Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων ΗΜΥ203 ιάλεξη 1 04/09/2013 ιδάσκων: Γιώργος Ζάγγουλος zaggoulos.george@ucy.ac.cy Βοηθοί Μαθήµατος: 1
Περίληψη Παρουσίαση Συµβολαίου ΗΜΥ203 Εισαγωγή στο Εργαστήριο 0 Εισαγωγή στο Εργαστήριο 1 2
Συµβόλαιο ΗΜΥ203 Ιστοσελίδα: www.eng.ucy.ac.cy/ece203 Ώρες ιαλέξεων: Τετάρτη, 13.30-15.0015.00 (ΧΩ 2, B210) Φροντιστηρίου: Τετάρτη, 15.00-16.3016.30 (ΧΩ 2, B210) Εργαστηρίων: Τετάρτη, 17.00-20.00, 0, ή Πέµπτη, 16.30-19.30, 19.30, ή Παρασκευή, 13.00-16.0016.00 (ΛΑ 132) Γραφείο: Green Park 212 (2ος όροφος), Λεωφόρος Αγλαντζιάς 91 ή στο ΛΑ132, Λατσιά Ώρες Γραφείου: Με ραντεβού (καθηµερινά) Email: zaggoulos.george@ ucy.ac.cy Τηλεσυναντήσεις: ece203_ 203_ucy@ hotmail.com 3
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 10 εργαστηριακών εργασιών. Επιπλέον, στόχοι του µαθήµατος είναι οι φοιτητές να: Εξοικειωθούν µε 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 PSPICE το οποίο υποστηρίζει τον σχεδιασµό και προσοµοίωση κυκλωµάτων σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. 4
Απαραίτητο Σύγγραµµα και Προτεινόµενη Βιβλιογραφία Απαραίτητο Σύγγραµµα Η ύλη του µαθήµατος βρίσκεται στο Εγχειρίδιο Εργαστηρίου, µέσα στο οποίο και θα σηµειώνετε τα αποτελέσµατα των πειραµάτων σας. Ο κάθε φοιτητής υποχρεούται να κατέχει το εγχειρίδιο και να το παρουσιάζει συµπληρωµένο για να σηµειώνεται η παρουσία του στο εκάστοτε εργαστήριο. Θα πρέπει να έχετε πάντοτε µαζί σαςολεσ τις συµπληρωµένες εργαστηριακές ασκήσεις. Αυτό κρίνεται απαραίτητο γιατί οι περισσότερες ασκήσεις περιέχουν και πληροφορίες οι οποίες δίνονται σε προηγούµενες ασκήσεις. Προτεινόµενη Βιβλιογραφία Η επιπρόσθετη βιβλιογραφία είναι προαιρετική για όσους επιθυµούν να εµβαθύνουν στο θέµα και ως βοήθηµα για τις παρουσιάσεις σας. 1. Student Reference Manual for Electronic Instrumentation Laboratories (2nd Edition) by Stanley Wolf, Richard F.M. Smith. Publisher: Prentice Hall; 2nd edition (July 10, 2003) ISBN: 0130421820 2. A First Lab in Circuits and Electronics by Yannis Tsividis. Publisher: Wiley Text Books; 1 edition (May 9, 2001) ISBN: 0471386952 3. Introduction to PSpice for Electric Circuits (6th Edition) by James W. Nilsson, Susan A. Riedel. Publisher: Prentice Hall; 6 edition (December 21, 2001). ISBN: 0130094706 5
Περιεχόµενο Μαθήµατος Περιεχόµενο Τα δέκα εργαστηριακά πειράµατα περιλαµβάνουν βασικά κυκλώµατα (κυρίως µε στοιχεία R, L και C) και µετρήσεις µε τη χρήση των βασικών οργάνων (κυρίως ψηφιακό πολύµετρο και 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 και της διαφοράς µεταξύ θεωρητικών και πειραµατικών τιµών και εφαρµογή των βασικών θεωρηµάτων για ηλεκτρικά κυκλώµατα (που διδαχθήκατε στο ΗΜΥ102). Χρήση Υπολογιστή Η εξοικείωση σας µε το λογισµικό PSPICE αποτελεί 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 10 εργαστηριακές ασκήσεις (πειράµατα). 6
Αναµενόµενη Εργασία και Αξιολόγηση Αναµενόµενη Εργασία από Φοιτητές Η παρουσία στα εργαστήρια είναι ΥΠΟΧΡΕΩΤΙΚΗ. Η εβδοµαδιαία µελέτη και η κατάλληλη προετοιµασία πριν το εργαστήριο κρίνονται απαραίτητες για την επιτυχία σας στο µάθηµα. Μία παρουσίαση σε κάποια από τις εργαστηριακές ασκήσεις. Τρεις ενδιάµεσες και µια τελική εξέταση. Ατοµική κατασκευή Αξιολόγηση Παρουσίαση 10% (οµαδική) Κατασκευή (δικής σας επιλογής) 5% + µπόνους Ενδιάµεση Εξέταση 1 (Εργ. 0-2) 15% (θεωρητική) Ενδιάµεση Εξέταση 2 (Εργ. 0-4) 15% (πειραµατική) Ενδιάµεση Εξέταση 2 (Εργ. 0-7) 15% (πειραµατική) Τελική Εξέταση (Εργ. 0-9) 40% (πειραµατική) 7
Προϋποθέσεις επιτυχίας στο µάθηµα Απαραίτητες προϋποθέσεις επιτυχίας στο µάθηµα είναι: η ολοκλήρωση και των EKA εργαστηριακών ασκήσεων και η εξασφάλιση συνολικού βαθµού 50% ή περισσότερο. Ο διδάσκων διατηρεί το δικαίωµα οριακής αύξησης της βαθµολογίας µε βάση την ενεργό συµµετοχή στο µάθηµα. 1. Ύπνος 2. ιασκέδαση 3. Μελέτη 1 2 3 8
Πολιτική Κανόνες Μαθήµατος Αξιολόγηση: Όλες οι βαθµολογίες σας θα είναι σε κλίµακα 0-100. Τυχόν ενστάσεις για την βαθµολόγηση σας θα µπορούν να γίνονται εντός µιας εβδοµάδας από την ανακοίνωση της βαθµολογίας σας. Ενστάσεις θα γίνονται δεκτές µόνο γραπτώς (email) µε ξεκάθαρη περιγραφή του παραπόνου ή της διευκρίνησης που ζητείται. Πρόχειρες και κακογραµµένες εργασίες/αναφορές θα υφίστανται αυτόµατη µείωση της βαθµολογίας τουλάχιστον κατά 30% ή δεν θα γίνονται δεκτές. Εκπρόθεσµες Εργασίες: Όλες οι παρουσιάσεις πρέπει να στέλνονται µε email στον διδάσκοντα µέχρι τις 8πµ της ευτέρας κατά την εβδοµάδα παρουσίασης. Παρουσιάσεις που στέλνονται µέχρι τις 8πµ της Τρίτης θα υφίστανται αυτόµατη µείωση βαθµολογίας -20% και µετά τις 8πµ της Τρίτης -10% για κάθε 24 ώρες. Παρατάσεις θα πρέπει να διευθετούνται µε τους διδάσκοντες τουλάχιστο 2 εβδοµάδες πριν από την καθορισµένη µέρα παρουσίασης. 9
Πολιτική Κανόνες Μαθήµατος Απουσίες: ικαιολογηµένες απουσίες λόγω ασθένειας ή εγκεκριµένου ταξιδιού για ακαδηµαϊκούς σκοπούς πρέπει να ακολουθούν την πολιτική απουσιών του πανεπιστηµίου. εν θα παραχωρούνται παρατάσεις στην παράδοση ασκήσεων ή εναλλακτικές εξετάσεις, εκτός και αν η απουσία σας είναι δικαιολογηµένη. Σε περίπτωση προγραµµατισµένης απουσίας, πρέπει να επικοινωνήσετε µε τον διδάσκοντα πριν την ηµεροµηνία της απουσίας. Κανόνες εοντολογίας: 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. (Εργασίες οι οποίες έχουν σηµαντική αλληλοεπικάλυψη συνιστούν παραβίαση της ακαδηµαϊκής δεοντολογίας και θα αναφέρονται στο Συµβούλιο του Τµήµατος και στην Σύγκλητο του Πανεπιστηµίου. Ο διδάσκων δύναται να χρησιµοποιήσει κατάλληλα εργαλεία λογισµικού για να ελέγχει ενδεχόµενη λογοκλοπία ή και αντιγραφή από συµφοιτητές ή και φοιτητές από προηγούµενα έτη). 10
Πολιτική Κανόνες Μαθήµατος Εξοπλισµός Κατασκευής: Ο κάθε φοιτητής υποχρεούται να προµηθευτεί τα υλικά για το τελευταίο πείραµα (κατασκευή) το οποίο και θα παραµένει στην κατοχή του µετά το πέρας του µαθήµατος. Ο διδάσκων µπορεί να βοηθήσει όσους φοιτητές δεν µπορούν ή δεν ξέρουν πώς να προµηθευτούν τον εξοπλισµό. Η κατασκευή εντάσσεται µέσα στα ΥΠΟΧΡΕΩΤΙΚΑ εργαστήρια. Αν για οποιονδήποτε λόγο δεν µπορέσετε, από δική σας αµέλεια, να συµπληρώσετε την κατασκευή θα αποτύχετε στο µάθηµα. 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. 11
Εβδοµάδα & Ηµεροµηνία 1 04-06/09/13 ΗΜΥ 203 - Εργαστήριο Κυκλωµάτων και Μετρήσεων Χρονοδιάγραµµα ΗΜΥ 203 Χειµερινό Εξάµηνο 2013 ιδασκαλία, Εργαστηριακές Ασκήσεις και Υποχρεώσεις ανά Εβδοµάδα : Παρουσίαση Συµβολαίου ΗΜΥ203 και Εργαστηρίων [0 & 1] Φ: Επίλυση Αποριών και ηµιουργία Οµάδων Ε: [0] Εξοικείωση µε τον Εξοπλισµό του Εργαστηρίου 2 : Παρουσίαση Εργαστηριακής Άσκησης [2] 11-13/09/13 Φ: : Επίλυση Αποριών Ε: [1] Εισαγωγή στις Μετρήσεις Σηµάτων 3 18-20/09/13 4 25-27/09/13 : Παρουσίαση Εργαστηριακής Άσκησης [3] Φ: Παρουσιάσεις [1] -Επανάληψηγια 1 η ενδιάµεση Ε: [2] Ορθότητα, Ακρίβεια και Θόρυβος :ΕνδιάµεσηΕξέταση 1 (Εργ. 0-2) -Θεωρητική Φ: Παρουσίαση Εργαστηριακής Άσκησης [4] Ε: [3] Νόµος του Ohm, Κυκλώµατα σε Σειρά και Παράλληλα 12
Εισαγωγή στο Εργαστήριο 0 Παρουσίαση βασικού εξοπλισµού που θα χρησιµοποιηθεί στις 10 εργαστηριακές ασκήσεις Πολύµετρο Παλµογράφος Πηγή Συνεχούς Τάσης Γεννήτρια Συναρτήσεων Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωµάτων Είδη Καλωδίων Αντιστάσεις, Πυκνωτές και Πηνία Μονάδες Μέτρησης και Τάξη Μεγέθους 13
Πολύµετρο Το πολύµετρο αποτελεί ένα συνδυασµό οργάνων κυρίως για µετρήσεις συνεχούς και εναλλασσόµενης (rms) τάσης και ρεύµατος και Ωµικής αντίστασης. 14
Παλµογράφος Ο παλµογράφος είναι η συσκευή που µας επιτρέπει να βλέπουµε γραφικά τα σήµατα εισόδου αλλά και κάποιες µαθηµατικές πράξεις µεταξύ τους. 15
Ρυθµίσεις Παλµογράφου 16
Οθόνη Παλµογράφου 17
Πηγή Συνεχούς Τάσης (Τροφοδοτικό) Παρέχει 2 µεταβλητές εξόδους για τάσεις από -15V µέχρι +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 κυκλωµατος ελέγχου του ρεύµατος εξόδου. 18
Γεννήτρια Συναρτήσεων Η έξοδος της (τύπου BNC) παρέχει όλα τα εναλλασσόµενα σήµατα ελέγχου που χρειάζονται για τον έλεγχο/λειτουργία ενός κυκλώµατος. 19
Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωµάτων 20
Είδη Καλωδίων Καλώδια BNC Καλώδια µπανάνα Συνδέσεις και µετατροπείς BNC banana Καλώδιο BNC - κροκοδειλάκι Probe Παλµογράφου BNC Απλή Σύνδεση και τύπου Τ 21
Μονάδες Μέτρησης και Τάξη Μεγέθους Τάση: Ρεύµα: Αντίσταση: V (V) I (A) R (Ω) Χωρητικότητα: C (F) Επαγωγικότητα: L (H) 1. Πώς µετράµε τα πιο πάνω χαρακτηριστικά; 2. Ποια η διαφορά µεταξύ: Vp, Vp-pκαι Vrms; Tera (Τ) = 10 12 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) = 10-12 22
Αντιστάσεις, Πυκνωτές και Πηνία 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] = 1 0 0000 +/- 5% = 100κΩ +/- 5% Κωδικοποίηση Τιµής Πυκνωτών και Πηνίων (3 ψηφία) 1 ο και 2 ο Ψηφίο: αριθµός, 3 ο Ψηφίο: πλήθος µηδενικών. Η κωδικοποιηµένη τιµή του πυκνωτή αναφέρεται σε pf, ενώ του πηνίου σε nh Πυκνωτής µε ένδειξη: 474 = 470000pF = 470nF = 0.47µF. Πηνίο µε ένδειξη 476 = 47000000 nη = 47 mη 23
Πειραµατική Εργασία Εργαστηρίου 0 Αναγνώριση εργαστηριακού εξοπλισµού και χρήση τροφοδοτικού, γεννήτριας σηµάτων, πολυµέτρου και παλµογράφου. Υλοποίηση και επαλήθευση ενός κυκλώµατος ιαιρέτη Τάσης (DC και AC). 24
Εισαγωγή στο Εργαστήριο 1 Κατασκευή κυκλωµάτων στην εκπαιδευτική πλακέτα και σύνδεση εξωτερικών συσκευών/οργάνων Μελέτη και επαλήθευση του διαιρέτη τάσης Μετατροπή µεταξύ Vrms, Vp, και Vp-p Υπολογισµός Ισχύς 25
Τοποθετήσεις Αντιστάσεων στη Πλακέτα Βραχυκύκλωµα Σειράς Παράλληλα 26
ιαιρέτης 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 27
Μαθησιακοί Στόχοι Εργαστήρια 0 και 1 Υλοποίηση κυκλωµάτων στην πλακέτα και µετρήσεις διαφοράς δυναµικού και συχνότητας µε πολύµετρο και παλµογράφο (σχέση rms, p-p). Ρύθµιση και συνδεσµολογία πηγών (τροφοδοτικό (DC) και γεννήτρια σηµάτων (AC)). ιάβασµα τιµής R, Lκαι C (κώδικας χρωµάτων (R) και ψηφίων (Lκαι C)) Χρησιµοποίηση των ορθών µονάδων µέτρησης και τάξης µεγέθους. Κατανόηση του κυκλώµατος διαίρεσης τάσης. Υπολογισµός ισχύoς σε κυκλώµατα DC 28