná jednotka aplikácie vytvorenej v tomto vývojovom prostredí obsahuje: Interaktívne grafické rozhranie (Graphical User Interface - GUI) ku koncovému užívateľovi tzv. čelný panel (Front panel), ktorý simuluje čelný panel fyzického pristroja. Činnosť virtuálneho pristroja je daná jeho blokovou schémou. Tento blokový diagram je tvorený pomocou blokov, ktoré charakterizujú určitú špecifickú funkciu. Virtuálny pristroj môže mať aj hierarchickú a modulárnu štruktúru. Preto ho možné používať ako celý program, alebo ako jednotlivé podprogramy, ktoré sú inicializované vzhľadom na aktuálnu potrebu užívateľa, alebo na základe určitej podmienky, alebo konkrétnej situácie zapojenia. [4] 5.3.1. Čelný panel Je to grafické rozhranie plniace funkciu komunikácie medzi užívateľom a virtuálnym prístrojom. Pre vytváranie čelného panelu obr. 5.2 je k dispozícii samotné čelné okno, do ktorého je možné podľa požiadaviek užívateľa začleniť konkrétne ovládacie a indikačné prvky. Čelný panel je ovládaný užívateľom pomocou klávesnice alebo myši. [4] Na čelnom panely sa nachádzajú dva typy prvkov: Ovládacie (controls) simulujú vstupné zariadenie (v blokovej schéme sú reprezentovane vstupnými blokmi) a slúžia pre ovládanie virtuálneho pristroja. 28
Sprostredkúvajú vstupné informácie od užívateľa do aplikácie, v blokovom diagrame sú to bloky, z ktorých signál vystupuje do algoritmu. [4] Indikačné (indicators) simulujú výstupné zariadenie (v blokovej schéme sú reprezentovane výstupnými blokmi) a slúžia k indikácii stavu virtuálneho prístroja a výstupov výsledkov. Umožňujú predávanie informácií smerom od aplikácie k užívateľovi. V blokovej schéme sú to bloky, v ktorých končia signálové cesty. [4] Obr. 5.2 Čelný panel v LabVIEW 8.5 5.3.2. Bloková schéma Bloková schéma obr. 5.3 je grafickým vyjadrením zdrojového kódu virtuálneho prístroja. Konštruuje sa pre prepojovanie jednotlivých blokov signálovými cestami. Bloky sú tvorené jednak koncovými blokmi (tzv. zdrojovými a cieľovými), ktoré sú na panel zdrojovej schémy umiestnene automaticky pri tvorbe čelného panelu a taktiež uzlovými blokmi, ktoré reprezentujú bloky spracovania signálu. Takýto blokový diagram je zdrojovou podobou každej aplikácie. Paletové menu s funkciami je možné vyvolať obdobným spôsobom ako paletové menu prvkov čelného panela. [4] 29
Obr. 5.3 Bloková schéma v LabVIEW 8.5 5.4. ZÁKLADY PROGRAMOVANIA V PROGRAME LABVIEW Po spustení virtuálneho programu LabVIEW a stlačení tlačidla New VI sa ocitneme v programovacom prostredí, konkrétne v okne čelného panelu. Palety Controls a Functions. Nie sú viditeľné súčasne, avšak je možné medzi nimi prepínať. Paletu Controls je možné zobrazovať len v prípade, že sa nachádzame v okne čelného panelu a paletu Functions zase len v prípade, že sa nachádzame v aktívnom okne blokového diagramu. Na prepínanie medzi jednotlivými blokmi slúži klávesová skratka Ctrl + E. [4] 5.4.1. Návrh virtuálneho meracieho prístroja Pred tým než začneme vytvárať merací prístroj treba si prečítať zadanie úlohy a urobiť si podrobný rozpis. Celý merací pristroj si rozdelíme do 3 časti. Prvá časť bude zdrojová, s tejto časti budeme napájať merané zariadenie. Druhá časť slúži na snímanie a spracovanie signálu. Tu si zobrazíme zosnímaný signál na čelný panel a získame hodnoty snímaných veličín. V tretej časti si pozisťujeme hodnoty a uložíme (zo vzorkujeme). 30
Zdrojová časť Blokové schémy meracieho pristroja. Prepínač Meracia karta Obr. 5.4 Bloková schéma zdrojovej časti Snímanie a spracovanie signálu OSC uc min uc max f Ton Toff R11+R21 R12+R22 Obr. 5.5 Snímanie a spracovanie signálu bloková schéma Ukladanie hodnôt (vzorkovanie) Obr. 5.6 Ukladanie hodnôt bloková schéma 5.4.2. Zdrojová časť Zdrojovú časť začneme realizovať dvoma generátormi signálu, jeden bude na generovanie DC signálu a druhý na generovanie TTL signálu. Generátor nájdeme po kliknutí pravým tlačidlom v blokovej schéme. Kde sa zobrazí ponuka Express. Prejdeme do okna Signal Analysis a tam si vyberieme Simulate Siglan. Ukážka obr. 5.7. 31
Obr. 5.7 Generátor signálu Keď pravým klikneme už na nami vybratú ikonu Simulate Signal a vyberieme ponuku Properties, môžeme si zadefinovať rôzne parametre generátora signálu. V našom prípade si v ponuke Signal type vyberieme, v prvom prípade DC a v ponuke Offset zadáme 1. V druhom si vytvoríme ďalšiu ikonu tým istým spôsobom, dvojklikom si otvoríme okno Configure Simulate Signal a v ponuke Signal type si vyberieme Square, tak to sme si vytvorili druhí generátor ktorý bude mať na výstupe TTL signál. Potom ďalej chceme meniť hodnotu napätia na generátoroch. To urobíme, keď prejdeme na čelný panel, kde po stlačení pravého tlačidla zobrazí okno Express, kde si prejdeme na Num Ctrls a od tiaľ si môžeme vybrať aký koľ vek regulátor, ja som si vybral Pointer Slide postu je ukázaný na obr. 5.8 Obr. 5.8 Výber regulátora Pred tým než spojíme náš regulátor s generátormi, si ešte vyberieme funkciu násobenia (bloková schéma-express-arith&compar-numeric-multitply obr. 5.9) A ku každému generátoru vložíme jednu funkciu tak ako je to na obr. 5.16. Teraz pospájame generátory so súčiniteľmi a k nim pripojíme aj náš regulátor. Ďalej vo vetve kde máme generátor TTl signálu, treba ešte dať za súčiniteľom aj podiel, ktorý nájdeme tam kde aj násobenie a je označený ako Divide obr. 5.9. Tento podiel pripojíme k násobeniu a keďže to chceme podeliť dvoma, treba do blokovej 32
schémy ešte pridať konštantu Num Const obr. 5.9. Dvojklikom vložíme do konštanty 2. Tento úkon sme robili preto lebo sme chceli na výstupe rovnakú hodnotu TTL signálu ako aj DC signálu. Obr. 5.9 Matematické operácie Potom na TTL generátore chceme ešte meniť frekvenciu, to vyriešime tým že roztiahneme ikonu TTL generátora až kým sa nám nezobrazí ponuka Frequency a na túto ponuku pripojíme ďalší regulátor obr. 5.10. Obr. 5.10 Regulácia frekvencie TTL signálu Ďalej na výstupe chceme mať raz iba DC signál a druhy kráť DC aj s TTL signálom. Tento problém vyriešime pomocou funkcie Case Structure (bloková schéma-express-exec Control-Case Stucture). Obr. 5.11 Ponuka Exec Control 33
Pomocou tohto okna si môžeme nastaviť dva stavy False a True. Výhoda je v tom, že vo False si môžeme pozapájať veci jedným spôsobom a v True druhým. Potom už stačí len prepnúť tlačidlom a aktivuje sa nám taký stav aký požadujeme. Príklady obr. 5.12. True False Obr. 5.12 Ukážka zapojenia Case Stucturi Case Structuru ovládam tlačidlom Push Button (čelný panel- Express-Buttons- Push Button obr. 5.13). Obr. 5.13 Ponuka pre výber tlačidiel Vystúpi s Case Structure pripojíme na osciloskop (tie vystúpi sa nám automaticky spoja, keď každý z nich napojíme na OSC), ktorý nájdeme, keď prejde na čelný panel a pravým klikne na plochu Express-Graph Indicators-Chart obr. 5.14. Obr. 5.14 Výber OSC 34
Na to aby sme toto všetko uzavreli, nám chýba ešte jedna vec a tou je meracia karta tu nájdete v blokovom diagrame Express-Output-DAQ Assist. Obr. 5.15 Výber meracej karty Výsledná bloková schéma zdrojovej časti Obr. 5.16 Ukážka zapojenia zdrojovej časti v LabVIEW 8.5 Výsledný čelný panel Obr. 5.17 Ukážka čelného panelu zdrojovej časti v LabVIEW 8.5 35
Na záver tejto prvej časti. Aby nám to cele fungovalo tak to celé musíme dať do slučky While Loop (bloková schéma-express-exces Control-While Loop obr. 5.11). Potom ak chcete môžete si to doplniť o diódy a indikátor ktoré nájdete v čelnom panely. Diódy (čelný panel-express-leds-round LED obr. 5.18) a Indikátory (čelný panel-express-nun Inds-Nun Ind obr. 5.19). Obr. 5.18 Výber Round Led Obr. 5.19 Výber Num Ind 5.4.3. Snímanie a spracovanie signálu Pri tejto časti začneme najskôr meracou kartou (bloková schéma-express-input DAQ Assist obr. 5.20). Od tiaľ budem brat signály u o a u c. Obr. 5.20 Výber meracej karty Na výstup s karty pripojíme osciloskop (čelný panel-express-graph Indicators- Chart obr. 5.14) Týmto sme prakticky uzavreli snímaciu časť. Spracovanie signálu. Signál si odoberieme s OSC a rozdvojíme pomocou funkcie Split Signals (bloková schéma-express-sig Manip-Split Signals obr. 5.21). Pravé sme si ho rozdelili na signál u o a u c. Obr. 5.21 Delič signálu Najskôr začneme spracovávať signál u o, od toho signálu potrebujeme vedieť iba maximálnu a minimálnu hodnotu napätia. Na tento účel použijeme Amp & Level (bloková schéma-express-signal Analysis-Amp & Level obr. 5.22).Ponuku Signals spojíme s rozdvojkou. Potom sa dvojklikom dostaneme do nastavení tejto funkcie a tam 36
zaškrtneme Maximum a Minimum Peak. Stačíme OK. A ponuka funkcie sa nám rozšíri o Negative a Positive Peak (minimálna a maximálna hodnota). Obr. 5.22 Analyzovanie signálu K týmto ponukám pridelíme indikátory (čelný panel-express-num Inds-Num Ind obr. 5.19),ktoré nám na čelnom paneli budú zobrazovať maximálnu a minimálnu hodnotu u c. Teraz prejdeme od u c k u o, čo reprezentuje výstup z integrovaného obvodu 555. Z tohto signálu potrebujeme zistiť frekvenciu f, dobu zopnutia T on a periódu T. Tieto tri veličiny získame s použitím Timing and Transition (bloková schéma-express-signal Analysis-Timing Trans obr. 5.22). Túto funkciu spojíme s rozbočovačom, potom vo vnútri funkcie zaškrtneme Frequency, Period a Pulse Duration. Na vystúpi si dáme Num Ind obr. 5.19. Okrem týchto troch veci požadujeme aj dobu vypnutia T off. Tu získame odčítaním T od T on funkciou Subtract (rozdiel) (blokové okno-express-arith Compar- Numeric-Subtract) a na výstup si dáme indikátor, tak isto ako pri ostatných zisťovaných hodnotách. Ďalej požadujeme zistenie odporov. Odpor získame tak, že jednotlivé doby T on a T off podelíme kapacitou C a a logaritmom Ln2. Pre túto časť potrebujeme konštantu (blokové okno-express-arith Compar-Numeric-Num Const obr. 5.9) a ln2 (blokové okno-express-arith Compar-Numeric-Math Constants-ln(2) obr. 5.23). Potom už len konštantu C a a ln2 vynásobíme a s každou dobou T on a T off podelíme, nakoniec dostaneme odpory, ktoré si zobrazíme pomocou indikátorov obr. 5.24 dole. Obr. 5.23 Výber ln2 Už nám chýba iba zistiť amplitúdu výstupného signálu. Na tento účel použijeme tu istú funkciu, ako keď sme zisťovali maximálnu a minimálnu hodnotu u c, len s tým rozdielom že vo vnútri funkcie zaškrtneme iba Peak to Peak a na výstup dáme indikátor. 37
Ak by nám celá časť spracovania signálu pri štarte merania ukazovala chybu zabezpečíme to tým, že to celé vložíme do funkcie Case Structure (ta istá funkcia ako sme použili pri signálnej časti na zmenu signálu pri napájaní) a počítanie pustime až keď to budeme potrebovať. Do True dáme celý výpočet a vo Falze necháme prázdne okno. A ešte túto celú časť vložíme, už do vytvorenej funkcie While Loop, ktorú sme použili pri zdrojovej časti. Výsledná bloková schéma snímania a spracovania signálu. Obr. 5.24 Ukážka zapojenia snímania a spracovania signálu v LabVIEW 8.5 Výsledný čelný panel Obr. 5.25 Ukážka čelného panelu snímania a spracovania signálu v LabVIEW 8.5 38
5.4.4. Ukladanie hodnôt (vzorkovanie) Ukladanie je znázornené na pravej časti obr. 5.24. A je realizovaný pomocou funkcie Write Meas File (blokové okno-express-output-write Meas File obr. 5.26) Obr. 5.26 Výber funkcie pre ukladanie hodnôt Otvoríme si funkciu a zaškrtneme v Action, Save to one file a Ask user to choose file a na koniec Ask only once. Toto nastavenie spôsobí, že keď urobíme prvú vzorku, merací pristroj sa nás opýta, kde to chceme uložiť. Potom si v If a file already exists nastavíme Append to file, to spôsobí, že sa mám to bude ukladať do toho istého súboru. Ďalšou dosť podstatnou ponukou je Delimiter, tu si nastavíme aby nám jednotlivé signály, ktoré budeme vzorkovať ukladalo do samostatných stĺpčekov a docielime to označením Tab. Ešte v Segment Headers treba zaškrtnúť NO headers a v X Value Columns označíme One column only, to znamená že nám v prvom stĺpci zapíše okrem vzoriek signálov aj prislúchajúci čas. Odklikneme OK a všetky signály ktoré potrebujeme vzorkovať spojíme s ponukou Signals (pri postupnom vkladaní do tej istej ponuky sa nám vytvorí zlučovač signálov). Obr. 5.27 Ukážka vyplneného okna Write Meas File 39
Pri zadaní všetkých týchto podmienok dosiahneme, že sa nám signály dajú pekne do stĺpčekov a pri každej vzorke nám pribudne jeden riadok. Súbor sa dá otvoriť v tabuľkovom editore, kde iba zmeníme bodky za čiarky a môžete si vytvoriť grafy. Na záver tejto tretej časti, aby sme dosiahli vzorkovanie. Použijeme Slide Switch (čelný panel-express- Buttons-Slide Switch obr. 5.13) a toto tlačidlo pripojíme na funkciu Write Meas File do ponuky Enable. Pred tým než to pustime tlačidlo si nastavíme tak, aby nám pri stlčení urobilo iba jednu vzorku, to dosiahneme, keď sa dostaneme do nastavenia tlačidla a v liste Operations v ponuke Button behavior nastavíme Latch when pressed. 5.4.5. Ovládanie čelného panelu Čelný panel sa skladá s ovládacej časti obr. 5.17 a vyhodnocovacej časti obr. 5.25. V ovládacej časti si prepíname napájanie meraného zariadenia, čí ma byť na výstupe iba DC alebo DC+TTL signál, pritom nám diódy ukazujú, ktorý stav je aktívny a priebehy sa nám zobrazia na OSC. Potom na pravej strane si môžeme regulovať napätie Dc a frekvenciu TTL signálu. Vyhodnocovacia časť pozostáva s osciloskopu, kde sa nám zobrazia priebehy meraných veličín. Potom v indikátoroch sa ukazujú jednotlivé vlastnosti snímaných signálov. Za pomoci dvoch vzorkovacích tlačidiel si urobíme vzorky zobrazených hodnôt a na koniec s tlačidlom aktivovať zobrazenie všetky indikátory aktivujeme. 6. PRÁCA S MERACÍMI PRÍSTROJMI, POROVNANIE MULTISIM S LABVIEW Porovnávanie začneme od úlohy č. 1, kde sme mali zosnímať charakteristiky u o a u c. Pre u c sme mali zistiť minimálnu a maximálnu hodnotu napätia. V MultiSIM sme to zistili pomocou OSC, keď sme kurzor T1 dali na začiatok doby T on a kurzor T2 dali na koniec doby T on. Pri T1 v informatívnom okne mame min. u c obr. 6.1. a pri T2 max. u c. Pri tomto sme rovno zistili aj amplitúdu výstupného signálu uo za pomoci kurzora T1. Frekvencia f, perióda T a doby T on a T off sa dajú taktiež zisti s OSC, ale jednoduchšie je to keď použijeme Frequenci Counter kde sa nám to všetko zobrazí. 40
Obr. 6.1 Namerané hodnoty k úlohe č. 1 v MultiSIM 10 V LabVIEW sme odčítali iba hodnoty s indikátorov. Obr. 6.2 Namerané hodnoty k úlohe č. 1 v LabVIEW 8.5 V úlohe č. 2 sme mali dať na štvrtý vstup časovača 555 TTL signál. A pozorovať zmeny na výstupnom signáli. Na obr. 6.3 máme výsledné priebehy pri napájaní s TTL generátora ktorý mal frekvenciu 1Hz a amplitúdu 5V. MultiSIM LabVIEW Obr. 6.3 Výstupné charakteristiky k úlohe č. 2 41
V úlohe č. 3 máme v grafe zobraziť závislosť frekvencie f od celkového odporu v prvej vetve R (R=R 11 +R 21 ) a ešte máme porovnať doby T on T off pri najnižšej a najvyššej frekvencii. V MultiSIM sme to robili tak, že sme si na potenciometri nastavili požadovanú hodnotu a s meracích prístrojov sme si odčítali hodnoty. V LabVIEW sme už takéto niečo robiť nemuseli, tam sme si iba aktivovali vzorkovacie tlačidlo a hodnoty sa nám odčítali a uložili automaticky. Výsledné charakteristiky vidíte na grafoch graf. 6.1. MultiSIM LabVIEW Graf. 6.1 Grafy závislosti frekvencie f od celkového odporu R 11 +R 21 +D Porovnanie dôb T on a T off pri minimálnej a maximálnej frekvencii. MultiSIM LabVIEW Obr. 6.4 Porovnanie frekvencii f a dôb T on a T off V úlohe č. 4 sme mali v grafe znázorniť závislosť celkového odporu R 11 +R 21 s dobou T on a závislosť celkového odporu R 12 +R 22 s dobou T off. A zosnímať priebehy s OSC pri minimálnych a maximálnych hodnotách dôb T on a T off. 42
MultiSIM LabVIEW Graf. 6.2 Grafy závislosti celkového odporu R 11 +R 21 +D s dobou T on a závislosť celkového odporu R 12 +R 22 s dobou T off LabVIEW Pre Ton 7,9ms a T off =13ms Pre Ton 14,9ms T off =7ms Obr. 6.5 Snímky s OSC pri zmenách T on a T off v LabVIEW 8.5 43
MultiSIM Obr. 6.6 Snímky s OSC pri zmenách T on a T off v MultiSIM 10 44
7. ZÁVER Úlohou tejto práce bolo porovnať reálne zapojenie, odmerané v LabVIEW s virtuálnym zapojením spraveným v MultiSIM. Obe tieto úlohy sa realizovali na počítači ktorý mal takéto parametre: procesor 1000MHz operačná pamäť 512MB HDD kapacita 40GB meracia karta NI 6221 E Programové vybavenie počítača: Win XP MultiSIM 10 LabVIEW 8.5 Microsoft Office 2003 Hodnoty súčiastok sme merali pomocou multimetra: UNI-T UT206 CLAMP METER V MultiSIM sme zrealizovali zapojenie a odsimulovali. Súčiastky sa vyberali presne také isté, aké sa použili v reálnom zapojení a aj s tými istými parametrami. Okrem tohto sa MultiSIM použili aj na kreslenie schém. V LabVIEW sme si odmerali skutočné zapojenie, ktoré sa zrealizovalo na prepojovacom poli. Rozdiely medzi odmeranými a odsimulovanými hodnotami, mohli byť spôsobené zlým meraním a zapísaním v MultiSIM alebo meracou kartou NI 6221 E, u ktorej sme v programe nastavili malú vzorkovaciu frekvenciu, čo malo za následok nekvalitnejšie odmerané priebehy. Hardvérovým nedostatkom tejto karty bolo že nám nedokázala napájať meraný obvod požadovaným napätím. Ale napätie nám pri žiadaných 5V kleslo na 4,6V. 45
8. ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY [1] Čuntala J., Hrianka M., Kejzlar M.: Elektronika, Žilinská univerzita 1999 [2] Kolouch J., Biolková V.: Impulzová a číslicová technika, Laboratorní cvičení, [Skriptum ÚREL FEKT VUT v Brně.] Brno 2002 [3] Židek J.: Grafické programovaní ve vývojovém prostředí LabVIEW, Ostrava 2002 [4] Pecho M.: Zvyšujúci menič DC/DC (Step-Up DC/DC Converter) analýza a diagnostika pomocou LabVIEW, Diplomová práca, 2007 [5] Juránek A.: MultiSIM - Elektronická laboratoř na PC, BEN technická literatúra, Praha 2008 [6] http://www.ni.com [7] http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/it/nid/14132 [8] http http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/17977/philips/ne555n.html [9] AMATÉRSKE RADIO, ŘADA B, 1994, Číslo 5, str.163-200 46
Poďakovanie Touto cestou by som sa chcel poďakovať za odborné vedenie, cenné rady, usmernenie a pripomienky pri tvorbe bakalárskej práce vedúcemu bakalárskej práce Ing. Ivanovi Kožehubovi ako aj kolektívu Katedry mechatroniky a elektroniky.
Žilinská Univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra mechatroniky a elektroniky PRÍLOHOVÁ ČASŤ ESM BP/13-2008 Turčák Michal
ZOZNAM PRÍLOH: Príloha č. 1 Prepojovacie pole aj zo svorkovnicou Príloha č. 2 Simulácia v MultiSIM 10 Príloha č. 3 Ukážky čelných panelov v LabVIEW 8.5 pri jednotlivých úlohách ZOZNAM OBRÁZKOV V PRÍLOHÁCH: Obr. 1p Ukážka prepojovacieho pola Obr. 2p Ukážka svorkovnice Obr. 3p Zapojenie v MultiSIM 10 pre úlohu č.1 Obr. 4p Meracie prístroje v MultiSIM 10 pre úlohu č.1 Obr. 5p Zapojenie v MultiSIM 10 pre úlohu č.2 Obr. 6p Prístroje v MultiSIM 10 pre úlohu č.2 Obr. 7p Zapojenie v MultiSIM 10 pre úlohu č.3 Obr. 8p Meracie prístroje v MultiSIM 10 pre úlohu č.3 pri max. frekvencii Obr. 9p Meracie prístroje v MultiSIM 10 pre úlohu č.3 pri min. frekvencii Obr. 10p Zapojenie v MultiSIM 10 pre úlohu č.4 Obr. 11p Meracie prístroje v MultiSIM 10 pre úlohu č.4 pri min. T on a max. T off Obr. 12p Meracie prístroje v MultiSIM 10 pre úlohu č.4 pri max. T on a min. T off Obr. 13p Celý čelný panel pri úlohe č.1 Obr. 14p Zdrojová časť čelného panelu k úlohe č.2 Obr. 15p Výsledný priebeh s OSC k úlohe č.2 Obr. 16p Merací pristroj k úlohe č. 3 pri max. frekvencii Obr. 17p Merací pristroj k úlohe č. 3 pri min. frekvencii Obr. 18p Merací pristroj k úlohe č. 4 pri min. T on a max. T off Obr. 19p Merací pristroj k úlohe č. 4 pri max. T on a min. T off
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra mechatroniky a elektroniky PRÍLOHA Č. 1 PREPOJOVACIE POLE AJ ZO SVORKOVNICOU Na obr. 1p je prepojovacie pole na ktorom boli zrealizované všetky úlohy. Na obr. 2p je dcérska doska ktorá je spojená s kartou NI 6221 E. S tejto dosky sme napájali a snímali merané zapojenia.
Prepojovacie pole Svorkovnica Obr. 1p Ukážka prepojovacieho pola Obr. 2p Ukážka svorkovnice
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra mechatroniky a elektroniky PRÍLOHA Č. 2 SIMULÁCIA V MULTISIM 10 V tejto prílohe máme odsimulované všetky štyri úlohy s hodnotami a s typmi súčiastok aké sme použili v reálnom zapojení. Tieto simulácie sa nachádzajú na CD v zložke MultiSIM.
Úloha č.1 R1 945kΩ XSC1 Ext Trig + _ V1 5 V D1 1N4148 C1 10nF R2 965kΩ C2 10nF 4 7 6 2 5 RST DIS THR TRI CON 8 VCC GND 1 U1 OUT 3 XFC1 123 LM555CM + A _ B + _ Obr. 3p Zapojenie v MultiSIM 10 pre úlohu č.1 Obr. 4p Meracie prístroje v MultiSIM 10 pre úlohu č.1
Úloha č.2 XSC1 V1 5 V D1 1N4148 R1 945kΩ C1 10nF R2 965kΩ XFG1 C2 10nF 4 7 6 2 5 RST DIS THR TRI CON 8 VCC GND 1 U1 OUT 3 A B + _ + LM555CM _ Ext Trig + _ Obr. 5p Zapojenie v MultiSIM 10 pre úlohu č.2 Obr. 6p Prístroje v MultiSIM 10 pre úlohu č.2
Úloha č.3 R11 1.023MΩ R21 920kΩ Key=A 0% R22 A + _ XSC1 Ext Trig + _ B + _ V1 5 V D1 1N4148 R12 1.002MΩ 850kΩ Key=A 0% 4 7 6 2 5 8 U1 VCC RST OUT 3 DIS THR TRI CON XFC1 123 C1 10nF C2 10nF GND 1 LM555CM Obr. 7p Zapojenie v MultiSIM 10 pre úlohu č.3 Obr. 8p Meracie prístroje v MultiSIM 10 pre úlohu č.3 pri max. frekvencii
Obr. 9p Meracie prístroje v MultiSIM 10 pre úlohu č.3 pri min. frekvencii
Úloha č.4 V1 5 V D1 1N4148 R11 1.023MΩ R21 920kΩ Key=A 0% R12 1.002MΩ R22 850kΩ Key=A 0% 4 7 6 2 RST DIS THR TRI 8 A + U1 VCC OUT 3 _ XSC1 + B _ Ext Trig + _ XFC1 123 5 CON GND C1 10nF C2 10nF 1 LM555CM Obr. 10p Zapojenie v MultiSIM 10 pre úlohu č.4 Obr. 11p Meracie prístroje v MultiSIM 10 pre úlohu č.4 pri min. T on a max. T off
Obr. 12p Meracie prístroje v MultiSIM 10 pre úlohu č.4 pri max. T on a min. T off
Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta Katedra mechatroniky a elektroniky PRÍLOHA Č. 3 UKÁŽKY ČELNÝCH PANELOV V LABVIEW 8.5 PRI JEDNOTLIVÝCH ÚLOHÁCH V tejto prílohe sú ukázané čelné panely pri jednotlivých meraniach. V prvom a druhom meraní je znázornená aj zdrojová časť meracieho pristroja. Pri zvyšných dvoch je zdrojová časť taká istá ako v prvom meraní.
Úloha č.1 Obr. 13p Celý čelný panel pri úlohe č.1 Úloha č.2 Obr. 14p Zdrojová časť čelného panelu k úlohe č.2
Úloha č.3 Obr. 15p Výsledný priebeh s OSC k úlohe č.2 Obr. 16p Merací pristroj k úlohe č. 3 pri max. frekvencii Obr. 17p Merací pristroj k úlohe č. 3 pri min. frekvencii
Úloha č.4 Obr. 18p Merací pristroj k úlohe č. 4 pri min. T on a max. T off Obr. 19p Merací pristroj k úlohe č. 4 pri max. T on a min. T off