Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék
Villamosmérnöki szak Elektronikai tervezés és gyártás szakirány Gyártás modul
Elektronikus mérések tantárgy gyakorlati feladatainak fejlesztése
Szakdolgozat
Gulybán Márton IG64SX 2015
Tartalomjegyzék 1. Bevezetés ............................................................................................................ 1 2. Szakirodalom kutatás .......................................................................................... 2 3. A műveleti erősítők ............................................................................................ 4 3.1 Műveleti erősítők jellemzői .......................................................................... 4 3.2 Ideális műveleti erősítők tulajdonságai......................................................... 5 3.3 Műveleti erősítők belső felépítése ................................................................ 6 3.4 A valóságos műveleti erősítő jellemző paraméterei ..................................... 7 3.5 Műveleti erősítő tápfeszültsége .................................................................... 10 3.6 Műveleti erősítő transzfer karakterisztikája .................................................. 11 4. A műveleti erősítők hibái .................................................................................... 12 4.1 A nyílthurkú erősítés és a negatív visszacsatolás frekvenciafüggése ........... 12 4.2 Fázistartalék .................................................................................................. 14 4.3 Ofszet hibák kompenzálása .......................................................................... 15 5. LabVIEW grafikus programfejlesztő környezet bemutatása röviden................. 16 5.1 Bevezető........................................................................................................ 16 5.2 Fő komponensek bemutatása ........................................................................ 16 5.3 Adatfolyam programozás feltételei ............................................................... 18 5.4 A legfontosabb struktúrák és alkalmazásuk .................................................. 19 6. Összegző műveletvégző kapcsolás ..................................................................... 20 6.1 Kapcsolási rajz ismertetése és bemutatása .................................................... 20 6.2 Labormérések tervezése ................................................................................ 23 6.3 Kivitelezés próbapanelen .............................................................................. 25 6.4 Élesztés laborműszerek segítségével ............................................................ 26 6.5 Tesztelés mérőkártya segítségével ................................................................ 29 6.6 Nyomtatott áramkör tervezése ..................................................................... 36 7. Kivonó műveletvégző kapcsolás ........................................................................ 38 7.1 Kapcsolási rajz ismertetése és bemutatása .................................................... 38 7.2 Labormérések tervezése ................................................................................ 40
7.3 Kivitelezés próbapanelen .............................................................................. 40 7.4 Élesztés laborműszerek segítségével ............................................................ 42 7.5 Tesztelés mérőkártya segítségével ................................................................ 44 7.6 Nyomtatott áramkör tervezése ...................................................................... 47 8. Astabil multivibrátor műveleti erősítővel ........................................................... 48 8.1 Kapcsolási rajz ismertetése és bemutatása .................................................... 48 8.2 Labormérések tervezése ................................................................................ 50 8.3 Kivitelezés próbapanelen .............................................................................. 50 8.4 Élesztés laborműszerek segítségével ............................................................ 51 8.5 Tesztelés mérőkártya segítségével ................................................................ 52 8.6 Nyomtatott áramkör tervezése ...................................................................... 55 9. Mérési leírások ................................................................................................... 56 10. Következtetések ................................................................................................. 59 11. Összefoglaló ....................................................................................................... 60 12. Summary ............................................................................................................. 61 13. Köszönetnyilvánítás ............................................................................................ 62 14. Irodalomjegyzék ................................................................................................ 63
1. Bevezetés Az elektronikában fontos szerepet kapnak az erősítők. Erősítő áramkörök egyszerűen megvalósíthatóak bármilyen ezen tulajdonsággal bíró alkatrészekkel. Szakdolgozatom célja, hogy az Elektronikus mérések tantárgyhoz kapcsolódó három egyszerű műveleti erősítős kapcsolás méréseit megtervezzem mind virtuális, és mind analóg műszerekkel egyaránt és nyomtatott áramköri tervet készítsek. A hétköznapi életben az emberek hozzászoknak a bonyolult eszközök használatához anélkül, hogy ismernék egyáltalán az ezeket felépítő alapok lényegi működését. Sokszor gondot jelent az is, amikor egy komolyabb áramkört akarunk modellezni és megtervezni, azonban az alapkapcsolások során felmerülő hiányosságok gátolják az eredményes munkafázisokat. Ezek a hiányok nagybani kivitelezések során súlyos következményekkel is járhatnak, ezért számomra fontos, hogy megfelelően és szakszerűen prezentáljam eme egyszerű kapcsolások megvalósításait több megoldáson keresztül taglalva. A következő oldalakon összefoglalt mérések és tesztfolyamatok belátást nyújtanak a műveleti erősítők működésébe az analóg és virtuális eszközökön keresztül laboratóriumi körülmények között.
.
1
2. Szakirodalom kutatás Kutatásom során fő szempontnak tartottam, hogy a lehető legtöbb ismeretet szerezzem meg az adott témáról és megbízható eredetű forrásanyagokból dolgozzak. Az előzetes tájékozódás folyamán szembesültem a ténnyel, hogy a tanulmányaim során használt
jegyzetek nagymértékben használhatóak az elméleti
alapok pontos
alátámasztása gyanánt. A fő gyakorlati problémák némi kutatást igényeltek, amiknél leginkább online forrásokban találtam megoldást. A kutatásom célja elsősorban az, hogy minél átláthatóbb és értelmezhetőbb koncepció alapján készüljön el az áramkörök bemutatása és szimulációja, ezzel is segítve a tantárgy oktatási színvonalának korszerűsítését. A gyűjtött források feldolgozása
és
értékelése
szakszerű
módon
történt.
A
megfigyelések
és
esettanulmányok során törekedtem a pontos dokumentálásra. A gyűjtött információkat és egyéb adatokat szakszerűen elemeztem és a várható eredményeket kiértékeltem, majd a mérések folyamán végig szem előtt tartottam. A tervezések és kivitelezések során fő szempont volt számomra a hatékonyságnövelés és költségcsökkentés megvalósítása, hiszen ezek az iparban is nagyon fontos tényezők. Mivel a kapcsolások megvalósítása nem csak elméletben történt, ezért kutatásom során kiemelkedően fontos szerepet kapott az elmélet és gyakorlat egyensúlya. Ez lényeges, hiszen a mérnöki pálya nem a szélsőségekről szól, hanem arról, hogy szakmai területünkön belül mind az elméleti működéssel és mind a gyakorlati megvalósítással teljes körűen tisztában vagyunk. Egy áramkör elméleti működésének a megértése és detektálása pontosan annyira fontos folyamat, mint a gyakorlati kivitelezésnél használatos szempontok, technikák, minőségelvárások precíz ismerete és a tesztelés során ismert eljárások tájékozottsága, azok kiértékelése jegyzőkönyveken keresztül. A mérnöki alkotó tevékenység négy fontos lépésből áll: anyaggyűjtés átgondolás alapötlet kialakítása 2
részletes kidolgozás A villamosmérnöki terület nagy felelősséggel jár és tisztában kell lenni az adott helyzet tényezőjével és hibalehetőségeivel. Ezt tudjuk segíteni azzal, ha odafigyelően felkészülünk és ügyelünk a megfelelő tájékozottságra, hogy a munkánk megfeleljen a mérnöki
elvárásoknak,
a
megrendelőknek
3
és
az
előírások
igényeinek.
3. Műveleti erősítők Műveleti erősítők jellemzői
3.1.
Az elektronikában nagyon fontos szerepet kapnak az erősítők. Ezen áramkörök bármilyen erősítő tulajdonságú aktív elemekkel megvalósíthatóak. Az elektronikus erősítők alatt egy olyan eszközt értünk, amely képes megváltoztatni egy elektromos jel nagyságát. A lineáris erősítők nem csak a jelnagyság növelésre alkalmasak, hanem annak a pontosan ugyanolyan hullámformájú, alakú másolatát képes előállítani. A munkapontok erős hőmérséklet függése miatt az asszimetrikus, diszkrét elemes tranzisztoros erősítő fokozatok felhasználhatósága leginkább csak váltakozó feszültség erősítésére célszerű. Felépíthetőek a diszkrét elemekkel is összetett áramkörök, egyenfeszültség-erősítők, de jelentős alkatrész igény és nehéz megvalósítás merül fel, amely a sorozatgyártás során problémát okoz. Több fokozatú visszacsatolással jelentősen eszközölhető a hőmérsékletváltozás okozta munkapont vándorlás (drift). Egyenáramú jelátvitel esetén szükséges a bemeneti munkaponti feszültség föld közelében való elhelyezése, emiatt kettős tápfeszültségre van szükség. Az integrált áramkörök kialakítása során kihasználják a lehetőséget, amit a nagy számban integrálható, közel megegyező paraméterű aktív elem nyújt. A bemeneti munkaponti feszültségek egyezésének feltétele a fokozatok közötti galvanikus csatolás megléte.
Ez
megoldható
pl
NPN-PNP
tipusú
tranzisztoros
fokozatok
összekapcsolásával. Bizonyos passzív alkatrészek nem, vagy meghatározott számban integrálhatóak (pl. induktivitások). Emiatt minimális külső alkatrész igénnyel a műveleti erősítőket egyenfeszültség erősítésére használjuk leginkább. Az egyik erre legalkalmasabb erősítő a differenciál erősítő, aminél a kimenetre kevésbé van hatással a hőmérséklet és a tápfeszültség változása. A műveleti erősítők egy különleges kategóriája alkalmas kapcsolóüzemű működtetésre. Ezeket komparátoroknak hívjuk. Ezeknél az erősítőknél a kimeneti feszültség értéke nincs lineáris kapcsolatban a bemeneti feszültséggel. Kapcsolóüzemre 4
felhasználhatóak az általános jellegű műveleti erősítő áramkörök is, de csak határozott dinamikus tulajdonságokon belül használhatóak.
3.2.
Ideális műveleti erősítők tulajdonságai
A gyakorlati felhasználásra való tekintettel az általános célú műveleti erősítők általánosságban feszültségerősítők. Az ideális feszültségerősítő jellemző paraméterei
Műveleti erősítő realizálással elérhető feszültségerősítő jellemző paraméterei ~10M Ω*
Bemeneti ellenállás (Rbe)
∞
Kimeneti ellenállás (Rki)
0
~m Ω*
A nyílthurkú erősítés (Ao)
∞
105-106
DC ∞
DC~100Mhz*
Sávszélesség (B)
1. táblázat: A műveleti erősítős feszültségerősítők jellemző paraméterei [1] *Megjegyzés: „az értékek általában nem a műveleti erősítő paramétereitől, hanem a kapcsolás tulajdonságaitól függnek. A műveleti erősítők a felsoroltaknál jobb paraméterekkel rendelkeznek” A táblázatból egyértelműen látható, hogy a változó paraméterektől eltekintve egy bizonyos határon belül ideális feszültségerősítő valósítható meg.
1. ábra: Az ideális erősítő helyettesítő képe [1]
5
3.3.
Műveleti erősítők belső felépítése
2. ábra: Általános felépítés [1] 1. „Bemeneti egység: általában bipoláris vagy térvezérelt tranzisztorral felépített differencia-erősítő. Mint műveleti erősítő legérzékenyebb része, alapvetően meghatározza az áramkör tulajdonságait, így egyben a legösszetettebb áramköri egység is. 2. Fázisösszegző: a differencia-erősítő szimmetrikus kimeneti feszültségét alakítja át aszimetrikus feszültséggé a további fokozatok számára (nagyfrekvenciás erősítők esetén általában szimmetrikus jellel dolgozunk a teljes erősítő láncban). 3. Elválasztó fokozat, amelynek feladata az előerősítő szerepét betöltő bemeneti differencia erősítő és a végerősítő meghajtó fokozat optimális munkapontban történő összekapcsolása. 4. Szinteltoló: a megfelelő munkapontok beállítását végzi a különböző fokozatok között. 5. Fázisfordító és előerősítő: a végfokozat számára előállítja a megfelelő meghajtó jelet
(ellenütemű
végfokozatok,
hőmérsékletstabilizált
AB-
osztályú
munkaponttal). 6. Végfokozat: különböző kimeneti megoldások vannak, amelyek más és más áramköri megvalósítást igényelnek, pl. aszimmetrikus kimenet, nyitott kollektoros
kimenet,
differenciális
kimenet,
stb.
A
leggyakoribb
az
aszimmetrikus kimenet, amelyet AB osztályú ellenütemű erősítővel valósítanak meg. 7. Vezérelt áramgenerátor és áramtükör a bemeneti fokozat munkapont beállítására szolgál széles bemeneti feszültségtartományban. 8. Áramgenerátorok az egyes áramköri fokozatok optimális, tápfeszültségfüggetlen munkapont beállítására.
6
9. Kimeneti túláram és túlterhelés védelem: A kimeneti áramot egy sönt ellenállásról (Rsc) kicsatolva határolhatjuk be a kimeneti terhelő áram nagyságát. Az áramhatárolás a kimenet dinamikus tulajdonságait rontja (az átkapcsoláskor a kimeneti áramok a felhalmozott töltések kisütését/áttöltését befolyásolják), ezért az elsősorban kapcsolóüzemben használt erősítők kimenete nincs ilyen áramhatárolással ellátva a nagyobb sebesség elérése érdekében. „ [1] "Az áramkör minden meghatározó elemének a munkapontját áramgenerátorokkal állítjuk be, amit a széles és változó tápfeszültség-tartomány, az optimális kivezérelhetőség, a stabilitás, és a paraméterek megkövetelt állékonysága indokolja. Ezzel a megoldással a műveleti erősítők széles tápfeszültség-tartományban tudnak lineárisan dolgozni a paraméterek jelentős romlása nélkül. Külön figyelmet érdemelnek azok az áramkörök, amelyeket a kimeneten a tápfeszültségig ki lehet vezérelni (rail to rail).” [1]
3.4. A valóságos műveleti erősítő jellemző paraméterei
3. ábra: Műveleti erősítő helyettesítőképe [1] „A valóságos műveleti erősítő nem tökéletesen szimmetrikus (a kimeneten hibafeszültség/ofszet feszültség jelenik meg). Az aszimmetria miatt az erősítő nem csak a szimmetrikus jelet, hanem az aszimmetrikus (közösmódusú) jelet is erősíti. A bemeneti kapcsokon eltérő bemeneti áramok folynak (bemeneti hibaáram/ofszet áram jelenik meg). A valóságos műveleti erősítő helyettesítő-képe figyelembe veszi ezeket a hiba jelenségeket is.” [1] 7
„Statikus paraméterek” [1]:
Nyugalmi bemeneti áram:
Bemeneti ofszet áram:
Bemeneti ofszet feszültség:
Üresjárati vagy nyílthurkú erősítés:
Közösmódusú feszültségerősítés:
Közösmódusú elnyomási tényező (Common Mode Rejection Ratio):
Szimmetrikus bemeneti ellenállás: Rbes a bemeneti kapcsok között mérhető ellenállás
Kimeneti ellenállás:
Bemeneti közösmódusú feszültség tartomány: Ubekmax
Bemeneti szimmetrikus feszültség tartomány: Ubesmax
8
Kimeneti feszültségtartomány: ±Ukimax (két tápfeszültséges műveleti erősítők esetén)
Maximális kimeneti áram: Ikimax
Tápfeszültség tartományok: UTCmax, UTEmax, alkalmanként minimális értékek is megadásra kerülnek
Nyugalmi/vezéreletlen teljesítmény felvétel:
Ico és Ieo az áramkör nyugalmi áramfelvétele, tulajdonképpen az áramkör saját áram felhasználása/fogyasztása.
Maximális teljesítmény disszipáció: Pdmax(T), értéke függ az üzemi hőmérséklettől
Üzemi hőmérséklet tartomány: Kereskedelmi felhasználású áramköröknél: 0…+70C° Ipari felhasználású áramköröknél: -25…+85C° Katonai felhasználású áramköröknél: -55…+125 C°
„Paraméterek megváltozása időben, hőmérsékletre, tápfeszültség változásra (driftek)”[1]:
Ofszet feszültség hőmérséklet driftje:
Ofszet áram hőmérséklet driftje:
Ofszet feszültség hosszúidejű driftje:
Ofszet áram hosszúidejű driftje:
9
Tápfeszültség elnyomási tényező:
3.5. Műveleti erősítő tápfeszültsége A műveleti erősítők többsége szimmetrikus, osztott tápegységet igényel. Az osztott tápegységeknek három kimenetük van:
V+:
pozitív tápfeszültség
V-:
negatív tápfeszültség
GND: közös földpont
Az elméletek alapján a műveleti erősítők kimeneti feszültsége csupán a bemeneti feszültségektől és az erősítő tényező mértékétől függ, azonban a valóságban az áramkör kimeneti feszültsége korlátolt nagyságú, véges feszültségtartománnyal rendelkezik. A tranzisztoros erősítő kapcsolásokhoz hasonlóan ezen korlátokat a tápvonalak feszültségértékei jelentik. A műveleti erősítők tápkivezetései bizonyos kapcsolási rajzokon a jobb áttekinthetőség miatt nincsenek feltüntetve, de a valóságbeli, tényleges használat során ezen lábakat mindig be kell kötni. Kényelmi okokból egyes műveleti erősítők csak egypólusú tápegységet igényelnek, de ilyen erősítőkkel a kidolgozás során nem fogunk találkozni. A méréseink során minden áramkört ±15V tápfeszültséggel fogunk ellátni.
4. ábra: Osztott és egyszerű tápegység megvalósítása 10
3.6. Műveleti erősítő transzfer karakterisztikája
5. ábra: Műveleti erősítő transzfer karakterisztikája [1]
„Ukimax+ (Ûki+) a pozitív kimeneti feszültség maximális értéke (telítési feszültség)
Ukimax- (Ûki-) a negatív kimeneti feszültség maximális értéke (telítési feszültség)
Ubesmax+ a pozitív szimmetrikus bemeneti feszültség maximális értéke „[1]
11
4. Műveleti erősítők hibái
A műveleti erősítők működésére legnagyobb hatással az ofszet és a frekvencia problémák vannak. Ezek előfordulása a leggyakoribb.
Két féle hibakompenzáló eljárásra tudjuk őket bontani:
a tervezés során kiküszöbölhető hibák (pl hosszú vezetők elkerülése)
utólagos kompenzáló egység beépítése
A hiba kompenzálásának módja lehet:
statikus: az adott körülmény optimalizálása a működéshez
dinamikus: áramkör működése során hajtódik végre önállóan
Mivel visszacsatolt kapcsolásokkal foglalkozunk, ezért mindig fennáll a begerjedés veszélye. Ennek az az oka, hogy a negatív visszacsatolás a hurokerősítés fázisforgatása miatt pozitívvá válhat.
4.1. A nyílthurkú erősítés és a negatív visszacsatolás frekvenciafüggése
A nyílthurkú erősítés meglétét néhány műveleti erősítős kapcsolásban nem tűntettük fel frekvencia függőnek. A gyakorlatban töréspontos karakterisztikával meg lehet közelíteni a frekvenciafüggést. Az áramkör későbbi beépítése során egyéb külső tényezők miatt (pl külső áramkörök, vezetékek kapacitása) eredményezhet egy második töréspontot a karakterisztikában.
12
6. ábra: Keskeny és szélessávú erősítő karakterisztikája [1] „Az a nyílthurkú erősítő határfrekvenciája, A0 a frekvencia-független nyílthurkú erősítés. A belső kompenzálású erősítők, amelyek beintegrált áramköri elemként
tartalmaznak
egy
visszacsatoló
kondenzátort,
alacsony
törésponti
frekvenciával rendelkeznek (~Hz). Ezeket az áramköröket általános felhasználási célokra, minimális külső alkatrészigényre tervezték. A szélessávú erősítők külső kompenzálást igényelnek, de lehetőség van a visszacsatolt erősítésnek és az előírt határfrekvenciának megfelelő beállítására (~100kHz … MHz).” [1] A műveleti erősítő nyílthurkú erősítőként nem használható, hiszen a nagymértékű erősítés miatt a kimeneti jel jelentősen torzul. A jeltorzulás annak köszönhető, hogy a kimeneti feszültség nagyságát a tápfeszültség értéke korlátozza. Ahhoz, hogy az áramkört feszültség erősítésre tudjuk használni, visszacsatolásra van szükség. Ha a kimeneti jel egy tartománya a bemeneti jelhez o hozzáadódik, pozitív o ha kivonódik, negatív visszacsatolásról beszélünk. Feszültségerősítő kapcsolások esetén csak a negatív visszacsatolásnak van jelentősége.
13
Amikor létrejött a negatív visszacsatolás, a visszacsatolt erősítő sávszélessége megnövekszik és ezért "feláldozzuk" az erősítés csökkentését. A negatív visszacsatolás az alábbi hatással van a karakterisztikára:
7. ábra: A negatív visszacsatolás hatása az átviteli karakterisztikára [1]
4.2. Fázistartalék Nem érdemes megfeledkeznünk az erősítők fázis karakterisztikájáról sem. Tételezzük fel, hogy két töréspontunk van a karakterisztikán és a második töréspont jelentősen eltér az elsőhöz képest.
8. ábra: Átviteli karakterisztika fázisdiagrammal [1] 14
„Az ábrán látható, hogy a fázistartalék az egységnyi hurokerősítéskor a tényleges fázisforgatás és a 180° közötti különbség. Minél nagyobb a fázistartalék, annál kisebb az esélye annak, hogy a bizonytalan (szórt kapacitások miatt) második gyök, illetve egy szerelési környezet miatt kialakuló esetleges harmadik gyök fázisforgatása az erősítő fázisforgatását oly mértékben megváltoztassa, hogy fennálljon a gerjedés veszélye. Nagy fázistartalék kis erősítések esetén állítható be. A túlzottan nagy fázistartalék azonban az erősítő dinamikus tulajdonságait befolyásolhatja hátrányosan.” [1]
4.3. Ofszet hibák kompenzálása Az elméletben feltételezzük a műveleti erősítőkről, hogy a bemenetein áram nem folyik, továbbá az ofszet feszültséget is nullának tekintjük. Mint az elektronika sok területén tapasztalhattuk, teljesen ideális eszközök nem léteznek, mint ahogy ennél az esetnél sem igaz az állítás, mivel a gyakorlatban a bemeneten jelen vannak pA-nA nagyságú áramok és az ofszet értéke is általánosságban mV nagyságrendű. A tervezések során szem előtt kell tartani az ofszet hiba minimalizálását. Figyelembe kell venni, hogy az ofszet feszültség egyenesen arányos a visszacsatolt erősítéssel, továbbá a kompenzáló ellenállást úgy kell megválasztani, hogy mindkét erősítő bemenet azonos értéket kapjon. „A műveleti erősítők csoportosítása ofszet kompenzálás szempontjából:
külső kompenzálású áramkörök (beállító potenciométer)
kivezetett kompenzáció nélküli áramkörök.” [1]
„A kompenzáció során a statikus ofszet feszültség és áram hatása kikompenzálható, de a driftek nem. A gyakorlatban a driftek okoznak több gondot, azaz az ofszet paraméterek megváltozása hőmérséklet, tápfeszültség és hosszú idejű üzemelés során. Ezek ellen csak megfelelő tervezéssel, alacsony driftű áramkörök alkalmazásával, vagy automatikus kompenzációjú áramkörök alkalmazásával védekezhetünk.” [1]
15
5. LabVIEW grafikus programfejlesztő környezet bemutatása röviden 5.1. Bevezető A számítógépes szimulációk során a National Instruments LabVIEW grafikus programfejlesztő környezetét fogjuk használni. A grafikus programozás egy látványos, átlátható és követhető programozási módot jelent, amely a gyártó véleménye szerint azon felhasználóknak készült, akik nem használják a hagyományos programnyelveket. Az állítás ellenére bizonyos programázási alapműveletek (pl ciklusok, változók stb) a C programnyelvhez hasonlóan történnek. A LabVIEW forrásprogramokat virtuális műszereknek nevezzük (.vi kiterjesztés jelentése: Virtual Instrument), mivel a kezelői felület a fizikai műszerek mintájára épül fel (pl. oszcilloszkóp).
5.2. Fő komponensek bemutatása A VI egyetlen programot takar, amely két fő komponensből áll:
front panel
block diagram
Front panel: „A felhasználói ablak jelenik meg az elkészült *.exe program futtatásakor a képernyőn. Ezen az ablakon vannak elhelyezve a programot vezérlő nyomógombok, kapcsolók, (pl. kilépés a programból, mérés indítása, file-ba mentés, visszatöltés, stb.), értékmegadó mezők (pl. mintavételi frekvencia beállítása, csatornák számának megadása, stb.) , különböző kijelzők, grafikonok, vagy legördülő típusú menük, vagyis amit a program használója lát. A program fejlesztése közben a LabView fejlesztő környezetéből történő futtatás során is ezen a képernyőn tesztelhető a program. „ [7]
16
9. ábra: Felhasználói kezelőfelület (front panel) [7]
Block diagram:
„A Panelen elhelyezett objektumok névvel ellátva automatikusan megjelenek a grafikus program ablakában. Itt tervezzük meg a program futását. Tulajdonképpen olyan ez, mint a szokásos programnyelvekben (Pascal, C) a szöveges formátumú forrásnyelvű program, csak itt nem a szövegesen beírt sorok futnak le sorba egymás után, hanem a grafikus jelekkel meghatározott műveletek, függvények, a köztük lévő vezetékezésnek megfelelően.” [7]
17
10.ábra: Grafikus program (block diagram) [7]
5.3. Adatfolyam programozás feltételei a program felépítését nem változókkal, hanem adatforrással, megjelenítővel és adatfolyammal kell eszközölni minden vezérlő felől a huzalok mentén egy adatút jön létre a megjelenítőkig a block diagram végbemenetelének az adatfolyam a meghatározója az adatfolyamok felrajzolása áltlaában balról jobbra történik, de a végrehajtás iránya nem ettől függ csak akkor hajtódik végre csomópont, amikor az összes bemenetén rendelkezésre állnak az adatok a csomópont végrehajtása után az összes kimenetre kikerül a megfelelő adat a működés alapfeltétele, hogy az adatfolyam ne tartalmazzon hurkot, ugyanis ekkor nincs kezdőpont, ahonnan a program el tud indulni a végrehajtáskor
18
5.4. A legfontosabb struktúrák és alkalmazásuk
a. For ciklus: -
Véges ciklust végző utasítás
-
Ciklusszámláló: i (Interation Terminal)
-
Ciklusok száma: N (Count Terminal)
-
A block diagram megadott részét az előre meghatározott mennyiségszer hajtja véghez
b. While ciklus: -
Feltételtől függő számú ciklust végző utasítás
-
Egy megadott ciklust addig ismétel, amíg a benne lévő feltétel igaz értékű nem lesz
-
Ciklusszámláló: i (Interation Terminal)
-
Ciklusfeltétel: egy logikai tipusú adatot kell kapnia, amely megadja a ciklus utasításának, hogy kell-e folytatni a működést, vagy pedig be kell fejezni
-
Egyszer minden esetben lefut a ciklus
c. Case struktúra: -
Más nyelveknél alkalmazott IF, ELSE struktúra megfelelője
-
Stack szerű megjelenítésa keretek egymás mögé illeszkednek
-
Egy időben egy esetet hajt végre attól függően, hogy milyen logikai érték volt a kapcsolódási ponthoz huzalozva
-
Működés közben az aktív felülte látható
-
A zöld kérdőjellel ábrázolt bemenetre igaz/hamis típusú adatot kell továbbítani és ez a jel dönti el, melyik egység fusson le
d. Flat Sequence struktúra: -
Segítségével a csomópontok végrehajtási sorrendje korrigálható (nem lesznek adatfüggőek)
-
A blokkokat szekvenciálisan hatja végre
19
6. Összegző műveletvégző kapcsolás 6.1. Kapcsolási rajz ismertetése és bemutatása Az összegző erősítők az alkalmazás specifikus műveleti erősítős kapcsolásokon belül foglalnak helyet. A két alapkapcsolás felhasználásával (invertáló vagy nem invertáló) hozhatóak létre ezen csoportok. Az összegző kapcsolás műveleti erősítőkkel több feszültség összeadását és erősítését végzi, így egy időben több bemenet vezérli.
11. ábra: Műveleti erősítős összegző elméleti kapcsolási rajza feszültség irányokkal [3] „Az eredő bemeneti áram az egyes részáramok összegeként írható fel:
Az egyes bemeneti részáramokat az Ohm-törvény alapján írhatjuk fel:
Az invertáló bemenet potenciáljának virtuálisan zérusnak kell lennie, tehát a kimeneti feszültség az Ohm-törvény alapján:
Kirchhoff törvénye alapján a bemeneti áramok összege megegyezik a visszacsatoló ágból jövő árammal, és feltételezzük, hogy a műveleti erősítő bemenő árama elhanyagolhatóan kicsiny, ekkor felírhatjuk, hogy:
20
Az R1 ellenállások megfelelő megválasztásával az egyes bemenetek súlyozását (erősítését) lehet beállítani. Ennek felhasználásával az összegező kapcsolást digitálanalóg átalakítóként is fel lehet használni.” [3] Az összeadó áramkör esetén a bemenetek száma elvileg korlátlan. Fontos figyelmet kell fordítani arra, hogy a bemeneti feszültség ne érje el a határértéket és a kimeneti jel soha ne vigye telítésbe az erősítőt.
12. ábra: Műveleti erősítős összegző kapcsolási rajza Az összegző kapcsolás tápellátását egy külső tápegységgel szolgáltatunk. A kapcsolási rajz megtervezésekor szem előtt lett tartva a védelem is. A pozitív és negatív irányba két dióda közbeiktatásával lett eszközölve, amik jelen esetben a fordított polaritás elleni védelmet nyújtják. A D1 és D2 diódák csak egy irányban vezetnek, ezért ha pozitív és negatív tápfeszültség külső okok miatt felcserélődik, az áramkör nem kapja meg fordított tápellátású tápfeszültséget, ezzel megóvva a meghibásodástól, tönkremeneteltől. A kapcsolás PO potenciométerének szerepe az ofszet kiegyenlítés. A műveleti erősítők ofszet kiegyenlítése minden lineáris üzemben dolgozó műveleti erősítők esetén szükséges. Az ofszet kiegyenlítéshez a kapcsolás bemeneteit a tápfeszültség földpontjára kell kapcsolnunk, majd a kimenetet csatlakoztatjuk egy feszültségmérő 21
műszerre. Az ofszet kiegyenlítő potenciométer segítségével meg kell találni azt az egyensúlyt, ahol a kimeneti feszültség egyenlő a nullával. [5] A későbbi fizikai kivitelezés során ügyelnünk kell arra, hogy az eszköz ofszet beállítását egyszer kell elvégezni az élesztés során, így a potenciométert érdemes a nyomtatott áramkörön elhelyezni (trimmer potenciométer), vagy esetleg a későbbi beépítés során külső, nehezebben hozzáférhető potenciométert használhatunk. A műveleti erősítő kimenetén lévő feszültségosztóra a National Instruments PCI6251 típusú multifunkciós mérésadatgyűjtő kártya védelme miatt van szükség, ugyanis a DAQ kártya specifikációja alapján a maximális bemeneti feszültségtartomány ±10V lehet. Ennek minimális túllépését (1-2V nagyságrend) a rendszer még tudja kezelni, de a védelem nélkül könnyen generálhatunk hibás méréseket, rosszabb esetben pedig az eszköz meghibásodását is okozhatjuk. A feszültségosztó a próbapanelen nem kerül még beépítésre, hogy a fizikai eszközökkel végzett mérések során konverziótól mentes, pontos eredményt kapjunk.
Az
LM741
típusú
IC
egy
általános
műveleti
erősítő.
A
sokrétű
felhasználhatósága miatt gyakran találkozhatunk vele különböző áramkörök esetén. A 8 lábú DIP tokozású integrált áramkör lábkiosztása az alábbi rajzon látható:
13. ábra: Az LM741 műveleti erősítő tokozása és lábkiosztása [6] Az LM741 IC tartalmaz belső frekvenciakompenzáló áramkört, amelyet a tokozáson belül helyeztek el. Előnye, hogy a kompenzáláshoz nincs szükség külső elemekre, ami miatt a kivezetések száma csökken, felhasználása egyszerűvé válik. A technológia hátránya viszont, hogy a kompenzálás feltételei már az IC tervezésekor eldőlnek, ami a gyakorlatban azt mutatja, hogy alacsonyabb határfrekvenciát és kisebb 22
jelváltozási sebességet nyújt, mint ami külső kompenzálással elérhető lenne. Külső kompenzálású műveleti erősítő pl az LM709. Ideális érték
Gyakorlati érték
feszültség erősítési tényező
Auo
végtelen
≥ 104
sávszélesség
ωf
végtelen
10 Hz
CMRR
végtelen
≥ 70 dB
bemeneti ellenállás
Rbe
végtelen
≥ 10 MΩ
kimeneti ellenállás
Rki
nulla
< 500Ω
tápfeszültség
UTT
±15 V
kivezérelhetőség
Ukimax
±13 V
terhelhetőség
Ikimax
±20 mA
ofszet feszültség és áram
Ubo, Ibo
<10 mV,<2 nA
közösmódusú elnyomási tényező
2. táblázat: Az LM741 műveleti erősítő néhány jellegzetes adata összehasonlítva az ideális értékekkel [6]
6.2.
Labormérések tervezése
A mérések során elsődleges célunk, hogy a műveleti erősítő működése detektálható és analizálható legyen több megoldáson keresztül. A mérések kivitelezése az alábbi eszközökkel történik:
1 db Hameg HM 303-6 kétsugaras analóg oszcilloszkóp
1 db Hameg HM 8011-3 digitális multiméter
1 db Hameg HM 8030-5 funkciógenerátor
1 db Hameg HM 8040-2 tápegység 23
1 db 18148 tápegység
mérő vezetékek
a műveleti erősítős áramkör
A mérések célja, hogy megismerjük a műveleti erősítős kapcsolás működését és jellemző tulajdonságait. A folyamat alapvetően az alábbi lépésekre osztható fel: 1) berendezések leírásainak áttanulmányozása 2) elméleti áttekintés 3) áramkör összeállítása 4) ofszet beállítás 5) tesztelés oszcilloszkóppal és funkciógenerátorral 6) eredmények dokumentálása és kiértékelése 7) LabVIEW program létrehozása 8) áramkör összeállítása NI PCI-6251 mérőkártyával és párhuzamos mérés oszcilloszkóppal/multiméterrel 9) eredmények dokumentálása, kiértékelése 10) összehasonlítás és következtetés
Az összegző kapcsolás esetében a mérést két fő tesztelési architektúrára bontjuk:
Ua és Ub bemenetek táplálása pozitív és negatív egyenfeszültséggel
Ua bemenet táplálása pozitív és negatív egyenfeszültséggel és egyidőben az U b bemenet táplálása 1Veff 1kHz szinuszos jellel A tesztek előtt feszültségmérő segítségével megmérjük a kivezérelhetőséget. Az
áramkört tápfeszültség alá helyezzük és a bemeneti egyenfeszültséget addig növeljük, amíg a kimenet már nem tudja követni a bemeneti feszültség változását. Ez a maximum kivezérelhetőség, ezen a tartományon belül dolgozik az áramkörünk és ez a későbbiekben fontos szerepet fog kapni elsősorban a mérőkártya feszültségkorlátja miatt. 24
A mérések akkor mondhatóak sikeresnek, ha közel megegyező eredményeket kapuk a virtuális és fizikai mérések folyamán egyaránt, hiszen a mérőkártya és a LabVIEW
szoftver
segítéségével
szeretnénk
kiváltani
az
oszcilloszkóp
és
funkciógenerátor működését és mivel a szoftveres folyamatok jól automatizálhatóak, ezért az iparban is gyorsan és költséghatékonyan alkalmazható, modern mérőrendszer létrehozására nyílik lehetőség.
6.3. Kivitelezés próbapanelen
14. ábra: Összegző kapcsolás próbapanelen összeállítva A próbapaneles összeállítás során forrszigetes próbapanel került felhasználásra. Ennek a kivitelű panelnek nagy előnye, hogy a 3 furatot felölelő forrszigetek praktikusak,
könnyedén
kialakíthatóak
vezetések
rövid
vezetékek
minimális
mennyiségű felhasználásával. A áramkör műszerekhez történő illesztéséről a sorkapocsra csavarosan csatlakoztatott
banándugóval
ellátott
vezetékek
színösszeállítása a következő: 25
alkalmasak.
Ezen
vezetékek
o piros: pozitív tápfeszültség o kék: negatív tápfeszültség o fekete: földpont o narancs: Ua bemenet o sárga: Ub bemenet o fehér: Uki kimenet A próbapanel elkészítése során LM747-es IC került felhasználásra, amely az LM741-es IC „duplája”, tehát tulajdonságokban, viselkedésekben szinte azonos paraméterekkel bír.
6.4. Élesztés laborműszerek segítségével
a.
Ofszet feszültség beállítása A korábban taglaltak szerint elvégezzük az ofszet kiegyenlítést a panelen található
trimmer potenciométer segítségével. Ez fontos művelet, ugyanis a hibás ofszet beállítás pontatlan értékeket fog eredményezni a mérések során. Az egyensúly szinte a potenciométer középállásában kerül megtalálásra. Az ofszet beállítás során melegedés és kontakthiba nem volt tapasztalható, így az áramkör működése megfelelőnek feltételezhető.
b.
Egyenfeszültség kapcsolása mindkét bemenetre és a kimenet mérése
26
15. ábra: Összegző kapcsolás mérése különböző bemenetekkel Az Ua bemenetre 1V és az Ub bemenetre pedig -4V egyenfeszültséget kapcsolunk. A kimenetet digitális multiméter segítségével mérjük. A mért érték a 15. ábrán látható. A mérés eredményességének igazolása végett határozzuk meg, hogy a számított eredményt mennyire közelíti meg a mért érték: (
)
Számítsuk ki a mérés abszolút hibáját:
Majd a relatív hibát: [ ] A hibaszámításból jól látható, hogy a mért és a számított érték között minimális különbség található. Az áramkör működése tehát megfelelőnek feltételezhető.
27
c.
Egyenfeszültség és szinuszos váltakozó jel mérése Csatlakoztassunk az Ua bemenetre -2V egyenfeszültséget, illetve az Ub
bemenetre pedig 1Veff 1kHz-es szinuszos jelet. A kétsugaras oszcilloszkóp segítségével figyeljük az Ub bemeneti jelet és az Uki kimeneti jelet egyidejűleg. A 16. ábrán jól megfigyelhető, hogy a bemeneti Ub feszültségből egy ellentétes előjelű, megnövelt abszolút értékű feszültséget állít elő az áramkör. A kimeneten így egy szintén szinuszos tulajdonságú jel jelenik meg ellenfázisban és nagyobb amplitúdóval.
16. ábra: Összegző kapcsolás mérése szinuszos jellel Következő lépésben pedig az Ua feszültségét változtatjuk -5V-tól +5V terjedelemig. Azt a jelenséget tapasztaljuk, hogy a szinuszos jel ofszet feszültsége pozitív U a értékek során negatív tartomány felé vándorol, viszont negatív Ua értékek esetén a jelünk a pozitív amplitúdó irányba tolódik. Az erősítő ezen tulajdonsága jól kihasználható olyan helyzetekben, amikor azt szeretnénk, hogy a kimeneten olyan szinuszosan váltakozó feszültségű jel jelenjen meg, amely időben soha nem vesz fel negatív, vagy éppen pozitív értéket. Ha azonban szeretnénk elérni, hogy a bemeneti egyenfeszültség és a 28
kimeneti szinuszos görbe előjele között ne legyen ellentétes kapcsolat, abban az esetben az erősítő után egy invertert kell csatlakoztatnunk. A feszültségösszegző áramkör felhasználása sokféle lehet. Alkalmazzák a mérés- és irányítástechnikában, az automatikában, szabályozástechnikában és analóg számítógépek részegységeként. Jól használható digitális jelek analóg átalakításában is.
6.5. Tesztelés mérőkártya segítségével
Fizikai eszközökkel tehát már bemutattuk a kapcsolás működését és megállapítottuk, hogy az áramkör helyesen üzemel. A következő lépésben szeretnénk egy olyan méréstechnikai eljárást kidolgozni, amellyel egyszerre tudunk jelfeldolgozási és szimulációs feladatköröket létrehozni külső műszerek, tápegységek és jelgenerátorok nélkülözésével. A kidolgozást a korábban emlegetett LabVIEW számítógépes szoftver és NI PCI-6251 mérőkártya segítségével hozzuk létre. A kártya maximális bemeneti feszültségtartományáról már korábban szó esett. Ez egy fontos tényező az áramkör tervezése során, hiszen az eszköz túlvezérlése meghibásodását eredményezheti. Értékeit a 3. táblázat tartalmazza. Bemeneti feszültség tartományok
Felbontás (5%-os erov range)
–10 V … 10 V
305 mV (320 mV)
–5 V … 5 V
153 mV (160 mV)
–2 V … 2 V
61 mV (64 mV)
–1 V … 1 V
30,52 mV (32 mV)
–500 mV … 500V
15,3 mV (16 mV)
–200 mV … 200 mV
6,1 mV (6.4 mV)
–100 mV … 100 mV
3,05 mV (3.2 mV)
3. táblázat: NI PCI-6251 mérőkártya bemeneti tartományai [8]
29
A korábbi, fizikai eszközözzek végzett mérések során nem alkalmaztunk a kimeneten feszültségosztót, viszont a kártyával végzett mérések esetén erre szükség van. A kimeneten így nem azt a feszültséget fogjuk kapni, amire kíváncsiak vagyunk, úgyhogy a programkörnyezetben a kimeneti jel tömbelemeit meg kell szorozni azzal az értékkel, amelyet a feszültségosztó képletéből megkaptunk.
A feszültségosztó méretezése:
17. ábra: Feszültségosztó kapcsolás
A korábbi mérések során a megmértük az áramkör kivezérelhetőségét, amely során a kimeneten maximum 13,6V-ot kaptunk. Tekintettel arra, hogy az ellenállások értékei megfeleljenek szabványos soroknak és az arányszámítás egyszerűen kivitelezhető legyen, ezt az értéket a 15V-nak vesszük. Az ellenállások eredő R értékének 6kΩ-ot adunk meg.
30
Tehát a mérendő kimenet az R2 ellenállás feszültsége lesz. A mérőkártya bemenetén ami 10V-os nagyságú jelnek felel meg, az a valóságban 15V-ot fog jelenteni. A program során tehát a kimeneti tömbelemeket 1,5-szörös szorzóval kell ellátni és így valós értéket fogunk kapni. A megoldás hátránya, hogy a mérőkártya által kiadott jel ugyan mérhető oszcilloszkóppal és multiméterrel, de az értékük „csökkentett” lesz, tehát utólagos számításokat kell végezni, amit jelen esetben a program végez automatikusan minden lemért elemnél. a.
Egyenfeszültség kapcsolása az összegző erősítő mindkét bemenetre
18. ábra: Összegző erősítő LabVIEW mérésel (front panel) Az alábbi mérőprogram tentszőleges egyenfeszültséget generál az összegző kapcsolás Ua és Ub bemenetén és közös grafikonon megjeleníti mindkét értéket, illetve az Uki jelet is. Első lépésben állítsuk be a "Sampling info" mintavételezés frekvenciáját és mintaszámjait. Ezeket mi választjuk meg a mérőkártya paramétereit figyelembe véve (NI PCI-6251 mérőkártya max. konverziós frekvenciája több csatorna esetén: 1MHz). [8]
31
19. ábra: Összegző erősítő LabVIEW mérése (block diagram)
32
A
"Generál"
gomb
megnyomásával
indítható
el
a
mérés.
Mivel
egyenfeszültségekről beszélünk, ezért a program csak akkor frissít, amikor a két bemenet egyikének értékét változtatjuk. Erről az a logikai megoldás gondoskodik, amely a bemeneti forgatógomb kezdeti értéket veti össze a mért értékkel, és ha ezek nem egyeznek, a program „átbillen” és új értéket ad a műveleti erősítő változtatott bemenetére. Az idő-amplitúdó függvényen láthatóak az egyenfeszültségek értékei grafikusan. A generálást a „Generálás vége” gombbal lehet leállítani és a fő program leállítása pedig a „Kilépés a programból” gombbal történik.
b.
Egyenfeszültség és szinuszos váltakozó jel mérése A mérés következő periódusában az Ua bemeneten marad a változtatható
egyenfeszültségű forgatógomb használata, viszont az U b bemenetre rákapcsolunk 1 Veff 1kHz-es szinuszos jelet. A mérőprogramnak tehát egy új funkciót is tudnia kell opcionálisan. Ez egy belső „Case” struktúrával került létrehozásra, amellyel el tudjuk dönteni, hogy az U b bemeneten szinusz jel, vagy egyenfeszültség legyen. Aktiváljuk a "B bemenetre kapcsol 1V eff 1kHz szinusz jelet" nevű kapcsolót, majd nyomjuk meg a „SIN generálás start” gombot és innentől a folyamatos mérés kezdetét veszi. A következő lépésben az Ua bemenetet sweep-eljük végig – 5V-tól +5V-os tartományig 1V-os lépésközönként és figyeljük meg a kimenet változását. A korábbi, oszcilloszkópos mérés során már tettünk említést az erősítő viselkedésére, de ilyen virtuális formában a vizuális detektálás sokkal eredményezőbb lehet a számunkra.
33
20. ábra: Összegző erősítő LabVIEW mérése szinuszosan (front panel) A jelgenerálás leállítása a „Generálás vége” nyomógombbal történik. Ha a korábbi, egyen-üzemmódba szeretnénk visszalépni, akkor a „Generálás vége” gomb előtt lekapcsoljuk a szinuszos komponens kapcsolóját. A futó program leállítása a „Kilépés a programból” gomb megnyomása után történik, de a gomb csak akkor látszik és használható, ha korábban a generálás már le lett állítva.
34
21. ábra: Összegző erősítő grafikonja negatív Ua bemeneti feszültség esetén
22. ábra Összegző erősítő grafikonja pozitív Ua bemeneti feszültség esetén
35
6.6. Nyomtatott áramkör tervezése A kapcsolás összeállítása próbapanelen megtörtén, illetve elvégeztük a méréseket is többféle módon. Utolsó lépésben létrehozzuk a kapcsolás nyomtatott áramkörét, amelynek továbbításával a gyártó le tudja nekünk gyártani a kész panelt. Az áramkörök tervezése során az Altium Designer 15.0.15 szoftvert volt használatban. A technológiát illetően a furatszerelt, két oldalas eljárás került kiválasztásra. A létrehozás során nagy figyelmet kaptak a tervezési szabályok betartásai.
23. ábra: Összegző erősítő NYÁK terve
36
Alkatrész jelölése
Alkatrész értéke
R1
27kΩ, 0,4W
R2
12kΩ, 0,4W
R3
27kΩ, 0,4W
R4
2kΩ, 0,4W
R5
4kΩ, 0,4W
D1
1N4007
D2
1N4007
P0
10kΩ A trimmer
U1
LM741
Connector
6 pines tüskesor
4. táblázat: Összegző erősítő alkatrész listája
37
7. Kivonó műveletvégző kapcsolás 7.1. Kapcsolási rajz ismertetése és bemutatása A kivonó erősítők hasonlóan az összegző erősítőkhöz, szintén a specifikus műveleti erősítős kapcsolások kategóriáján belül foglalnak helyet. A kivonó erősítő kimenetén a feszültség a két bemeneti feszültség különbségével arányos.
24 .ábra: Műveleti erősítős kivonó elméleti kapcsolási rajza [1] A kapcsolás erősítésének a vizsgálatához tekintsük az áramkört egy invertáló és egy nem-invertáló kapcsolás eredőjeként a szuperpozíció tétel felhasználásával [1]:
25. ábra: Műveleti erősítős kivonó vizsgálata [1]
38
A kivonó erősítőt merőjel feszültség erősítésre fogjuk használni. Ebben az esetben mindkét bemeneti ellenállást azonos értékűre választunk és a neminvertáló bemenet és a föld közötti ellenállás értékének meg kell egyeznie a visszacsatoló ellenállás értékével.
26. ábra: Műveleti erősítős kivonó kapcsolási rajza Hasonlóan az összegző erősítőhöz, jelen esetben is a tápellátásához ±15V-ra van szükségünk, amelyet egy külső tápegységgel szolgáltatunk. A fordított polaritású áramköri védelméről, illetve a mérőkártya bemeneti tartományának a korlátairól ebben az esetben is gondoskodunk a korábban leírtak alapján.
39
7.2. Labormérések tervezése A kivonó erősítős kapcsolás esetében a mérést két fő tesztelési architektúrára bontjuk:
Ua és Ub bemenetek táplálása pozitív és negatív egyenfeszültséggel egyénileg
A bemenetek közösítése és vizsgálat +5…-5V-os egyenfeszültség tartományban 1V-os lépésközökkel Ebben az esetben tehát végig egyenfeszültséggel fogunk dolgozni. A szoftveres
mérés során szeretnénk létrehozni egy olyan megoldást, amelynek segítségével a mérés második lépése automatizálható. Ez főleg akkor lesz a számunkra hasznos, amikor a mérést sok mintával szeretnénk elvégezni, hogy minél pontosabb adatokat kapjunk.
7.3. Kivitelezés próbapanelen
27. ábra: Kivonó kapcsolás próbapanelen összeállítva
40
A próbapaneles összeállítás hasonló módon történt, mint az összegző erősítő esetén. A sorkapocshoz csatlakoztatott banándugóval szerelt vezetékek színösszeállítása a következő: o piros: pozitív tápfeszültség o kék: negatív tápfeszültség o fekete: földpont o narancs: Ua bemenet o sárga: Ub bemenet o fehér: Uki kimenet
41
7.4. Élesztés laborműszerek segítségével
a.
Ofszet feszültség beállítása A panelen található trimmer potenciométer segítségével földelt bemenetek mellett
elvégezzük az ofszet kiegyenlítést. Az ofszet beállítás során melegedés és kontakthiba nem volt tapasztalható, az áramkör működése megfelelőnek feltételezhető.
b.
Különböző egyenfeszültség kapcsolása a bemenetekre és a kimenet mérése
28. ábra: Kivonó kapcsolás mérése különböző bemenetekkel Az Ua bemenetre -2V és az Ub bemenetre pedig 3V egyenfeszültséget kapcsolunk. A kimenetet digitális multiméter segítségével mérjük. A mért érték 28. ábrán látható. A mérés eredményességének igazolása végett határozzuk meg, hogy a számított eredményt mennyire közelíti meg a mért érték:
42
Számítsuk ki a mérés abszolút hibáját:
Majd a relatív hibát: [ ] A hibaszámításból jól látható, hogy a mért és a számított érték között nincs nagy különbség. Az áramkör működése tehát megfelelőnek feltételezhető.
c.
A bemenetek közösítése és a kimenet vizsgálata Az Ua és Ub bemeneteket összekötjük és változtatjuk a rájuk adott
tápfeszültséget +5…-5V tartomány között. Az Uki kimeneten pár mV nagyságrendű értékeket mérünk. Ha az ofszet beállítást jól alkalmaztuk, akkor 0V bemeneti feszültség esetén 0V-ot kell kapni a kimeneten. Ezzel a ténnyel igazolható, hogy a mérésnek nincs ofszet hibája, helyes a kiegyenlítés. Az előjeles eltérés az ellenállások hibáiból adódik. Ez a jelenség csökkenthető nagy pontosságú, válogatott ellenállások alkalmazásával.
43
7.5. Tesztelés mérőkártya segítségével Fizikai eszközökkel tehát bemutattuk a kapcsolás működését. A következő lépésben a NI PCI-6251 mérőkártya segítségével szeretnénk méréseket létrehozni. A kártya korábban emlegetett –10 V … 10 V bemeneti feszültség tartománya miatt feszültségosztót alkalmazunk. A kapcsolás kivezérlését korábban már megmértük és egyezik az összegző műveleti erősítőnél mért 13,6V-os értékkel. A műszeres mérések során még nem volt a próbapanelen elhelyezve a feszültség osztó, mivel így pontosabb értékeket olvashattunk le a multiméterről külső számítások nélkül. A mérőkártyás analizálás során beiktatásra került az osztó két ellenállása, amelynek értékei megegyeznek a már korábban kiszámított összegző erősítőével.
a.
Egyenfeszültség kapcsolása az összegző erősítő mindkét bemenetre
29. ábra: Kivonó erősítő LabVIEW mérése (front panel)
44
30. ábra: Kivonó erősítő LabVIEW mérése (block diagram) 45
Az alábbi mérőprogram tetszőleges egyenfeszültséget generál a kivonó kapcsolás Ua és Ub bemenetén és közös grafikonon megjeleníti mindkét értéket, illetve az Uki jelet. Első lépésben állítsuk be a "Sampling info" mezőit, azaz a mintavételezési frekvenciáját és a mintaszámot. A „Mérés” gombbal indítható el a program. A mérésünk felépítése fix mintás, így egy for ciklus gondoskodik a jelgenerálásról. A ciklusok számát a „Mérési pontok száma” elnevezésű forgatógomb adja. Ezzel meg tudjuk adni, hogy a jelgenerálás hányszor fusson le, ami után a mérés automatikusan megáll. Az Ua, Ub és Uki feszültségeket kijelzőkön láthatjuk, illetve beállíthatunk a program lefutásához késleltetést is. Az A és B forgatógombok (U a és Ub feszültségek) változtatásánál mindig meg kell nyomni a „Mérés” gombot és ekkor jelennek meg a mért értékek. Ezeket a képernyő alsó részében elhelyezett idő-amplitudó grafikonról is letudjuk olvasni. A bemenetek közösítése és mérés léptekben
b.
A következő lépésben összekötjük az Ua és Ub bemeneteket. A program felépítésében helyet foglal egy belső case struktúra, amely a „+-5V tartományban mérés” elnevezésű nyomógomb megnyomásával aktiválható. Ennek megnyomása során a következők történnek:
A és B forgatógombok eltűnnek
az áramkör két bemenete azonos potenciálra kerül
közösített bemenetek feszültség változtatása léptékben történik +5…-5V tartományban
lemért értékek megjelenítése a grafikonon
A tartomány lemérése egy lefutás alatt történik meg. Az összegző esetén a bemeneti értéket manuálisan kellett állítani a folyamatos mérés miatt. A flat sequence struktúra bal oldalán szereplő műveletek arról gondoskodnak, hogy a mérés végén a kimenetet „nullázuk”, ne maradjon rajta feszültség, hiszen a mérés lezajlása során már nincs szükség rá. A mérés után a programfutás az „EXIT” gomb megnyomásával történik meg.
46
7.6. Nyomtatott áramkör tervezése
31. ábra: Kivonó erősítő NYÁK terve
Alkatrész jelölése
Alkatrész értéke
R1
12kΩ, 0,4W
R2
12kΩ, 0,4W
R3
27kΩ, 0,4W
R4
27kΩ, 0,4W
R5
2kΩ, 0,4W
R6
4kΩ, 0,4W
D1
1N4007
D2
1N4007
P0
10kΩ A trimmer
U1
LM741
Connector
6 pines tüskesor
5. táblázat: Kivonó erősítő alkatrész listája 47
8. Astabil multivibrátor műveleti erősítővel 8.1. Kapcsolási rajz ismertetése és bemutatása A multivibrátorok olyan impulzustechnikai áramkörök, amelyek két kimeneti állapottal rendelkeznek. Az astabil multivibrátornál (AMV) mindkét kimeneti állapot instabil, állapotát egy szabadon futó oszcillátor határozza meg, amely esetén nincs külső beavatkozás. [2]
32. ábra: Astabil multivibrátor elméleti kapcsolási rajza [2] A kapcsolás két visszacsatolást tartalmaz: a. egy pozitív visszacsatolást ellenállás osztón keresztül b. egy időfüggő negatív visszacsatolást az RC integrátoron keresztül „A (+) bemeneten a feszültség (Up) mindenkor a kimeneti feszültség egy meghatározott része. A (-) bemeneten a feszültség (uc) a kondenzátoros integrátor miatt exponenciálisan változik (a kimeneti feszültség közel állandó, így a töltés konstans feszültségről történik, ami exponenciális töltőáramot eredményez). Amennyiben a kondenzátor feszültsége eléri az Up feszültséget (ami konstans, ha a kimeneti feszültség konstans), akkor a kimenet az ubes előjelváltása miatt ellenkező állapotba vált át.” [2]
33. ábra: Astabil multivibrátor kondenzátor feszültségének ábrázolása [2] 48
„Legyen a két kimeneti feszültség abszolút értéke azonos: Ûki
A töltés (vagy kisütés) addig tart, amíg uc=Up nem lesz.
Ha a két kimeneti feszültség azonos (feltétel volt), akkor a töltési és kisütési idő is azonos lesz, így a periódusidő T=t1+t2=2t1 „[2] Az AMV frekvenciája [2]:
A kitöltési tényező [2]:
34. ábra: Astabil multivibrátor kapcsolási rajza
49
A megvalósítás során szeretnénk elérni azt a módosítást, hogy az AMV frekvenciája változtatható legyen. Ezt azzal a megoldással tudjuk elérni, ha az ellenállások arányát változtathatóvá tesszük. A megvalósítás során így az R2 ellenállás helyett egy 10k A trimmer potenciométert alkalmazunk. A frekvenciaváltoztatás egyéb hatásai a későbbi mérések során bemutatásra kerülnek.
8.2. Labormérések tervezése Az AMV kapcsolás esetében az áramkörnek nincs szüksége meghajtó jelre, tehát a kapcsolást vezérelni nem fogjuk, csak a ±15V-os külső tápfeszültséget kell biztosítani. A mérések során tehát vizsgálni fogjuk a kimeneti frekvencia és a kondenzátor jelalakjának változását a neminvertáló bemenet felől elhelyezett potenciométer segítségével. A kimeneti feszültséget és a kondenzátor jelalakját egy közös ábrán szeretnénk ábrázolni.
8.3. Kivitelezés próbapanelen
35. ábra: Astabil multivibrátor kapcsolás próbapanelen összeállítva 50
A próbapaneles összeállítás hasonló módon történt, mint a korábban bemutatott erősítő esetén. A sorkapocshoz csatlakoztatott banándugóval szerelt vezetékek színösszeállítása a következő: o piros: pozitív tápfeszültség o kék: negatív tápfeszültség o fekete: földpont o narancs: Uc kimenet o barna: Uki kimenet
8.4. Élesztés laborműszerek segítségével a.
Ofszet feszültség beállítása A panelen található PO trimmer potenciométer segítségével tudjuk elvégezni a
kiegyenlítést, azonban bemenetek híján nem tudjuk föld potenciálra kapcsolni a műveleti erősítő bemeneteit, ezért ezt még a P1 potenciométer és C1 kondenzátor beültetése előtt elvégezzük. Az ofszet beállítás során melegedés és kontakthiba nem volt tapasztalható, az áramkör működése megfelelőnek feltételezhető. b. Kimeneti jelalakok mérése oszcilloszkóppal Az Uc és az Uki pontokat csatlakoztatjuk a kétsugaras oszcilloszkópra. Uki vizsgálata: Megfigyelhető, hogy négyszögjelet kapunk. A P1 potenciométer állításával tapasztalható, hogy a négyszögjel frekvenciája változik, de az amplitúdiója nem. A föld pont közelében már a kapott kép egy túlvezérelt háromszögjelre hasonlít Uc vizsgálata: A potenciométer 10kΩ-os állásában háromszögjelet láthatunk a képernyőn. A föld pont közelébe való tekerés során a frekvencia és az amplitudó között fordított arányosság lép fel, tehát minél nagyobb frekvencia esetén annál kisebb kondenzátor töltöttséget mérhetünk. A föld pontnál minimális a kondenzátor töltöttsége.
51
36. ábra: Astabil multivibrátor mérése oszcilloszkóppal
8.5. Tesztelés mérőkártya segítségével A következő lépésben a NI PCI-6251 mérőkártya segítségével szeretnénk méréseket létrehozni. A bemeneti méréshatár ezúttal nem jelent problémát, ugyanis az előzetes tesztek során kiderült, hogy az U ki max=10,2 V, amit még gond nélkül lekezel a mérőkártya, így nincs szükség a feszültségosztó ellenállásokra. A mérés tervezése során nincs gondunk a jelgenerálásra, ezért a program felépítése jelentősen egyszerűsödik. A „Mérés” gomb megnyomásával indítható el a folyamatos mérés. Az FFT analízis segítségével kerül bemutatásra a jelek frekvenciája a P1 potenciométer 3 különböző állásában (10kΩ, 5kΩ, 0-GND) 500Hz-es frekvencia tartományig.
52
37.ábra: AMV LabVIEW mérése (block diagram)
38. ábra: AMV LabVIEW mérése (front panel) A mérést első körben P1=10 kΩ értékénél végezzük el. Jól látható, hogy a kimeneti jel alapharmonikusa leolvasható, viszont a kondenzátornál ez nem egyértelmű. A rezgéskeltők sorában csak a tiszta szinusz jel az, ami nem tartalmaz felharmonikusokat, mert ezeknél a spektrum egy tagú és önmaga, a szinusz jel lesz az alapharmonikus. Az a jel, amely nem szinuszos (minimum két szinusz összege),
53
azoknál megjelenik a felharmonikus sor. A négyszögjel esetében végtelen sok szinusz összegeként állítható elő, ezért szükségszerű, hogy legyenek felharmonikusok. A potmétert középállásba helyezzük és tapasztaljuk, hogy a frekvencia többszörösére emelkedett és a kimeneti jel esetében sátras spektrumkép jelenik meg. Ennek
az
elkerülésének
két
mintavételezési frekvencia változtatása
mintaszám változtatása
fő
módja
van:
Tehát ilyen esetben érdemes számítást végezni, hogy milyen mintavételezési frekvenciával állíthatóak elő a legpontosabb komponensek. A legideálisabb eset az az, amikor az alapharmonikus egész számú többszörösét
választjuk
mintavételi
frekvenciának és közben a Shannon törvényt is betartjuk. A potenciométer további állítása során tapasztaljuk, hogy egy idő után már nem növekszik a frekvencia, hanem a négyszögjel torzul és a kondenzátor feltöltődése szinte megszűnik.
39. ábra: AMV LabVIEW mérése P1=GND értéknél (front panel)
Az áramkör tehát lényegében egy egyszerű memóriaelem, hiszen "emlékszik" arra, hogy legutóbb milyen állapotában volt. Ilyen elemekből épültek fel a régi statikus RAM-ok. Felhasználási területe igen nagy, az egyik leggyakrabban alkalmazott alapáramkör négyszögimpulzusok előállítására.
54
8.6. Nyomtatott áramkör tervezése
40. ábra: Astabil multivibrátor NYÁK terve Alkatrész jelölése
Alkatrész értéke
R1
27kΩ, 0,4W
R2
12kΩ, 0,4W
C1
68nF
P0
10kΩ A trimmer
P1
10kΩ A trimmer
D1
1N4007
D2
1N4007
U1
LM741
Connector
5 pines tüskesor
6. táblázat: AMV alkatrész listája 55
9. Mérési leírások
A. Összegző erősítő
R1
27kΩ, 0,4W
R2
12kΩ, 0,4W
R3
27kΩ, 0,4W
P0
10k A
U1
LM741
1.
Állítsa össze az alábbi kapcsolást a fenti elemértékekkel!
2.
Végezze el az ofszet-kiegyenlítést!
3.
Tervezzen védelmet a mérőkártya méréshatárára vonatkozóan és a fordított polaritású tápfeszültség ellen!
4.
Adjon az „Ua” bemenetre 1V egyenfeszültséget, az „Ub” bemenetre -4V egyenfeszültséget és mérje meg a kimeneti egyenfeszültséget!
5.
Adjon az "Ub" bemenetre 1Veff, 1kHz-es szinuszos jelet és az "Ua" egyenfeszültség mellett vizsgálja meg a kimeneti jelet! Hogyan változik a kimeneti jel az "Ua" érték módosításánál?
6.
Készítsen LabVIEW programot, amely segítségével a fent leírtak megvalósíthatóak több csatornán, változtatható bemeneti értékek mellett! Figyelje a program egyidejűleg a generált kimeneteket és az áramkör kimenetét is!
7.
Tervezzen nyomtatott áramkört a kapcsolási rajzhoz!
56
B. Kivonó erősítő
R1
12kΩ, 0,4W
R2
12kΩ, 0,4W
R3
27kΩ, 0,4W
R4
27kΩ, 0,4W
P0
10k A
U1
LM741
1.
Állítsa össze az alábbi kapcsolást a fenti elemértékekkel!
2.
Végezze el az ofszet-kiegyenlítést!
3.
Tervezzen védelmet a mérőkártya méréshatárára vonatkozóan és a fordított polaritású tápfeszültség ellen!
4.
Adjon az „Ua” bemenetre -2V egyenfeszültséget, az „Ub” bemenetre 3V egyenfeszültséget és mérje meg a kimeneti feszültséget!
5.
Kösse össze a két bemenetet és adjon a közös bemenetre a +5… -5V tartományban egyenfeszültséget 1V-os lépésenként! Mérje meg a kimenetet!
6.
Készítsen LabVIEW programot, amely segítségével a fent leírtak megvalósíthatóak több csatornán, változtatható bemeneti értékek mellett! Figyelje a program egyidejűleg a generált kimeneteket és az áramkör kimenetét is!
7.
Tervezzen nyomtatott áramkört a kapcsolási rajzhoz!
57
C. Astabil multivibrátor műveleti erősítővel
R1
27kΩ, 0,4W
R2
12kΩ, 0,4W
C1
68nF
P0
10kΩ A
P1
10kΩ A
U1
LM741
1.
Állítsa össze az alábbi kapcsolást a fenti elemértékekkel!
2.
Végezze el az ofszet-kiegyenlítést!
3.
Tervezzen védelmet a fordított polaritású tápfeszültség ellen!
4.
Oszcilloszkóp segítségével határozza meg az AMV frekvenciáját! Vizsgálja a kondenzátor feszültségének jelalakját! Ábrázolja a kimeneti- és a kondenzátor feszültség jelalakját közös ábrán a P1 potenciométer 3 tetszőleges állásában.
5.
Készítsen LabVIEW programot, amely segítségével a fent leírtak megvalósíthatóak!
6.
Tervezzen nyomtatott áramkört a kapcsolási rajzhoz!
58
10. Következtetések Összegző erősítő A feladatok megvalósítása sikeres volt. A számítógépes mérések során majdnem megegyező eredményeket kaptunk az analóg eszközökkel végzett mérésekhez viszonyítva. A témában esetleges továbblépést jelenthet olyan megvalósítás, amikor az áramkör egyik bemenetére nem csak állandó értékű szinusz jelet juttatnánk, hanem másféle váltakozó jeleket is (pl háromszög jel) különböző amplitúdókkal, amelyeknek értékeit tudjuk változtatni a program futása közben. Kivonó erősítő A feladatok megvalósítása sikeres volt. A számítógépes mérések során majdnem megegyező eredményeket kaptunk az analóg eszközökkel végzett mérésekhez viszonyítva. A témában esteleges továbblépést jelenthet olyan megvalósítás, amikor a mérőprogram erősítést is számít, illetve a bemenetek közös potenciálra hozásánál számol CMRR-t, azaz közösmódusú feszültségelnyomási tényezőt is. Astabil multivibrátor A feladatok megvalósítása sikeres volt. A számítógépes mérések során majdnem megegyező eredményeket kaptunk az analóg eszközökkel végzett mérésekhez viszonyítva. A témában esteleges továbblépést jelenthet olyan megvalósítás, amikor a P1 potenciométert nem kötjük be a panelen, hanem sorkapocson kivezetjük, és futás közben vezéreljük a mérőprogram segítségével. Ezzel a megoldással lehetőség nyílik pl. olyan megvalósításra, amikor különböző frekvenciájú rezgéssel szeretnénk bizonyos üzenetet továbbítani a felhasználó felé (pl. egy villogó LED 3 frekvenciája 3 különböző állapotot jelez a számunkra).
59
11. Összefoglaló
A cél megvalósítása sikeres volt. A három műveleti erősítős áramkör tervezései és mérései során bebizonyítottuk, hogy a fizikai műszerek, funkciógenerátorok helyettesíthetőek virtuális módon. A LabVIEW szoftver nyújtotta grafikus programozás egy sokoldalú folyamat, amely már közel 30 éve forradalmasítja a tesztelési, mérési és vezérlő alkalmazások fejlesztését. A segítségével költséghatékonyan és rövid idő alatt lehet mérnöki és tervezői feladatköröket ellátni. A nyomtatott áramkörök tervezése során használt Altium Designer szoftver használata is egy abszolút standard a mai áramkör tervező programok között. Ezen két szoftver megfelelő ismerete és használata sokoldalú lehetőségeket nyit a villamosmérnöki pályán, hiszen használatukra ma már minden területen szükség van. Egy nagybani gyártás során minél nagyobb mértékben automatizálhatók a folyamatok, annál nagyobb eredményeket érhetünk el. A szakdolgozatom anyagában igyekeztem szakszerű és korszerű megoldásokat felhasználni.
60
12. Summary
I could successfully completed the task. After designing and measuring the electric circuit which contained three operation amplifier, i found out that the physical instruments, function generators are replaceable in virtual system. The LabVIEW which is a graphical programming software offer a lot of opportunities for programmers has thirty years experience in the industry. It makes easy to test, measure and controlling a lot of application for developing purpose. This software decrease the developing prices, and spare a lot of time also for the engineers. Designing printed circuit boards can easily realizable with Altium Designer which is an absolute standard software nowadays.
Knowing these two software gives a lot of opportunities for the electrical engineers because in the industry they are very useful. The more automation we have in producting processes the more effective results we can get. In my thesis i tried to use professional and modern solutions.
61
13. Köszönetnyilvánítás Ezúton szeretném köszönetemet kifejezni a Miskolci Egyetem ElektrotechnikaiElektronikai Intézeti Tanszék dolgozóinak, hogy használatba vehettem a IV. labor eszközeit és a gyakorlati feladatokat professzionális körülmények között végezhettem. Továbbá hálával tartozom Szabó Norbert és Dr. Tóth Lajos Tanár úrnak, akik munkájukkal segítettek, hogy a tervezési és mérési eljárásokat megfelelően kivitelezzem.
62
14. Irodalomjegyzék
1. Dr. Kovács Ernő - Elektronika I. előadás jegyzet, 2010 2. Dr. Kovács Ernő - Elektronika II. előadás jegyzet, 2010 3. http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/20100017_03_analog_elektronika/ch03s03.html, letöltve: 2015.11.10. 4. http://www.kepzesevolucioja.hu/dmdocuments/4ap/6_0917_041_101115.pdf, letöltve 2015.11.10. 5. Dr. Kovács Ernő - Műveleti erősítők mérése jegyzet, 2012 6. http://egyetem.szatmarnet.hu/dl.php?id=33, el_06.pdf, letöltve 2015.11.10 7. http://www.uni-miskolc.hu/~elkszabo/Oktatas/LabView_bevezeto.pdf, letöltve 2015.11.13 8. http://www.uni-miskolc.hu/~elkszabo/Oktatas/LabVIEW%20DAQmx.pdf, letöltve 2015.11.13 9. Váradiné Szarka Angéla - Kovács Ernő - Blága Csaba - Szabó Norbert: Elektronikus áramkörök tesztelése virtuális műszerekkel, 2005 10. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm741.pdf, letöltve 2015.11.10
63