ΗΜΜΥ 203 Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Τελική Εξέταση Τετάρτη 22/12/2010, ΛΑ132 Παρατηρήσεις 1. Η εξέταση θα είναι πρακτική. Θα σας δοθούν άγνωστα προβλήματα τα οποία θα πρέπει να λύσετε. Το πρώτο πρόβλημα θα είναι προσομοίωση σε PSPICE. Φροντίστε να έχετε μαζί σας τον κωδικό για πρόσβαση στους υπολογιστές του Τμήματος. 2. Πρέπει να βρίσκεστε στο χώρο της εξέτασης έγκαιρα. Δεν θα γίνεται κανένας δεκτός (ειδικά στην περίπτωση των δεύτερων ομάδων) 3 λεπτά μετά την έναρξη της εξέτασης. 3. Δεν θα δοθεί καμιά παράταση. Η εξέταση θα τελειώσει ακριβώς όπως προνοεί το πρόγραμμα. 4. Κανένας δεν θα επιτρέπεται να αποχωρήσει από την αίθουσα πριν από το τέλος της εξέτασης (για τις πρώτες ομάδες.) 5. Θα εξετάζεστε στους πάγκους που βρίσκεστε συνήθως. Στους ίδιους πάγκους εξετάζονται και άλλοι γι αυτό φροντίστε να τους αφήσετε σε καλή κατάσταση. 6. Απαγορεύεται αυστηρά η χρήση σημειώσεων, εγχειριδίων, βιβλίων ή οποιουδήποτε άλλου υλικού εκτός από γραφική ύλη, υπολογιστική μηχανή και οργάνων του εργαστηρίου. 7. Απαγορεύεται η συνομιλία κατά την διάρκεια της εξέτασης 8. Απαγορεύεται, επίσης, η ανταλλαγή οποιωνδήποτε υλικών ή συσκευών. Αν νομίζετε ότι θα χρειαστείτε οτιδήποτε (π.χ. υπολογιστική μηχανή, γομολάστιχα, μολύβια κλπ.) πρέπει να έχετε μεριμνήσει να το φέρετε από πριν. Αν υπάρχει πρόβλημα μιλήστε μόνο με τους βοηθούς. 9. Προσοχή! Παράβαση των πιο πάνω κανονισμών σημαίνει αυτόματο μηδενισμό στη εξέταση! Κάνετε τις μετρήσεις σας πολύ προσεκτικά και μην στρογγυλοποιείτε περισσότερο από όσο πρέπει γιατί κάποιες μετρήσεις δεν θα είναι σωστές. Οι μετρήσεις σας πρέπει να έχουν τον σωστό αριθμό δεκαδικών. Όλα τα κυκλώματα μπορούν να υλοποιηθούν με τα στοιχεία που ήδη έχετε! Φροντίστε να απαντάτε τις ερωτήσεις. Κυκλώματα, σχεδιαγράμματα και αριθμοί χωρίς εξήγηση δεν θεωρούνται απαντήσεις! Σημειώσεις: Οι εσωτερικές αντιστάσεις του πολυμέτρου είναι Βολτόμετρο: 10ΜΩ, Αμπερόμετρο: 1kΩ Ορθότητα μετρήσεων παλμογράφου: ± 3% Ορθότητα Ψηφιακού Πολυμέτρου: ± 0.05% Ορθότητα μετρήσεων από την οθόνη του παλμογράφου: ± 0.5 μικρή υποδιαίρεση (minor div) 1
Κάθε σταθμός στο Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων είναι εξοπλισμένος με τα πιο κάτω: Είδος Τιμή Ποσ. Είδος Τιμή Ποσ. Αντιστάσεις 10 Ω 2 Πηνία 1 mh 2 100 Ω 2 10 mh 2 300 Ω 2 47 mh 2 680 Ω 2 1 kω 2 Πυκνωτές 270 pf 2 1.2 kω 2 0.022μF 2 2.2 kω 2 1 μf 3 3.3 kω 2 2.2 μf 2 3.9 kω 2 4.7 μf 2 4.7 kω 2 10 μf 2 5.1 kω 2 100 μf 2 5.6 kω 2 6.2 kω 2 Δίοδοι 1Ν4001 2 6.6 kω 2 10 kω 6 Ποτενσιόμετρα 10 kω 1 12 kω 2 22 kω 1 15 kω 2 22 kω 2 27 kω 2 33 kω 2 36 kω 2 56 kω 2 68 kω 2 91 kω 2 330 kω 2 10 MΩ 2 2
Άσκηση 1 (PSPICE) 30/100 Στο βουνό ο Μπάρμπα-Γιώργος έχει μεγάλο πρόβλημα! Κάποιος του κλέβει τα γίδια του! Απευθύνεται λοιπόν στον Καραγκιόζη ο οποίος εισηγείται να παγιδέψει τον κλέφτη ακινητοποιώντας τον με ένα ισχυρό ηλεκτροσόκ. Ο Καραγκιόζης έχει κλέψει από το Σεράι μια πηγή που παράγει πλάτος 75 V σε συχνότητα 10 khz. Η πηγή, μαζί με το ρόπαλο στο οποίο την έχει συνδέσει ο Καραγκιόζης, έχουν τα πιο κάτω ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Όταν το βράδυ, όμως, έρχεται ο κλέφτης, η πρώτη απόπειρα της επιχείρησης put the gid down αποτυγχάνει μια και δεν υπάρχει αρκετή ισχύς για να παραλύσει ο κλέφτης. Ο Καραγκιόζης κινδυνεύει άμεσα να φάει πολύ ξύλο και γι αυτό φωνάζει εσάς τους ειδικούς στο PSPICE να τον βοηθήσετε. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του κλέφτη φαίνονται επίσης στο σχήμα (thief.) 1k R1 L1 1 2 10m C2 3.3n + V1 C1 3.3n R2 1k Vout - 0 Source Thief Με τη βοήθεια του PSPICE 1. Υλοποιήστε το πιο πάνω κύκλωμα στο PSPICE και βρείτε σε ποια μεταφορά ισχύος. (10) συχνότητα έχουμε μέγιστη 2. Χρησιμοποιώντας γραφικές παραστάσεις από το PSPICE, υπολογίστε την γωνία φάσης (και το πρόσημο της) για την τάση εξόδου σε συχνότητα 10 khz. (10) 3. Χρησιμοποιώντας ένα μεταβλητό πυκνωτή στη θέση του C2 βρείτε για ποια τιμή του πυκνωτή θα έχουμε μέγιστη μεταφορά ισχύος στα 10 khz. (10) Σε κάθε περίπτωση πρέπει να παραδίδονται τα αποτελέσματα, το κύκλωμα, το αρχείο εξόδου της προσομοίωσης και οι γραφικές παραστάσεις. Προσοχή: : Σε κάποιους υπολογιστές πιθανών να μην έχουν εγκατασταθεί οι συλλογές. Μπορείτε να προσθέσετε συλλογές (libraries) από τον διάλογο επιλογής στοιχείων πατώντας το κουμπί Add Library και επιλέγοντας όλες τις συλλογές που βρίσκονται στον φάκελο (folder) PSpice. Το ίδιο πρέπει να γίνει και με τις συλλογές από τον διάλογο για την γείωση.
4
Άσκηση 2 (Πειραματική) 30/100 Ο Πασάς στο Σαράι έχει μεγάλο πρόβλημα. Το Σαράι είναι παλιό και υγρό και η Βεζυροπούλα αρρωστά συχνά. Καλεί λοιπόν τον Καραγκιόζη τον ηλεκτρολόγο να του φτιάξει ένα αερόθερμο. Ο Καραγκιόζης βρήκε ένα μεταχειρισμένο αερόθερμο με εσωτερική αντίσταση R out και σχεδίασε και το πιο κάτω κύκλωμα για να το λειτουργήσει. Ο Καραγκιόζης όμως είναι φτωχός και δεν έχει αρκετά υλικά για να φτιάξει το κύκλωμα. Καλεί λοιπόν εσάς τους άριστους του ΗΜΥ203 να τον βοηθήσετε. D1 R2 Vin DC D1N4002 R1 1k V5 1k Rout 1k + Vout - 5Vdc 0 1. Πότε ένα κύκλωμα μπορεί να απλοποιηθεί; Περιγράψετε με δικά σας λόγια. (5) 2. Περιγράψετε με λεπτομέρεια πως θα μπορούσατε να αποδείξετε ότι το πιο πάνω κύκλωμα μπορεί να απλοποιηθεί ή όχι μεταξύ -5 και 5 V. Υλοποιήστε το πιο πάνω κύκλωμα και, χρησιμοποιώντας την μέθοδο που έχετε περιγράψει, δείξετε αν μπορεί να απλοποιηθεί ή όχι για Vin μεταξύ -5 και 5 V σε στάδια τουλάχιστον 1 V μέσα στα πλαίσια του 5% σφάλματος; Καλέστε τον Δερβέναγα (άλλως βοηθό εργαστηρίου) να επιβεβαιώσει ότι το κύκλωμα υλοποιήθηκε. (10) 3. Ποια είναι η αβεβαιότητα της μέτρησης της τελευταίας κλίσης; Γράψετε την κλήση με τα σωστά δεκαδικά. (7) 4. Αν η πηγή που διαθέτει το Καραγκιόζης δεν είναι σταθερή αλλά μεταβάλλεται 10 % στα +5V, πόσος θα είναι ο λόγος σήματος θορύβου στο αερόθερμο; (8) Σημείωση: Η περιγραφή της διαδικασίας είναι σημαντική και βαθμολογείται με 2 μονάδες. Το κύκλωμα υλοποιήθηκε. Υπογραφή Δερβέναγα 5
6
Άσκηση 3 (Πειραματική) 40/1000 Το πρόβλημα του Μπάρμπα-Γιώργου συνεχίζεται! Δεν μπόρεσε να πιάσει αυτόν που του κλέβει τα γίδια του! Αποφασίζει λοιπόν να παγιδέψει τον κλέφτη αλλά και να πάρει τα γίδια του πίσω ακλουθώντας τον την επόμενη φορά που θα εμφανιστεί. Για να το κάνει αυτό έχει εφοδιαστεί από τον Καραγκιόζη με μια πολύ ευαίσθητη μικροφωνική συσκευή έτσι ώστε να μπορεί να ακούει από μακριά τα γίδια όταν βελάζουν. Η τάση από το μικρόφωνο κυμαίνεται από 1 μέχρι 5 V πλάτος. Το πρώτο βράδυ η επιχείρηση put the gid down αποτυγχάνει μια και το μικρόφωνο είναι υπερευαίσθητο και άλλοι ήχοι δημιουργούσαν παρεμβολές. Ο Μπάρμπα- Γιώργος γίνεται έξω φρενών και καλεί τον Καραγκιόζη να λύσει το πρόβλημα. Ο Καραγκιόζης λοιπόν πρέπει να σχεδιάσει ένα φίλτρο για αυτό το σκοπό. Για να μην φάει ξύλο σας φωνάζει και σας να τον βοηθήσετε. Το σύστημα χρειάζεται μόνο τις συχνότητες από τα 19748 Ηz έως τα 35663 Hz για να ακούει μόνο το κουδούνισμα από τα γίδια και κανένα άλλο θόρυβο ή ομιλία. Σε καμιά περίπτωση δεν πρέπει το ρεύμα μέσα από το κύκλωμα να ξεπερνά τα 5 ma ή να είναι κάτω από 1 ma πλάτος στη συχνότητα συντονισμού. 1. Σχεδιάστε ένα τέτοιο κύκλωμα με βάση τα όσα έχετε μάθει στο ΗΜΥ 203. (5) 2. Υλοποιείστε το κύκλωμα και δείξετε ότι όντως πληροί τα κριτήρια. Περιγράψετε αναλυτικά την διαδικασία που θα ακολουθήσετε. Καλέστε το Μπάρμπα-Γιώργο (άλλως βοηθό εργαστηρίου) να επιβεβαιώσει την δουλειά σας. (10) 3. Μερικές από τις μετρήσεις που είναι σημαντικές για αναγνώριση και τον εντοπισμό των γιδιών είναι η γωνία φάσης μεταξύ της πηγής και των σημάτων στα 22 και 30 khz. Πώς θα μετρήσετε αυτές τις γωνίες; Μετρήστε της και υπολογίστε τη διαφορά φάσης μεταξύ δύο τέτοιων σημάτων; (10) 4. Αν παλμογράφος δεν σας επέτρεπε να δημιουργήσετε σχήματα Lissajous πως θα βρίσκατε την συχνότητα συντονισμού; Περιγράψετε τη διαδικασία και βρείτε και με αυτό τον τρόπο την συχνότητα. (5) 5. Ποια είναι η αβεβαιότητα στη μέτρηση της συχνότητας (σε Hz) στην πιο πάνω μέτρηση; Γράψτε ξανά τη μέτρηση με τα σωστά δεκαδικά. (10) Σημείωση: Η περιγραφή της διαδικασίας είναι σημαντική και βαθμολογείται με 2 μονάδες. Το κύκλωμα υλοποιήθηκε. Υπογραφή Μπάρμπα-Γιώργου
8
9
Άσκηση για επιπρόσθετες μονάδες 5/100 Σέλω ΑΜ Το Κολλητήρι έχει φάει τα αυτιά του Καραγκιόζη με το μουρμουρητό. Θέλει ένα ραδιόφωνο, ας είναι και AM, για να ακούει το αγαπημένο του πρόγραμμα. Ο Καραγκιόζης, μια και είναι πάμφτωχος, αποφασίζει να φτιάξει από μόνος του το ραδιόφωνο με στοιχεία που αφαίρεσε από άλλα ραδιόφωνα. Για τον αποδιαμορφωτή η είσοδος είναι 10 V και στην έξοδο η τάση είναι πρέπει να είναι σταθερή στα 603 khz. Η διαφορά από το μέσο όρο πρέπει να είναι λιγότερο από ± 200 mv και ο χρόνος που παίρνει για πλήρη φόρτιση (από t=0 μέχρι πλήρη φόρτιση) να είναι μικρότερος από τη μισή περίοδο του σήματος. Το μέγιστο ρεύμα πρέπει να είναι 5 ma. Με τη βοήθεια του PSPICE σχεδιάστε αυτό το κύκλωμα και δείξτε, με γραφική παράσταση, ότι λειτουργεί για την συγκεκριμένη συχνότητα. 10
11