Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων ΗΜΥ203 Διάλεξη 1 07/09/11 1
Περίληψη Παρουσίαση Συμβολαίου ΗΜΥ203 Εισαγωγή στο Εργαστήριο 0 Εισαγωγή στο Εργαστήριο 1 Εισαγωγή στο PSpice 2
Ιστοσελίδα: Ώρες Διαλέξεων: Φροντιστηρίου: Εργαστηρίων: Συμβόλαιο ΗΜΥ213 www.eng ng.ucy.ac.cy/ece203 Τετάρτη,, 13.30-15.00 15.00 (ΛΑ( 122) Τετάρτη,, 15.00-16.30 16.30 (ΛΑ( 122) Τετάρτη,, 16.30-19.30, 19.30, ή Πέμπτη,, 16.30-19.30, 19.30, ή Παρασκευή,, 13.00-16.00 16.00 (ΛΑ( 132) Γραφείο: Ώρες Γραφείου: Email: Τηλεσυναντήσεις: Green Park 212 (2ος όροφος), Λεωφόρος Αγλαντζιάς 91 Με ραντεβού zaggoulos.george@ ucy.ac.cy ece203_ 203_ucy@ hotmail.com 3
Στόχοι ΗΜΥ213 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 σας ΟΛΕΣ 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 βρίσκεται στο εργαστήριο και είναι προαιρετική για όσους επιθυμούν να εμβαθύνουν στο θέμα και ως βοήθημα για τις αναφορές. 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 και καταλαμβάνει το 15% του συνολικού σας βαθμού στο μάθημα. 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. Εβδομαδιαία μελέτη και κατάλληλη προετοιμασία πριν το εργαστήριο κρίνονται απαραίτητες για την επιτυχία σας στο μάθημα. Εβδομαδιαία διαγνωστικά 20-λεπτα διαγωνίσματα κατά την διάρκεια του φροντιστηρίου. Μία γραπτή αναφορά (ατομική) μαζί με την αντίστοιχη προπαρασκευαστική (PSPICE). Αξιολόγηση Γραπτή Αναφορά (1) 5% Εβδομαδιαία Διαγνωστικά Διαγωνίσματα (9) 35% Ενδιάμεση Εξέταση (πειραματική, Εργ. 0-4) 20% Ενδιάμεση Εξέταση (PSPICE) 8% Τελική Ενδιάμεση Εξέταση (Εργ. 0-9 (78%) και PSPICE (22%)) 32% 7
Προϋποθέσεις επιτυχίας στο μάθημα Απαραίτητες προϋποθέσεις επιτυχίας στο μάθημα είναι: η ολοκλήρωση και των ΔEKA εργαστηριακών ασκήσεων και η εξασφάλιση συνολικού βαθμού 50% ήπερισσότερο. Ο διδάσκων διατηρεί το δικαίωμα οριακής αύξησης της βαθμολογίας με βάση την ενεργό συμμετοχή στην τάξη/εργαστήριο και την συνολική βαθμολογία από τα 9 εβδομαδιαία διαγνωστικά διαγωνίσματα. Επιπλέον, το 35% της τελικής βαθμολογίας θα υπολογιστεί με βάση τα 7 καλύτερα αποτελέσματα στα εβδομαδιαία διαγνωστικά διαγωνίσματα. 8
Πολιτική Κανόνες Μαθήματος Αξιολόγηση: Όλες οι βαθμολογίες σας θα είναι σε κλίμακα 0-100. Τυχόν ενστάσεις για την βαθμολόγηση αναφοράς ή διαγωνίσματος θα μπορούν να γίνονται εντός μιας εβδομάδας από την ανακοίνωση της βαθμολογίας στους φοιτητές. 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 αναφορές πρέπει να παραδίδονται κατά την έναρξη του μαθήματος, την ημέρα λήξης της προθεσμίας. Εκπρόθεσμεςαναφορέςθαυφίστανταιαυτόματη μείωση βαθμολογίας 10% για κάθε επιπρόσθετη μέρα καθυστέρησης πέραν της ημερομηνίας λήξης της προθεσμίας. Εργασίες που θα παραδίδονται με καθυστέρηση πέραν των 5 ημερών δεν θα γίνονται δεκτές. Παρατάσεις θα πρέπει να διευθετούνται με τους διδάσκοντες πριν από την λήξη της προθεσμίας. 9
Πολιτική Κανόνες Μαθήματος Απουσίες: Δικαιολογημένες απουσίες λόγω ασθένειας ή εγκεκριμένου ταξιδιού για ακαδημαϊκούς σκοπούς πρέπει να ακολουθούν την πολιτική απουσιών του πανεπιστημίου. Δεν 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 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. (Εργασίες οι οποίες έχουν σημαντική αλληλοεπικάλυψη συνιστούν παραβίαση της ακαδημαϊκής δεοντολογίας και θα αναφέρονται στο Συμβούλιο του Τμήματος και στην Σύγκλητο του Πανεπιστημίου. Οδιδάσκων 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 Πειράματος 10: 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
Ημερομηνία Θέμα Εβδ. Εξέταση 7-9/9/11 Διάλεξη (Συμβόλαιο ΗΜΥ203, Εργαστήρια 0 & 1) Φροντιστήριο (Εισαγωγή στο PSPICE) Εργαστήριο 0 14-16/9/11 Διάλεξη (Εργαστήριο 2) Φροντιστήριο (Εισαγωγή στο PSPICE) Εργαστήριο 1 21-23/9/11 Διάλεξη (Εργαστήριο 3) Φροντιστήριο Εργαστήριο 2 28-30/9/11 Διάλεξη (Εργαστήριο 4) Φροντιστήριο Εργαστήριο 3 5-7/10/11 Διάλεξη (Επανάληψη) Φροντιστήριο Εργαστήριο 4 12-14/10/11 Διάλεξη (Εργαστήριο 5) Φροντιστήριο Ενδιάμεσες Εξετάσεις 1 &2 (Εργ. 1-4 και PSPICE) 19-21/10/11 Διάλεξη (Εργαστήριο 6) Φροντιστήριο Εργαστήριο 5 1 2 3 4 5 12
Ημερομηνία Θέμα Εβδ. Εξέταση 26-27/10/11 Διάλεξη (Εργαστήριο 7) Φροντιστήριο Εργαστήριο 6 (Το εργαστήριο της Παρασκευής 28/10/2010 θα γίνει την Τετάρτη 2/11/2010 στις 9.30-12.30) 2-4/11/11 Διάλεξη (Εργαστήριο 8) Φροντιστήριο Εργαστήριο 7 9-11/11/11 Διάλεξη (Εργαστήριο 9) Φροντιστήριο Εργαστήριο 8 16-18/11/11 Διάλεξη (Εργαστήριο 10) Φροντιστήριο Εργαστήριο 9 23-25/11/11 Διάλεξη (Επανάληψη) Φροντιστήριο Εργαστήριο 10 30/11-02/12/11 Διάλεξη (Επανάληψη) Φροντιστήριο (Επανάληψη) Αναπλήρωση/Επανάληψη Εργαστήριων Τελική Εξέταση (Εργ. 0-9 και PSPICE) 6 7 8 9 13
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 14
Πολύμετρο Το πολύμετρο αποτελεί ένα συνδυασμό οργάνων κυρίως για μετρήσεις συνεχούς και εναλλασσόμενης (rms) τάσης και ρεύματος και Ωμικής αντίστασης. 15
Παλμογράφος Ο παλμογράφος είναι η συσκευή που μας επιτρέπει να βλέπουμε γραφικά τα σήματα εισόδου αλλά και κάποιες μαθηματικές πράξεις μεταξύ τους. 16
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. 17
Γεννήτρια Συναρτήσεων Η έξοδος της (τύπου BNC) παρέχει όλα τα εναλλασσόμενα σήματα ελέγχου που χρειάζονται για τον έλεγχο/λειτουργία ενός κυκλώματος. 18
Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων 19
Είδη Καλωδίων Καλώδια BNC Καλώδια μπανάνα Συνδέσεις και μετατροπείς BNC banana Καλώδιο BNC - κροκοδειλάκι Probe Παλμογράφου BNC Απλή Σύνδεση και τύπου Τ 20
Μονάδες Μέτρησης και Τάξη Μεγέθους Τάση: V (V) Ρεύμα: I (A) Αντίσταση: R (Ω) Χωρητικότητα: C (F) Επαγωγικότητα: L (H) 1. Πώς μετράμε τα πιο πάνω χαρακτηριστικά; 2. Ποια η διαφορά μεταξύ: Vp, Vp-p και 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 21
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 μh Πυκνωτής με ένδειξη: 474 = 470000pF = 470nF = 0.47μF. Πηνίο με ένδειξη 473 = 47000 μη = 47 mη 22
Πειραματική Εργασία Εργαστηρίου 0 Αναγνώριση εργαστηριακού εξοπλισμού και χρήση τροφοδοτικού, γεννήτριας σημάτων, πολυμέτρου και παλμογράφου. Υλοποίηση και επαλήθευση ενός κυκλώματος Διαιρέτη Τάσης (DC και AC). 23
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 24
Τοποθετήσεις Αντιστάσεων στη Πλακέτα Βραχυκύκλωμα Σειράς Παράλληλα 25
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 26
Μαθησιακοί Στόχοι Εργαστήρια 0 και 1 Υλοποίηση κυκλωμάτων στην πλακέτα και μετρήσειςδιαφοράςδυναμικούκαισυχνότηταςμε πολύμετρο και παλμογράφο (σχέση rms, p-p). 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. Υπολογισμός ισχύoς σε κυκλώματα DC 27
Εισαγωγή στο PSpice Δυνατότητες PSpice Χρησιμοποίηση και εξέταση PSpice για τους σκοπούς του ΗΜΥ203: Σχεδιασμός κυκλωμάτων και καθορισμός τιμών (προσθήκη βιβλιοθηκών) Ανάλυση κυκλωμάτων (τάση, ρεύμα, ισχύ) Ανάλυση ευαισθησίας Ανάλυση ανοχής εξαρτημάτων Δημιουργία γραφικών παραστάσεων Ανάλυση κυκλωμάτων (RC και RLC) 28