SOUČÁSTKY ELEKTROTECHNIKY

UNIVERZITA OBRANY Fakulta vojenských technologií

SOUČÁSTKY ELEKTROTECHNIKY LABORATORNÍ PRAKTIKUM

Ing. Martin Kyselák, Ph.D. prof. Ing. Čestmír Vlček, CSc. Ing. Jiří Solfronk, CSc.

Brno 2016

OBSAH 1 A

STABILIZAČNÍ DIODA

B

STEJNOSMĚRNÉ CHARAKTERISTIKY A PARAMETRY TRANZISTORU V ZAPOJENÍ SE SPOLEČNÝM EMITOREM

2 A

VÝKONOVÝ ZESILOVAČ TŘÍDY B – TDA2003

B

STABILIZÁTOR NAPĚTÍ MAA723

3 A

LOGICKÝ ČLEN NAND

B

MULTIPLEXOR A DEMULTIPLEXOR

4 A

POSUVNÝ REGISTR

B

ČÍTAČ

5 A

ELEKTROLUMINISCENČNÍ DIODA

B

FOTODIODA

6 A

MĚŘENÍ SPEKTRÁLNÍCH CHARAKTERISTIK

B

MĚŘENÍ PARAMETRŮ OPTICKÝCH VLÁKEN

C

MĚŘENÍ ÚTLUMU OPT. VLÁKEN MANIPULÁTOREM OPTEL

1.a STABILIZAČNÍ DIODA Obsah měření a) U předloženého vzorku stabilizační diody změřte statický průběh V-A charakteristiky a určete její základní parametry. b) Naměřenou V-A charakteristiku stabilizační diody využijte k návrhu parametrického stabilizátoru napětí pro zadanou zátěž a vstupní nestabilizované napětí UI.

Otázky pro přípravu 1. Jaká je fyzikální podstata mechanizmů elektrického průrazu přechodu PN a jeho možná aplikace u stabilizačních diod? 2. Prostudujte obvodové uspořádání a princip činnosti parametrického stabilizátoru napětí se stabilizační diodou. Zapojení měřicího pracoviště Průběh V-A charakteristiky stabilizační diody (někdy též nazývané Zenerovy diody „ZD“) změřte v zapojení pracoviště podle obr. 1. K měření využijte přípravku pro zapojení stabilizační diody do obvodu nastavitelného zdroje stejnosměrného napětí Uss, ochranného odporu R0, miliampérmetru mA a stejnosměrného voltmetru V s velkým vstupním odporem. mA + (-)

Uss

Ro IF (IR)

A

ZD (+)

UF (UR)

V

K

Obr. 1 Zapojení k měření stabilizační diody Podle směru měřeni V-A charakteristiky volte polaritu zapojení stabilizační diody nebo polaritu připojení zdroje Uss a případně svorek měřicích přístrojů mA a V. K ověření funkční činnosti stabilizační diody v obvodu jednoduchého parametrického stabilizátoru napěti využijte přípravku pro zapojení pracoviště uvedeného na obr. 2. K měření použijte opět zdroje Uss k nastavení zadaných hodnot vstupního nestabilizovaného napětí UI, které může být pro větší přesnost měřeno voltmetrem V1. Stabilizované napětí UO na zátěži RL je nutno měřit voltmetrem V2 s velkým vstupním odporem. Potřebnou hodnotu sériového odporu RS je možno nastavit na připojené odporové dekádě.

odporová dekáda

Rs Uss

UI

V1

IZ+IRL)

K UZ

ZD

RL

UO

V2

A

Obr. 2 Zapojení pro měření stabilizátoru napětí. Použité přístroje:

Postup měření: a) Statické měření V-A charakteristiky stabilizační diody "ZD" si rozdělte do tří oblastí naznačených v typickém průběhu na obr. 3. V přímém směru oblasti "I" nepřekročte zadanou mezní hodnotu proudu IF. Pro přesnější měření nastavujte proud IF a odečítejte napětí UF. Ve zpětném směru oblasti "II" bývá proud IR těchto křemíkových stabilizačních diod zanedbatelně malý, přičemž jeho hodnota není pro zadané měření určující. V této oblasti pomalu zvyšujte napětí UR až do měřitelné hodnoty proudu IR a od tohoto bodu V-A charakteristiky přejděte k měření v oblasti "III". Hlavní důraz položte do měření v oblasti "III" elektrického nedestruktivního průrazu, kde prudce narůstá proud IR při malé změně napětí UR. Pro přesnější měření je výhodnější opět nastavovat hodnoty proudu IR a odečítat napětí UR. Při měření v této oblasti nesmíte překročit maximální přípustnou výkonovou ztrátu Pd,max stabilizační diody, popř. zadanou hodnotu proudu IR = IZ,max. Vzhledem k nedokonalému chlazení stabilizační diody v použitém přípravku může být měření při větších proudech v oblasti "III" zkresleno ohřevem diody. V mezích požadované přesnosti měření lze připustit v této dílčí oblasti aproximaci V-A charakteristiky přímkou se strmostí odpovídající střední části v okolí proudu IZ Hodnoty základních parametrů měřené stabilizační diody zjistěte z naměřeného průběhu V-A charakteristiky v souladu s parametry na obr. 3.

Základní parametry: UZ IZ rZ SZ

IZ, max

Pd, max

- stabilizační napětí - stabilizační proud - diferenciální odpor - teplotní součinitel UZ > 5,5 V, SZ > 0 UZ < 5, 5 V, SZ < 0 - mezní proud - mezní ztrátový výkon diody

Poznámka: parametry jsou udávány pro teploty ϑJ = 25 °C.

Obr. 3. Typický průběh V-A charakteristiky stabilizační diody K posouzení měřené stabilizační diody určete na základě předchozího studia jejich vlastnosti a hodnoty napětí UZ znaménko teplotního součinitele SZ a fyzikální podstatu mechanizmu elektrického průrazu v oblasti "III". b) Návrh parametrického stabilizátoru napětí s měřenou stabilizační diodou řešte graficky v principu naznačeném na obr. 4. při zadaných hodnotách napětí Ul ± ΔUI, zátěže RL, a změřeném průběhu V-A charakteristiky stabilizační diody je cílem grafického výpočtu navrhnout optimální hodnotu sériového odporu RS. Na tomto odporu RS vzniká průtokem proudu IZ + IRL úbytek napětí, jehož změny ΔURS přibližně odpovídají změnám nestabilizovaného vstupního napětí ΔUI. Změny napětí ΔURS jsou vyvolány změnami proudu ΔIZ, zatímco proud IRL a napětí UO = UZ jsou v podstatě stabilní. Malá změna výstupního napěti ΔUO ku změně vstupního napětí ΔUI v podstatě určuje činitel stabilizace SU. Při grafickém návrhu stabilizátoru napětí se "ZD" nejprve nakreslete na milimetrový papír průběh V-A charakteristiky ve zpětném směru. Měřítko napěťové osy volte nejméně 10 mm na 1 V. Měřítko proudové osy volte dle naměřených hodnot proudů v oblasti "III", tak abyste zakreslili V-A charakteristiku do typického průběhu podle obr. 4. Do téhož grafu dále zakreslete V-A charakteristiku zadaného zatěžovacího odporu RL, danou přímkou, na níž známe dva body a to počátek "0" a bod daný např. napětím UZ a proudem IRL = UZ/RL. V dalším kroku zakreslete V-A charakteristiku paralelního zapojení „ZD“ a RL a to součty proudů v několika zvolených bodech V-A charakteristik ZD a RL vždy při stejných hodnotách napěti UR. Na takto získané V-A charakteristice určete pracovní bod stabilizátoru „Pstab" odpovídající napětí UZ a proudu IZ + IRL. Hledanou hodnotu odporu RS zjistěte ze směrnice přímky proložené body "Pstab“ a napětí Ul na napěťové ose, popř. ze zvolených hodnot ΔUR a ΔIR v libovolné části přímky "RS", jak je ukázáno na obr. 4.

Obr. 4 Grafický výpočet stabilizátoru napětí. Pro názor lze určit z grafu výpočtu stabilizátoru hodnotu činitele napěťové stabilizace SU odečtením hodnot ΔU0 = ΔUZ, U0 = UZ a spolu se zadanými hodnotami Ul a ΔUI dosazením do vztahu pro SU na obr. 5. Princip určení těchto hodnot je rovněž naznačen na obr. 5.

Obr. 5 Stabilizační charakteristika stabilizátoru se ZD. 𝑆𝑈 =

𝑈0 𝛥𝑈𝐼 ∙ 𝑈𝐼 𝛥𝑈0

kde je U0 = UZ, ΔU0 = ΔUZ, UO – výstupní stabilizované napětí, UI – vstupní napětí.

Zpracování výsledků: Naměřené hodnoty V-A charakteristiky stabilizační diody ZD a stabilizační charakteristiky parametrického stabilizátoru napěti zapisujte do připravených tabulek podle příkladů tabulek. měření v propustném směru IF[mA] UF[V]

měření v závěrném směru IR[mA] UR[V]

Naměřenou V-A charakteristiku stabilizační diody ZD zakreslete do grafu ve vhodném měřítku napěťových a proudových os tak, abyste získali graf typického průběhu podle obr. 3. Stejně tak do grafu zpracujte grafický návrh parametrického stabilizátoru napětí s měřenou diodou. V textové části zhodnocení výsledků měření uveďte předpokládaný fyzikální princip činnosti měřené stabilizační diody a její stabilizační účinky. V textové části zhodnocení výsledků měření uveďte předpokládaný fyzikální princip činnosti měřené stabilizační diody.

1.B STEJNOSMĚRNÉ CHARAKTERISTIKY A PARAMETRY TRANZISTORU V ZAPOJENÍ SE SPOLEČNÝM EMITOREM Zadání: a) Změřte u předloženého tranzistoru ve vymezené oblasti průběhy výstupních a vstupních charakteristik v základním zapojeni SE b) Z naměřených charakteristik graficky odvoďte průběhy převodních charakteristik pro zadaná napěti UCE a proudy IB; zakreslete soustavu hybridních charakteristik. c) Pro zadaný pracovní bod "P" odvoďte se soustavy naměřených charakteristik hodnoty čtyřpólových parametrů hik předloženého tranzistoru.

Otázky pro přípravu a) Vysvětlete fyzikální podstatu tranzistorového jevu v bipolárním tranzistoru N-P-N a P-N-P. b) Popište funkční závislost soustavy hybridních stejnosměrných charakteristik bipolárního tranzistoru N-P-N a P-N-P. c) Definujte čtyřpólové hike parametry bipolárního tranzistoru.

Zapojení měřicího pracoviště: objímka

NPN (PNP) C B

RB

mA

E μA

IB

(-IB)

Uss

+ NPN (- PNP)

EV

IC (-IC)

UBE

UCE

(-UBE)

(-UCE)

EV NPN+ (PNP-)

Uss

Obr. 1. Schéma zapojeni pro měření stejnosměrných charakteristik bipolárního tranzistoru v zapojení SE Průběhy výstupních charakteristik naprázdno daných rovnicí IC = f(UCE), kde parametrem je IB, a vstupních charakteristik nakrátko UBE = f (IC) s parametrem UCE, měřte v základním zapojení se společným emitorem v uspořádání podle obr. 1. Pro měření použijte univerzální přípravek. Před zahájením práce zjistěte v katalogu typ a základní údaje měřeného tranzistoru (označení tranzistoru je obvykle situováno na tělese pouzdra) a zakreslete do protokolu zapojení patice. Zapište též mezní údaje doporučené výrobcem, jež nesmíte při měření překročit! Na přípravku vyberte vhodnou objímku a zasuňte do ní tranzistor. Polarita zdrojů a měřidel závisí na typu měřeného tranzistoru.

Použité přístroje:

Postup měření: a) Při měření voltampérových charakteristik je obecně vhodné zapisovat naměřené údaje do tabulky a zároveň kreslit alespoň informativní graf. To umožňuje průběžnou kontrolu měřených závislostí a současně též sledování, zda nedochází k překračování dovoleného pracovního rozsahu tranzistoru. Proto si do grafu zakreslete před zahájením měření mezní elektrické hodnoty udávané výrobcem: - mezní ztrátový výkon PCmax, - dovolený proud ICmax, - napětí UCEmax. Typické průběhy soustavy hybridních charakteristik bipolárního tranzistoru v základním zapojení se společným emitorem jsou uvedeny na obr. 2. Při měření výstupní charakteristiky nastavte a udržujte zadané hodnoty proudu IB. Měňte napětí UCE v zadaném rozsahu a odečítejte hodnoty výstupního proudu IC. Hodnoty zapisujte do tabulky (vzor Tab. 1). Při měření vstupní charakteristiky nastavte a udržujte zadané hodnoty napětí UCE. Měňte proud IB v zadaném rozsahu a odečítejte odpovídající hodnoty napětí UBE. Hodnoty zapisujte průběžně do tabulky (Tab. 2). Naměřené průběhy sítí výstupních a vstupních charakteristik vyneste do grafu. Měřítka os UCE, IC, IB, UBE volte tak, abyste na plochu formátu A4 zobrazili celou soustavu sítí podle příkladu na obr. 2. b) Přímé převodní charakteristiky vyjadřující funkční závislost IC = f (IB) při UCE = konst. odvodíme graficky z výstupních charakteristik promítnutím průsečíků přímky UCE = konst. s výstupními charakteristikami do souřadnicového systému IB, IC. Obdobně lze ze systému vstupních charakteristik odvodit průběh zpětných převodních charakteristik UBE = f (UBE) pro IB = konst. Připomeňme, že všecky čtyři sítě charakteristik vzájemně korespondují.

Obr. 2. Soustava hybridních stejnosměrných charakteristik bipolárního tranzistoru v zapojení SE c) Zakreslete polohu zadaného pracovního bodu do všech sítí, jak je naznačeno na obr. 2. Pro grafické určeni přibližných hodnot hybridních čtyřpólových parametrů hike užijte postup dle U 255 str. 237.

Zpracování výsledků: Úloha vyžaduje záznam měřených hodnot do tabulek (Tab. 1), grafické vypracováni sítí hybridních charakteristik tranzistoru a grafické odvozeni parametrů.

Tab. 1 Výstupní charakteristiky IB [µA]

UCE [V]

20

IC [mА]

40

IC [mА]

60

IC [mА]

80

IC [mА]

0

ICE0 [µА]

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

1,0

2,0

5,0

10

15

Tab. 2 Vstupní charakteristika UCE [V]

IB [µA]

5

UBE [V]

0,5

1,0

2,0

5,0

10

20

40

60

80

2.A VÝKONOVÝ ZESILOVAČ TŘÍDY B – TDA2003 Zadání: Změřte následující parametry předloženého výkonového integrovaného zesilovače: a) Modulovou kmitočtovou charakteristiku b) Výstupní napětí a výkon v závislosti na napájecím napětí c) Vstupní citlivost a napájecí proud při vybuzení Otázky pro přípravu 1) Jak můžete změřit výstupní výkon integrovaného obvodu výkonového zesilovače? 2) Popište typické pouzdro výkonového integrovaného zesilovače. 3) Jaké další typy výkonových integrovaných zesilovačů znáte a jaké je jejich pouzdro? Schéma zapojení měřicího obvodu je na obr. 1. Zesilovač je sestaven z integrovaného obvodu TDA2003, který má ve své struktuře navržen celou řadu ochran, je odolný proti stejnosměrnému i střídavému zkratu na výstupu, odolává zkratu mezi jednotlivými vývody (piny). Má vestavěnu tepelnou ochranu, je odolný napěťovým rázům až do 40 V a je zabezpečen proti důsledkům náhodně vzniklé otevřené smyčky (při rozpojení zpětné vazby). Integrovaný obvod je vyráběn v pouzdru typu PENTAWATT a v našem případě se jedná o variantu pro svislou montáž. Zapojení měřicího pracoviště:

Obr. 1. Zapojení přípravku pro měření nf výkonového zesilovače s IO TDA2003

Výstup zesilovače je zapojen proti zemi podle doporučení výrobce a napájení je nesymetrické. Lze zvolit i variantu tzv. můstkového zapojení (viz technická data). Kondenzátory C3 a C zlepšují filtraci napájecího

napětí UCC. Rezistor R prakticky určuje vstupní impedanci zesilovače a zároveň zajišťuje nulový vstupní signál ve stavu bez připojení zdroje signálu. Kondenzátor C1 odděluje vstup integrovaného obvodu od případného stejnosměrného napětí. Rezistory R1 a R2 určují zesílení zesilovače a zároveň potlačují vliv kolísání napájecího napětí na vlastnosti zesilovače (tzv. SVR - 5upply Voltage Rejection). Kondenzátor C2 odděluje stejnosměrné napětí, které je na výstupu integrovaného obvodu (pin 4). Kondenzátor C4 je výstupní oddělovací kondenzátor. Prvky R3 a C5 tvoří tzv. Boucherotův člen, který kompenzuje vliv případné indukční zátěže (reproduktoru). Použité přístroje:

Postup měření: a) Ke vstupním svorkám připojte nf generátor. K výstupním svorkám připojte osciloskop a nf milivoltmetr. K bočním svorkám přípravku připojte napájecí zdroj. Nastavte napájecí napětí UCC = 16 V. Na generátoru nastavte f = 1 kHz a úroveň signálu takovou, aby výstupní napětí bylo UO= 2 V (PO = 1 W). Odečtěte hodnotu vstupního napětí UI. Modulovou kmitočtovou charakteristiku změřte v rozsahu kmitočtů f = 20 Hz až 50 kHz. V průběhu měření udržujte konstantní vstupní napětí UI stejné jako pro f = 1 kHz. Výstupní napětí UO odečtěte pro každý nastavený kmitočet a zapište do tabulky. Přenos napětí K v dB vypočtěte podle vztahu: 𝐾𝑢 = 20 log

𝑈𝑂 𝑈𝐼

Typický průběh měřené závislosti je uveden na Obr. 2.

Obr. 2. Typické průběhy charakteristik IO TDA2003

b) Nastavte na generátoru kmitočet f = 1 kHz. Napájecí napětí měňte postupně UCC= 6 V, 9 V, 14 V, 16 V, 18 V. Pro každou hodnotu UCC změřte výstupní napětí UO plně vybuzeného zesilovače, tj. výstupní signál na osciloskopu je těsně před omezením bez viditelného zkreslení. Pro danou zátěž zesilovače RL = 4 Ω vypočtěte maximální výstupní výkon pro každou hodnotu UCC: 𝑃𝑂𝑚𝑎𝑥 =

2 𝑈𝑂𝑚𝑎𝑥 [𝑊, 𝑉, Ω] 𝑅𝐿

Typický průběh měřené závislosti je uveden na Obr. 3.

Obr. 3. Typické průběhy charakteristik IO TDA2003 c) Nastavte na generátoru kmitočet f = 1 kHz, napájecí napětí UCC= 16 V. Do napájecího obvodu zesilovače připojte miliampérmetr (DU 10, DU 20) a vybuďte zesilovač tak, aby UO = 4 V. Odečtěte velikost vstupního napětí UI a napájecího proudu ICC.

Zpracování výsledků: Výsledky měření zapisujte do tabulek podle vzoru Tab. 1 a 2. Výsledky a) zpracujte graficky v semilogaritmickém měřítku. A b) zpracujte graficky jako závislosti KU = f (f), UO = f (UCC), PO = f (UCC). Z kmitočtové závislosti přenosu stanovte šířku pásma přenášených kmitočtů pro pokles přenosu o 3 dB. Naměřené a vypočítané hodnoty porovnejte s katalogovými údaji.

Tab. 1 F [Hz]

UI [V]

UI [V]

UOmax [V]

POmax [W]

20 50 100 200 500 1 · 103 2 · 103 5 · 103 1 · 104 2 · 104 5 · 104

Tab. 2 UCC [V] 6 9 14 16 18

UO [V]

KU

KU [dB]

2.B STABILIZÁTOR NAPĚTÍ MAA723 Zadání: 1) Navrhněte potřebné hodnoty rezistorů pro stabilizátor napěti MAA 723: a) výstupní napěti je v rozsahu UO = 2 V až 7 V, b) výstupní napětí je v rozsahu UO = 7 V až 37 V. 2) Změřte referenční napěti UR, výstupní napěti UO a zatěžovací charakteristiku pro navržený stabilizátor při zadaném vstupním napěti. Otázky pro přípravu: 1) Jaký je rozdíl mezi zapojením stabilizátoru napětí s MAA 723, pro malá (Ua < UR) a pro velká (Ua > UR) výstupní napětí? 2) Jakým způsobem je omezena hodnota maximálního výstupního proudu?

Zapojení měřicího pracoviště: Schéma zapojení stabilizátorů pro oba rozsahy napětí je uvedeno na obr. 1. Jednotlivé rezistory jsou na přípravku realizovány odporovými dekádami XL-6, pro měření napětí je použit číslicový voltmetr (např. M1T 242).

RO UR

8 4 R1

UI

V

10

MAA 723 9

IO

mA

1

3 5 CR

7 6

UO

R3

V

2

R2

RL 100

Obr. 1. Schéma zapojeni pro měření IO MAA 723

RO UR

8 4 R3

UI

V

7 6 10 R1

1

IO

mA

UO

MAA 723 3 5

9

V

2 R2

RL

100

Obr. 2. Schéma zapojeni pro měření IO MAA 723


Postup měření: a)

Navrhněte hodnoty rezistorů R1, R2 a R3 pro výstupní napětí UO = (3, 5, 7) V a výstupní proud IO = 50mA. Pro zvolenou hodnotu R1 (cca 1 až 5 kΩ) vypočítejte R2 a R3 podle vztahů: 𝑅2 =

𝑈𝑂 . 𝑅1 ; 𝑈𝑅 − 𝑈𝑂

𝑅3 =

𝑅1 . 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2

.

(Hodnotu referenčního napětí pro výpočet určíte měřením na vývodu č. 4 integrovaného obvodu při vstupním napětí cca 10 V - porovnejte s katalogovou hodnotou UR= 7,15 V). Hodnota R0 závisí na výstupním proudu IO podle vztahu (je již součástí přípravku): 𝑅0 =

0,65 . 𝐼𝑂

Hodnoty všech rezistorů nastavte na dekádách, které připojíte do příslušných zdířek na přípravku podle schéma na obr. 1. Na vstup stabilizátoru připojte zdroj a nastavte vstupní napětí UI = 12V. Číslicovým voltmetrem změřte výstupní napětí UO a referenční napětí UR.

Pro měření zatěžovací charakteristiky připojte na výstup stabilizátoru proměnný zatěžovací odpor v sérii s miliampérmetrem. Změnou odporu nastavujte proud v rozmezí 0 až 60 mA a měřte odpovídající výstupní napětí UO. b) Podobně jako v předchozím bodu navrhněte hodnoty R1, R2 a R3 pro výstupní napětí UO = (9, 15, 24) V a výstupní proud IO = 20 mA. Pro zvolenou hodnotu R1 (cca 5 až 10 kΩ) vypočítejte R2 a R3 podle vztahů: 𝑅2 =

𝑈𝑅 . 𝑅1 ; 𝑈𝑂 − 𝑈𝑅

𝑅3 =

𝑅1 . 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2

.

Hodnoty všech rezistorů nastavte na dekádách, které připojíte k odpovídajícím zdířkám na přípravku podle zapojení na obr. 2. Nastavte vstupní napětí UI = 30 V. Číslicovým voltmetrem změřte výstupní napětí.

Zpracování výsledků: Naměřené a vypočítané hodnoty zapisujte do tabulek podle následujícího vzoru:

Tab. 1 Stabilizační charakteristika UI [V]

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

UOměř [V] ad a) UOměř [V] ad b) Tab. 2 Zatěžovací charaktesristika UI [V] UOměř [V]

0

10

20

30

40

50

60

3.A LOGICKÝ ČLEN NAND Zadání: 1) Změřte převodní charakteristiku logického členu NAND a posuďte, zda odpovídá tolerančnímu poli. 2) Z logických členů NAND sestavte obvod realizující základní logické funkce NOT, AND, OR, NOR. Otázky pro přípravu: 1) Popište logický člen NAND pravdivostní tabulkou. 2) Určete hodnoty tolerančního pole logického členu NAND realizovaného technikou TTL. 3) Vysvětlete rozdílné požadavky na logické úrovně na vstupu a výstupu logického členu NAND. 4) Vysvětlete pojem logický zisk. Zapojení měřicího pracoviště: Měřeni převodní charakteristiky logického členu NAND bude provedeno v zapojení, nakresleném na obr. 1. Na jeden vstup logického členu NAND je přivedeno vstupní napětí, druhý vstup je připojen na napájecí napětí UCC = 5 V a je na něm tedy logická úroveň H. Vzhledem k charakteru úlohy je zavedeno zjednodušení - na výstup není připojena zátěž. Pro úplné posouzeni funkce logického členu NAND je obvykle požadováno provádět měřeni při připojeni umělé zátěže, která zatíží měřený obvod maximálně přípustným proudem. UCC=5V

01 02 03

&

UI

04

V

V

05

01 02 04 05

14 03

&

10 09 13

13 12

06 11

&

06 07

&

08 &

10 09

11

08

Obr. 1. Zapojení pro měření převodní charakteristiky logického členu NAND (a), uspořádáni přípravku pro měření (b).

Vlastní měření bude provedeno na přípravku se zapojeným logickým obvodem MH 7400, obsahujícím čtyři dvouvstupové logické členy NAND. Uspořádání přípravku je nakresleno na obr. 1b. Všechny vývody logického obvodu MH 7400 jsou propojeny s dvojicemi zdířek na předním panelu přípravku. To umožňuje snadné připojení požadovaných napětí, jejich měření i propojení logických členů při modelování zadaných logických funkcí. Pamatujte, že při práci se všemi integrovanými obvody je třeba nezapojené vstupy ošetřit, to znamená připojit je na logickou úroveň L nebo H.


Postup měření: 1) Zapojte jeden z logických členů NAND obvodu MH 7400, zapojených v přípravku, nakresleném na obr. 1a podle schématu na obr. 1b. Změřte závislost výstupního napětí UO na vstupním napětí UI. Změřenou závislost UO= f (UI) zpracujte ve formě grafické závislosti, do níž zakreslete meze tolerančního pole. Posuďte správnost funkce logického členu NAND. Typický průběh převodní charakteristiky logického členu NAND je na obr. 2.

Obr. 2. Typický průběh převodní charakteristiky logického členu NAND. 2) Sestavte z logických členů NAND logické obvody, realizující základní logické funkce NOT, AND, OR, NOR. Správnost sestavení logických obvodů posuďte srovnáním pravdivostních tabulek těchto obvodů s pravdivostními tabulkami zadaných logických funkcí. Zadané logické funkce sestavte z logických členů NAND podle vztahů 𝑌 = 𝐴̅,

𝑌 = 𝐴 ∙ 𝐵 = ̿̿̿̿̿̿ 𝐴 ∙ 𝐵,

𝑌 = ̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝐴 + 𝐵 = 𝐴̅ ∙ 𝐵̅ 𝑌 = 𝐴 + 𝐵 = ̿̿̿̿̿̿̿̿ 𝐴 + 𝐵 = ̅̅̅̅̅̅ 𝐴̅ ∙ 𝐵̅.

Zpracování výsledků: Hodnoty vstupního a výstupního napětí, získané při měření převodní charakteristiky zapisujte do tabulky 1. Vstupní napětí nastavujte po 0,4 V, v rozsahu 0,6 až 2,4 V po 0,2 V nebo i menší hodnotě podle strmosti měřené charakteristiky. Závislost UO = f (UI) nakreslete do souřadného systému s

lineárním měřítkem. Do stejného souřadného systému zakreslete toleranční pole logického členu. Pravdivostní tabulky sestavených logických obvodů zpracujte ve formě tabulek Tab. 2 a, b, c, d. Tab. 1 UI [V]

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

UO [V]

Tab. 2 a)

b) A

𝑌 = 𝐴̅

b)

A

B

𝑌 =𝐴∙𝐵

A

B

𝑌 = ̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝐴+𝐵

b) A

B

𝑌 =𝐴+𝐵

2,6

2,8

3. B MULTIPLEXOR A DEMULTIPLEXOR Zadání: 1) Ověřte funkci multiplexoru. Na základě znalosti jeho funkce určete logické úrovně na vstupech, zadané připojením odpovídajících napětí propojovacím polem. 2) Ověřte funkci demultiplexoru a jeho propojením s multiplexorem se přesvědčte o vzájemně inverzní funkci obou obvodů. 3) Ověřte funkci demultiplexoru jako dekodéru 1 z n. Otázky pro přípravu: 1) Vysvětlete funkci multiplexoru a demultiplexoru, uveďte způsob jejich popisu pravdivostní tabulkou. 2) Navrhněte zapojení demultiplexoru jako dekodéru 1 z n a uveďte rozdíly ve funkci demultiplexoru a dekodéru 1 z n. 3) Jaké další typy dekodérů znáte? 4) Vysvětlete funkci dekodéru pro sedmi segmentové zobrazovací prvky. Zapojení měřicího pracoviště: Funkce multiplexoru a demultiplexoru bude ověřena v zapojení přípravku, nakresleném na obr. 1. Přípravek umožňuje snadnou adresaci vstupů multiplexoru a výstupu demultiplexoru připojením logických úrovní L, H tlačítky, připojení logických úrovní L, H na vstup multiplexoru S a výstupy demultiplexoru G1, G2 a indikaci logických úrovní na vstupech a výstupech luminiscenčními diodami. Logické úrovně na výstupu demultiplexoru je možné indikovat připojením k logické sondě s luminiscenční diodou, zabudovanou v přípravku. Logické úrovně na vstupu multiplexoru jsou určeny připojením napětí propojovacím polem. Adresace multiplexoru a demultiplexoru může být provedena samostatně nebo společně pro oba obvody podle polohy přepínače ADRESOVÁNÍ.


Postup měření: 1) Přepínač ADRESOVÁNÍ přepněte do polohy SAMOSTATNĚ. Na vstup multiplexoru S přiveďte logickou úroveň L. Tlačítky ADRESA postupně adresujte jednotlivé vstupy multiplexoru přivedením logických úrovní, odpovídajících binárním číslům 0000 až 1111, na adresovací vstupy. Podle logických úrovní na výstupu a odpovídajících adres na vstupu logické úrovně na odpovídajících vstupech. Výsledky zpracujte do tabulky. 2) Na vstup demultiplexoru G2 přiveďte logickou úroveň L. Na vstup G1 přiveďte logickou úroveň L nebo H a postupnou adresací vstupu demultiplexoru se přesvědčte o přenosu logických úrovni ze vstupu G1 na výstup. Vstupy G1 , G2 lze při tomto ověření zaměnit. Přepněte přepínač ADRESOVÁNÍ do polohy SPOLEČNĚ. Tím je umožněno společné adresováni multiplexoru a demultiplexoru adresovacími tlačítky multiplexoru (adresovací tlačítka demultiplexoru jsou

odpojena). Propojte výstup W multiplexoru se vstupem G1 demultiplexoru. Vstup G2 demultiplexoru připojte na logickou úroveň L. Společným adresováním multiplexoru a demultiplexoru se přesvědčte o vzájemně inverzní funkci obou obvodů. MX

DC

logická sonda

A

adresa

propojovací pole

B C D

A

adresa

B G1

C

G2

D S

L

samostatně

společně

adresa

L

Obr. 1. Přípravek pro ověření funkce multiplexoru a demultiplexoru. 3) Přepínač ADRESOVÁNÍ přepněte do polohy SAMOSTATNĚ. Na vstupy demultiplexoru G1, G2 připojte logické úrovně L. Na adresovací vstupy demultiplexoru přiveďte logické úrovně, odpovídající binárním číslům 0000 až 1111. Zjistěte logické úrovně na výstupech, výsledek zapisujte do tabulky. Demultiplexor pracuje v tomto případě jako dekodér 1 z n.

Zpracování výsledků: Zjištěné logické úrovně na vstupech multiplexoru spolu s adresou vstupu zpracujte do tabulky. Funkci demultiplexoru jako dekodéru 1 z n popište tabulkou. Neopomeňte ke každé tabulce uvést logické úrovně na vstupech, které nejsou v tabulce obsaženy, ale jsou pro realizaci dané funkce nezbytné. Ve zhodnocení posuďte správnost funkce ověřovaných obvodů. Na základě získaných poznatků sestavte stručné slovní definice funkce multiplexoru, demultiplexoru a dekodéru 1 z n. Uvědomte si přitom opačné funkce multiplexoru a demultiplexoru a odlišnost funkce demultiplexoru a dekodéru 1 z n.

Tab. 1 ADRESA VSTUP č. A B C D

L/H

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 S=L Tab. 2 ADRESA A B C D 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 G1 = L, G2 = L

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

0

1

2

3

4

5

6

VÝSTUPY 7 8

9

10

11

12

13

14

15

4. A POSUVNÝ REGISTR Zadání: 1) Ověřte funkci posuvného registru a vyjádřete tuto funkci zápisem do zadané tabulky. 2) Ověřte funkci vstupů nulování a nastavení posuvného registru, výsledky zpracujte formou tabulky. Otázky pro přípravu: 1) Vysvětlete funkci posuvného registru. 2) Vysvětlete funkci vstupů NULOVÁNÍ a UVOLŇOVACÍ VSTUP NASTAVENÍ posuvného registru. Zapojení měřicího pracoviště: Měření bude provedeno na přípravku se zapojeným posuvným registrem, nakresleným na obr. 1. Logické úrovně na vstupech a výstupech jsou indikovány luminiscenčními diodami. Vstupní úrovně L, H na vstupech nulování a nastavení jsou generovány připojením napětí O a 5 V tlačítky s označením NULOVÁNÍ, UVOLŇOVACÍ VSTUP NASTAVENÍ. Vstupní svorka, označená posuv, je propojena s výstupem generátoru hodinových impulsů. Funkční přepínač generátoru hodinových impulsů je v poloze RUČNĚ. Generátor hodinových impulsů GHI je přípravek pracující podle polohy funkčního přepínače P ve třech režimech: TVAROVACÍ OBVOD - hodinové impulsy jsou tvarovány ze sinusového průběhu výstupního signálu RC generátoru. INTERNÍ GENERÁTOR - hodinové impulsy s opakovacím kmitočtem cca 1Hz jsou tvarovány vnitřním generátorem přípravku a umožňují snadnou indikaci logických stavů pomocí ELD. RUČNÍ SPOUŠTĚNÍ - hodinové impulsy jsou tvarovány RS klopným obvodem ovládaným tlačítkem. Jejich délka je dána dobou stisknutí tlačítka.

-

Q1

Sériový vstup

11

A0 1

Q2

Q3

Q4

Q5

11

11

11

5

1 S R

T

S R

C

S R

C S R

C S R

posuv

T

T

S R

T

S R C S R

C S R

C S R

T Sériový výstup

-

1

A1

A2

A3

A4

&

&

&

nulován í S uvolňovací vstup

&

1

&

R

A5

Obr. 1. Přípravek pro ověření funkce posuvného registru MH..96.

Paralelní vstupy


Postup měření: 1) Generátor hodinových impulsů a měřený obvod připojte na napájecí napětí 5 V. Přívody pro napájení jsou vyvedeny na zdířky na boční straně přípravků. Vstupní svorku posuvného registru, označenou POSUV propojte s výstupem Q generátoru hodinových impulsů. Zapojte posuvný registr jako kruhový propojením sériového výstupu se sériovým vstupem. Nastavte logickou úroveň L na uvolňovací vstup S stisknutím tlačítka UVOLŇOVACÍ VSTUP NASTAVENÍ. Tím je zamezeno přenosu logických úrovní z paralelních vstupů na nastavovací vstupy klopných obvodů posuvného registru. Zavedením logické úrovně L na nulovací vstup R sepnutím tlačítka NULOVÁNÍ proveďte vynulování posuvného registru. Opětovným stisknutím tlačítka NULOVÁNÍ tlačítko uvolněte. Na nastavovacích vstupech nastavte zvolenou kombinaci logických úrovni L, H. Uvolněním tlačítka UVOLŇOVACÍ VSTUP NASTAVENÍ přiveďte logické úrovně H na obvody nastavovacích vstupů, které nastaví klopné obvody posuvného registru do požadovaného stavu. Po nastavení posuvného registru stiskněte tlačítko UVOLŇOVACÍ VSTUP NASTAVENÍ (zavedení logické úrovně L) a tím odblokujte paralelní vstupy od vlastního posuvného registru. Stisknutím tlačítka na generátoru hodinových impulsů (zavedením logické úrovně H na vstupní svorku posuv posuvného registru) proveďte posuv binární informace v posuvném registru a ověřte tak jeho funkci. K posuvu dochází při změně logické úrovně L na H. 2) Uvedený postup zopakujte s tím, že hodnoty vstupních logických proměnných R, S, C, A1 … A5 a výstupních logických proměnných Q1 … Q5 zapíšete do tabulky. Hodnoty logických proměnných R, S, C odpovídající zadanému postupu jsou předepsány v tabulce.

Zpracování výsledků: Logické stavy na vstupech a výstupech posuvného registru, zjištěné při plnění bodu 2) postupu zaznamenejte do tabulky. Některé logické úrovně jsou v tabulce předepsány v souladu s postupem měření. V případě, že je postup nulování a nastaveni posuvného registru zcela jasný, můžete vynechat slovní postup a předepsané operace s posuvným registrem provádět přímo podle tabulky 1. Dodržujte přitom předepsaný postup plnění dílčích operací po jednotlivých řádcích tabulky a uvědomujte si smysl každé operace. Použitá symbolika zápisu do tabulky je vysvětlena v doplňku tabulky. Symbol X označuje libovolný stav logické proměnné. Vyjadřuje skutečnost, že logická proměnná na vstupu může nabývat hodnot L nebo H aniž by ovlivnila logické úrovně na výstupu. Libovolný stav na výstupu. Znamená, že logická úroveň na výstupu není definována a obvykle záleží na předchozí činnosti posuvného registru.

Tab. 1

nulování nulování zadávání

R X L H

S L L L

C(n) L L L

A1 X X X

A2 X X X

A3 X X X

A4 X X X

A5 X X X

Q1n X

Q2n X

Q3n X

Q4n X

Q5n X

zadávání přepnutí přepnutí posuv posuv posuv posuv posuv

H H H H H H H H

L H L L L L L L X L↗H Q1n – Q5n

L L L L↗H L↗H L↗H L↗H L↗H

X X X X X

X X X X X

X X X X X

X X X X X

X X X X X

- libovolný stav - změna logické úrovně L na H - logické proměnné na výstupech po změně logické úrovně L na H na vstupy C (POSUV)

4. B ČÍTAČ Zadání: 1) 2) 3) 4)

Ověřte funkci nastavovacích vstupů čítače. Ověřte funkci čítače. Ověřte funkci čítače jako děliče modulo n (n = 2, 4, 8, 16, 7, 10) Navrhněte zapojeni čítače jako děliče n (n = 6, 9, 13) a ověřte prakticky správnost návrhu. Nakreslete časové průběhy na vstupu a výstupu čítače, zapojeného jako děliče n.

Otázky pro přípravu: 1) Popište funkci čítače, vysvětlete funkci nastavovacích vstupů. 2) Navrhněte zapojení čítače jako děliče n = 2 až 16. Zapojení měřicího pracoviště: Měření bude provedeno na přípravku, nakresleném na obr. 1. Přípravek umožňuje snadné připojení logických úrovní na nastavovací vstupy i propojení vstupu čítače s generátorem čítaných impulsů. Vstupní čítané impulsy jsou přiváděny na vstup čítače z generátoru hodinových impulsů, popsaného v úloze 4. A. Výstup GHI Q je propojen se vstupem čítače C. Logické úrovně na vstupech a výstupech jsou indikovány luminiscenčními diodami. Použité přístroje:

Postup měření: 1) Generátor hodinových impulsů a měřený obvod připojte na napájecí napětí SV. Přívody pro napájení jsou vyvedeny na zdířky na boční straně přípravku. Propojte výstup Q prvního klopného obvodu čítače se vstupem B druhého klopného obvodu. Na vstup C čítače připojte výstup Q generátoru hodinových impulsů. GHI přepněte do polohy RUČNÍ. Připojte na nastavovací vstupy R0(1), R0(2) možné kombinace logických úrovní L a H a zjistěte reakci čítače na přivedení čítaných impulsů, které generujte stisknutím tlačítka na generátoru hodinových impulsů. Výsledky zpracujte do tabulky 2. 2) Na základě ověření funkce nastavovacích vstupů proveďte vynulováni čítače a přivedením potřebných logických úrovní na nastavovací vstupy jej připravte k čítání. Na vstup čítače přiveďte impulsy z generátoru hodinových impulsů. Při poloze přepínače P na GHI RUČNĚ jsou impulsy generovány stisknutím tlačítka, při poloze přepínače INTERNÍ GENERÁTOR vnitřním generátorem pracujícím s kmitočtem 1 Hz. Závislost výstupních logických proměnných čítače na počtu vstupních impulsů zaznamenejte do tabulky 3.

QA

MH 7493 A

QB

QD

QC H

H T

J K C R

J K

T

T

J K

T

J K C R

C R

C R

B

H

&

&

&

H

L POMOCNÝ OBVOD MH 7420

Obr. 1. Přípravek pro ověření funkce čítače.

A B

A B

Ro(1) Ro(1)

A

QA

A

B

QB

B

C

QC

D

QD

A B H

A

QA

B

QB

Ro(1) Ro(1)

C

QC

D

QD

&

& H

Obr. 2. Zapojení čítače jako děliče n = 10 a 7. 3) Zapojte měřený čítač MB 7493 jako dělič kmitočtu n = 2, 4, 8, 16 podle tabulky 1 a jako dělič kmitočtu n = 7, 10 podle schématu na obr. 2. Ověřte funkci těchto zapojení. 4) Na základě předchozích poznatků navrhněte zapojení čítače jako děliče n = 6, 9, 13 a ověřte správnost navržených zapojení. Zapojení nakreslete do laboratorního deníku. Nakreslete časové průběhy na vstupu a výstupu čítače zapojeného jako dělič n = 6, 7, 9.

Tab. 1 Dělící poměr 2

4

Vstup

Výstup

A

QA

B

QB

A (QA ≡ B)

QB

B

QC

8 16

A (QA ≡ B)

QC

B

QD

A (QA ≡ B)

QD

QA ≡ B označuje propojení výstupu QA se vstupem B

Zpracování výsledků: Reakci čítače na logické úrovně L, H na nastavovacích vstupech R0(1) a R0(2) zaznamenejte do tab. 2. V případě, že při zvolené kombinaci L, H čítač čítá, zaznamenejte tento stav do tabulky „✓“. Funkci čítání popište do tab. 3. Tab. 2 R0(1)

R0(2)

QA

QB

QB

QD

Tab. 3 n

QA

QB

QB

QD

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Ověřené zapojeni čítače jako děliče n = 6, 9, 13 nakreslete. Časové průběhy na vstupu a výstupu čítače zapojeného jako dělič n· = 6, 7, 9 nakreslete.

5. A ELEKTROLUMINISCENČNÍ DIODA Zadání: a) Změřte V-A charakteristiku elektroluminiscenční diody WK 164 05 v přímém směru. b) Změřte výkonovou vyzařovací W-A charakteristiku ELD. c) Změřte směrovou vyzařovací charakteristiku ELD. Otázky pro přípravu: 1) Nakreslete a popište průběhy statických charakteristik elektroluminiscenčních diod. 2) Jaká je fyzikální podstata spektrálních vyzařovacích charakteristik elektroluminiscenčních diod. Zapojení měřicího pracoviště: K měření je použito přípravku, který obsahuje jednak obvod pro nastavení pracovního bodu ELD a dále fotodetektor pro měření zářivého výkonu, který je posuvný a umožňuje měření výkonu v různých vzdálenostech od ELD. Ta je umístěna v otočném držáku s ukazatelem, pro nastavení požadovaného úhlu natočení.

90

LED

IF

80

70

60 50 40 30 20

mA +

FOTODETECTOR

10 USS

UF

V

V 10 20 30 40

-

[1V=1mW]

50 70 90 80

60

Obr. 1. Schéma zapojení pracoviště pro měření ELD.


Postup měření: a) Zapojte přípravek podle obr. 1. Nastavujte hodnoty proudu IF v rozsahu od 1 do 30 mA a měřte odpovídající hodnoty napětí UF. Výsledky zapisujte do tabulky. b) Voltmetr přepojte z pozice V1 na výstup fotodetektoru (V2). Nastavujte stejné hodnoty proudu IF jako při měření V-A charakteristiky a odečítejte hodnoty výstupního výkonu. Při tom je fotodetektor v těsné blízkosti ELD a její úhel natočení je nulový. Vyzářený výkon ELD se měří fotodetektorem s fotodiodou 1 PP 75, jejíž fotoelektrický proud nakrátko je převodníkem I/U převeden na napětí. Cejchování je provedeno tak, že UO = 1V odpovídá Φe = 1 mW. c) Při čtení směrové vyzařovací charakteristiky ELD nastavte doporučenou hodnotu IF a vzdálenosti fotodetektoru. Natáčením osy záření ELD vůči fotodetektoru v úhlu 0° až ± 90° odečítejte pro nastavené úhly odpovídající vyzářený výkon. Hodnoty výkonu přepočítejte na relativní hodnoty v procentech vzhledem k výkonu pro nulový úhel natočení. Ze zakreslené vyzařovací charakteristiky vyhodnoťte úhel polovičního vyzářeného výkonu α/2 . Zpracování výsledků: Výsledky měření zpracujte do tabulek a do tří grafů IF = f (UF), Φe = f(IF) a Φe = f(α). Tab. 1. VA charakteristika LED v propustném směru IF [mA] UF [V]

Tab. 2. Výkonová charakteristika LED IF [mA] Φe [mW]

Tab. 3. Směrová charakteristika LED pro IF = ϕ [°] Φe [mW] Φe [mW]

mA.

Příklad grafického znázornění Obr. 2.

Obr. 2. Ukázka voltampérové, výkonové a směrové vyzařovací charakteristiky ELD.

5. B FOTODIODA Zadání: a) Změřte V-A charakteristiku fotodiody 1PP75 za tmy a při osvětlení pro zářivý výkon zdroje v rozsahu Φe = 1, 2 , 3, 4, 5 mW. b) Změřte závislost fotoelektrického proudu nakrátko ILO na zářivém výkonu Φe. c) Změřte závislost fotovoltaického napětí naprázdno UL∞ na zářivém výkonu Φe.

Otázky pro přípravu: 1) Jaká je fyzikální podstata fotovoltaického jevu při interakci světla s přechodem P-N ? 2) Vymezte na typickém průběhu V-A charakteristiky fotodiody za tmy a při jistém konstantním ozářeni pracovní režimy "fotodiodový" a "fotovoltaický". Zapojení měřicího pracoviště: K měření je použito přípravku se zabudovaným zdrojem optického záření, tvořeného elektroluminiscenční diodou, vyzařující na vlnové délce λ = 950 nm. Vyzářený výkon lze přepínat stupňovitě v rozsahu 0 až 5 mW. Měřicí obvod umožňuje práci ve třech režimech. V poloze přepínače V-A je po připojení miliampérmetru a voltmetru možno měřit voltampérové charakteristiky fotodiody. V poloze IL0 je k diodě připojen převodník proud/napětí, který umožňuje měřit proud nakrátko. V poloze UL pak je k diodě připojen voltmetr pro měření fotovoltaického napětí naprázdno.


Postup měření: a) Zapojte přípravek podle obrázku. Přepínač FUNKCE v poloze V-A. Přepínač Φe je v poloze 0 (charakteristika fotodiody za tmy). Nastavujte napětí na diodě v rozsahu od -2 V do +0,5 V, odečítejte proud ID a výsledky zapisujte do tabulky. Nastavte Φe = 1 mW a opakujte postup. b) Přepínač FUNKCE je v poloze ILO. Postupně nastavujte Φe v rozsahu od 1 do 5 mW a odečítejte napětí na voltmetru připojeném k výstupu převodníku I/U. Hodnota ve voltech odpovídá proudu nakrátko v mA. Výsledky zapište do tabulky. c) Přepínač FUNKCE je v poloze UL∞. Postupně nastavujte Φe od 0 do 5 mW a odečítejte napětí na voltmetru. Výsledky zapište do tabulky.

2

FUNKCE:

3

1

1) V-A charakteristika, 2) proud IL0 (nakrátko),

4

3) napětí UL∞ (naprázdno)

0

5

UD

Φe [mW]

mA I/U

UCC2+± 15V

UCC10 +5V

V

FUNKCE

V-A

UL∞ IL0

Obr. 1. Zapojení pracoviště pro měření fotodiody.

Zpracování výsledků: Výsledky zpracujte graficky do tří grafů: ID = f(UD), Φe = par.; IL0 = f(Φe); UL∞ = f(Φe). Pro zapsání výsledků je možno použít následující tabulky. Typické průběhy uvedených závislosti jsou uvedeny na obr. 2. Do tabulky 1 použijte krok hodnot UR po 0,5 V a krok UF po 0,1 V. Tab. 1. ID [mA] Φe [mW]

UR [V]

UF [V]

Tab. 2. Φe [mW] IL0 [mA] UL∞ [V]

Obr. 1. Příklad grafického zpracování charakteristik.

6A. Měření spektrálních charakteristik zdrojů optického záření Zadání: 1. Změřte spektrální charakteristiky předložených elektroluminiscenčních diod (červená, zelená, žlutá, modrá, bílá, IR, atd.), 2. Změřte spektrální charakteristiky laserové diody (780nm) pro různé proudy IF,  IF < ITH – spontánní emise,  IF > ITH – stimulovaná emise. 3. Výsledky měření zpracujte grafickou formou do jednoho obrázku zvlášť pro LED a zvlášť pro LD. Otázky pro přípravu: 1) Popište funkci elektroluminiscenční diody. 2) Vysvětlete princip činnosti hranolového spektrometru. Použité přístroje:

Popis úlohy a použité měřicí přístroje: V této laboratorní úloze je použit kompaktní spektrometr napájený a řízení pomocí PC prostřednictvím sběrnice USB. Princip měření je patrný z obr. 1.

Obr. 1 Uspořádání hlavních komponentů spektrometru Přístroj se skládá z následujících komponentů: 1 – optovláknový konektor SMA, 2 – štěrbina obdélníkového tvaru, která je součástí konektoru a řídí intenzitu vstupního světla, 3 – filtr, který reguluje rozsah vlnových délek přicházejících do optického systému, 4 – kolimační zrcadlo, které zaostřuje světlo přicházející do optického systému na mřížku, 5 – mřížka, vychylující světlo přicházející z kolimačního zrcadla a směřující vychýlené paprsky ne zaostřující zrcadlo, 6 – zaostřující zrcadlo, které přijímá světlo z mřížky a zaostřuje je přímo na CCD detektor nebo sběrnou čočku (závisí na typu spektrometru), 7 – sběrná čočka je použita pro přizpůsobení světelného svazku na krátké pixely detektoru, 8 – CCD detektor (UV, VIS, NIR) sbírá světlo odražené zaostřujícím zrcadlem (nebo přes

sběrnou čočku) a převádí světlo na elektrický proud. Každý pixel detektoru odpovídá vlnové délce dopadajícího světla a vytváří odezvu v digitálním tvaru. Digitální signál je přenášen do PC pomocí speciálního software. Spektrální charakteristika je zobrazena na obrazovce PC, všechna sejmutá data mohou být zapsána do paměti a použita později např. s použitím tabulkového procesoru Excel pro zakreslení více grafů do jednoho obrázku. Spektrometr je připojen k PC (notebooku) pomocí USB portu. Napájení je provedeno přímo z PC bez nutnosti zvláštního zdroje. Polovodičový zdroj světla je umístěn ve stojánku, umožňujícím nastavení světla proti štěrbině spektrometru. Zapojení součástek a přístrojů pro měření spektrálních charakteristik ELD a LD je uvedeno na obr. 2. Pracovní proud IF je nastaven pomocí ss napájecího zdroje a měřen digitálním miliampérmetrem. Ve většině případů není potřeba použít čočku pro zaostření světla do spektrometru. Hodnota IF je doporučena podle typu ELD, pro LD je vhodné ukázat, jak se mění spektrální charakteristika se změnou pracovního proudu vzhledem k prahovému proudu, při kterém přechází LD z e spontánního do stimulovaného režimu. Toto měření je vhodné provádět současně s měřením výkonové vyzařovací charakteristiky pro určení vhodného pracovního bodu k dosažení optimální spektrální charakteristiky. Nastavení pracovního bodu je patrné z obr. 3. Také závislost vyzáření vlnové délky na pracovním proudu je zajímavá při aplikacích LD s modulací.

Obr. 2 Uspořádání pracoviště pro měření spektrální charakteristiky ELD a LD

Obr. 3 Výkonové vyzařovací charakteristiky ELD a LD s vybranými pracovními body Výsledky měření a jejich zpracování Výsledky měření jsou okamžitě patrné na obrazovce PC a lze je zaznamenat v rámci programu spektrometru. Pokud je potřeba porovnat různá spektra v jednom grafu, je vhodné použít tabulkový procesor Excel. Typické spektrální charakteristiky ELD a LD jsou uvedeny na obr. 4, 5 a 6. Na obr. 4 jsou spektrální charakteristiky zelené, žluté, červené a infračervené ELD. Studenti mohou porovnat také typický optický výkon pro stejné pracovní proudy. Na obr. 5 je uvedena spektrální charakteristika laserové diody pro dvě hodnoty pracovního proudu v oblasti stimulované emise a na obr. 6 je typická spektrální charakteristika LD pro pracovní bod pod prahem, kde LD pracuje ve spontánním režimu.

Obr. 4 Spektrální charakteristiky vybraných ELD

Obr. 5 Spektrální charakteristiky laserové diody pro různé pracovní proudy

Obr. 6 Spektrální charakteristiky laserové diody pod prahovým pracovním bodem

6. B. Měření parametrů optických vláken Zadání: 1) Měření výkonu zdrojů optického záření a) Změřte optický výkon zdroje ELS-100 a PROLITE-80 na všech vlnových délkách, které poskytují s využitím spojovacích modulů 50/125 μm, 62,5/125 μm a 9/125 μm. b) Ověřte měřič optického výkonu přepínáním vlnových délek na něž je přístroj cejchován a porovnejte výsledky. 2) Změřte útlum předloženého optického vlákna metodou vložných ztrát na všech vlnových délkách, které máte k dispozici. 3) Ověřte předložené optovláknové komponenty: a) Změřte útlum optických atenuátorů 5, 10, 20 a 30 dB. b) Změřte základní parametry děliče výkonu (dělicího poměru a vložného útlumu) na všech vlnových délkách. Otázky pro přípravu 1. Vysvětlete princip měřicí metody vložných ztrát 2. Vysvětlete princip šíření světla optickým vláknem Popis pracoviště a postup měření Při měření je využívána souprava Mikrokom OPTEL Profi a dále dva páry měřicích přístrojů sestávající ze zdroje záření a měřiče optického výkonu. Pohled na základní kufr s potřebnými OV komponenty je uveden na obr. 1.

Obr.1 Souprava pro měření optických vláken OPTEL Profi

Ad 1) Měření optického výkonu Základní úlohou je změření optického výkonu zdrojů záření ELS-100 (na vlnové délce 850 a 1300nm) a PROLITE 80 ( na vlnové délce 1310 a 1550 nm) viz obr.2 a), b). 1) Propojíme zdroj optického záření a měřič optického výkonu EPM-100 krátkým spojovacím modulem (50/125 μm). – viz obr. 3. 2) Nastavíme postupně λ=850 a 1300 nm na zdroji optického záření ELS-100 i měřiči optického výkonu a odečteme naměřenou hodnotu [μW; dBm]. 3) Odpojíme zdroj ELS-100 a připojte zdroj PROLITE 80. Nastavíme postupně λ=1310 a 1550nm na zdroji i měřiči optického výkonu a odečteme naměřenou hodnotu [μW; dBm]. 4) Potom změříme totéž pro spojovací modul 62,5/125 a 9/125 μm. 5) Přesvědčíme se co měří přístroj na jiné zvolené délce mimo cejchovanou. Nastavujeme postupně všechny hodnoty λ= 850, 1300, 1310, 1490, 1550, 1625 nm na měřiči optického výkonu při zvolené hodnotě vlnové délky zdroje. Vysvětlete nutnost cejchování detektoru.

Tabulka naměřených hodnot Pout [μW] λ [nm] 850 1300 1310 1550

λ [nm] 850 1300 1310 1550

850

850

1300

1310

1490

1550

1625

1300

Pout [dBm] 1310 1490

1550

1625

Ad 2. Měření útlumu metodou vložných ztrát Metoda je založena na porovnání útlumu krátkého referenčního vlákna a měřeného vlákna. Obě vlákna jsou opatřena stejnými konektory a jsou stejného typu. 1) Podle typu měřeného vlákna zvolíme vhodný krátký spojovací modul (50/125 μm). Propojíme jeden spojovací modul se zdrojem záření a měřičem optického výkonu. Změříme výstupní výkon na všech vlnových délkách (850, 1300, 1310 a 1550 nm). 2) Odpojíme spojovací modul od vysílače a připojíme dlouhý měřený modul (1 km). K propojení s měřičem optického výkonu použijeme stejný krátký modul jako u zdroje záření.

3) Změříme hodnoty výstupního výkonu na všech vlnových délkách jako v bodu 1. Z naměřených hodnot v obou případech stanovíme útlum měřeného modulu a činitel útlumu [dB/km]. Tabulka naměřených hodnot Pout [μW] λ [nm] 850 1300 1310 1550

850

1300

1310

1490

1550

1625

Ad 3. Měření optovláknových komponentů 3.1 Optické atenuátory 1) Zapojte jeden konec spojovacího modulu GI50/125 (modul č. 1) do zdroje záření ELS-100. druhý konec připojte přes konektorovou spojku na spojovací modul č. 2, jehož druhý konec připojte na měřič optického výkonu EPM-100. Nastavte měřič optického výkonu na vlnovou délku 1300 nm. Tento optický výkon si poznamenejte jako referenční hodnotu Lref do tabulky. Tabulka naměřených hodnot Jmenovitá hodnota útlumu [dB] 5 10 20 30

Referenční výkon Lref [dBm]

Měřený výkon [dBm]

Vložný útlum [dB]

L5 L10 L20 L30

2) Rozpojte konektor v místě spojení obou spojovacích modulů a připojte měřený optický atenuátor o jmenovité hodnotě vložného útlumu 5 dB. 3) Odečtěte optický výkon L5 na měřiči optického výkonu a poznamenejte ho do tabulky. 4) Vypočítejte vložný útlum optického atenuátoru A5= Lref- L5. 5) Opakujte měření pro každou další jmenovitou hodnotu útlumu atenuátoru, tj. 10, 20 dB a výsledky poznamenejte do tabulky.

3.2 Dělič optického výkonu (vazební člen) Úkolem je změřit základní parametry děliče výkonu, tj. dělicího poměru a vložného útlumu. Přístroje zapojíme podle schéma na obrázku. Měření provedeme na vlnových délkách 1310 a 1550 nm s použitím zdroje záření PROLITE 80 a měřičem výstupního výkonu EPM-100. Vstupní optické záření změříme s použitím spojovacího modulu FC-ST a poté připojíme zdroj k bráně č. 1 (bílé vlákno). Změříme hodnotu výstupního výkonu na bráně č. 2 a 3. Měřič optického záření připojíme postupně pomocí vhodných modulů přizpůsobujících konektory typu FC a ST. Z naměřených hodnot vypočítáme dělicí poměr jako P2/(P2+P3) a vložný útlum jako P1- (P2+P3). Vstupní optické záření změříme s použitím spojovacího modulu FC-ST a poté připojíme zdroj k bráně č. 1 (bílé vlákno).

Změříme hodnotu výstupního výkonu na bráně č. 2 a 3. Měřič optického záření připojíme postupně pomocí vhodných modulů přizpůsobujících konektory typu FC a ST. Z naměřených hodnot vypočítáme dělicí poměr jako P2/(P2+P3) a vložný útlum jako P1- (P2+P3). Skutečné provedení sestavy je patrné z obr. 5.

Obr. 4 Schéma zapojení pracoviště pro měření parametrů optovláknového děliče výkonu Tabulka naměřených hodnot Brána Měřený výkon [μW]

Měřený výkon [dBm]

5 10 20 30

Zpracování výsledků: Tabulky doplňte hodnotami získanými výpočtem.

Dělící poměr

Vložný útlum [dB]

6 C. Měření útlumu optických vláken manipulátorem OPTEL Zadání: Metodou vložných ztrát změřte: 1. Útlum vazby vlákno – vlákno (útlum spojení optických kabelů) a. podélná odchylka vláken b. úhlová odchylka vláken 2. Změny útlumu vlákna vlivem ohybů a. makroohyby b. mikroohyby 3. Vlastnosti optického atenuátoru Použité přístroje:

Otázky pro přípravu 1. Vysvětlete princip měřicí metody vložných ztrát 2. Vysvětlete princip šíření světla optickým vláknem Zapojení měřícího pracoviště Manipulátor OPTEL je jednoduchý manipulační stolek. Umožňuje sestavit z optických a mechanických prvků řadu praktických úloh z vláknové optiky a optoelektroniky. Každé úloze odpovídá určitá optická sestava prvků. Jejich poloha není většinou pevně dána, ale lze ji ve vodorovné rovině na manipulátoru měnit pomocí vhodně navržených posuvů. Těmito posuvy je možné optickou sestavu nastavovat (tzv. justovat), popřípadě po nastavení na ní provádět různá měření. Konektor s optickým kabelem lze umístit do čtyř různých pozic, které odpovídají čtyřem měřicím sondám. Pozice Al a B1 jsou využity k lineárnímu a rotačnímu posuvu měřicích sond. Tímto způsobem je možno sledovat lineární nebo úhlové závislosti, například vliv podélné a úhlové odchylky na útlum spojení dvou optických vláken. Pozice A2 a B2 dovolují příčný posuv měřicích sond, což je využito například při sledováni vlivu příčné odchylky na útlum spojení dvou vláken. Pokud jsou optické kabely v pozicích A2 a B2, lze rovněž do optické dráhy mezi čela vláken vkládat různé optické elementy, jako jsou například útlumové filtry, optické závory, barevné filtry. K nastavení správné polohy takovýchto elementů slouží posuv měřených vzorků. Tímto způsobem jsou demonstrovány principy optického atenuátoru, optické závory a dalších optických vláknových senzorů. Univerzální držáky, které jsou součásti příslušenství, dovolují vkládat různé vzorky dle vlastního uvážení a rozšířit tak soubor úloh o vlastní nápady a experimenty. Metody detekce při měření útlumu: 1. Detekce optického signálu měřičem optického výkonu (stejnosměrná detekce) Pro měření použijeme desku analogového optického vysílače (č. 3) a desku zdroje (č. 0). Pro měření optického výkonu použijeme měřič EPM-100. Přístroj propojíme s manipulátorem (B2) optickým kabelem a podobně vstup A1 manipulátoru s deskou vysílače. Pro měření útlumu nastavte ramena manipulátoru do jedné přímky a tuto polohu zajistěte aretační maticí. Na ramenech posuvů nastavte počáteční polohu 0 mm, odečtěte hodnotu

optického výkonu P0 na měřiči a zaznamenejte ji do tabulky jako počáteční (referenční) hodnotu. Posuvem vzdalujte od sebe optické kabely po krocích uvedených v tabulce a zaznamenejte měřený výkon Px. Zpracování výsledků Vypočítejte útlum podle vztahu:

A  10 log

P0 [dB] PX

2. Detekce optického signálu analogovým přijímačem (stejnosměrná detekce) Metoda je vhodná pro případ, že nemáme k dispozici měřič optického výkonu. Vysílací systém připravíme stejně jako v úloze 1.1. Přijímací systém připravíme tak, že propojíme další zdrojovou desku (č. 0) s deskou analogového přijímače (č. 4). Všechny potenciometry nastavte na maximum. Desky propojte podle obr. 5, místo měřiče optického výkonu zapojte analogový optický přijímač s voltmetrem. Místo výkonu zaznamenáváme hodnoty napětí U0 a Ux.

Obr. 1 Základní deska manipulátoru OPTEL

Postup měření: 1. Útlum vazby vlákno – vlákno (útlum spojení optických kabelů) Tato úloha demonstruje vliv podélné, příčné a úhlové odchylky os optických vláken při spojování optických kabelů na celkový útlum optické trasy. 1A) Sledování efektu oddalování konců Budeme sledovat vliv oddalování konců optických vláken v rozsahu 0 až 30mm. Výsledky budeme zapisovat do tabulky. Závislost optického výkonu a útlumu na vzdálenosti konců vláken zpracujte graficky. Vzdálenost konců kabelů x [mm] 0 0,5 1,0 1,5 2,0 3,0 5,0 10,0 20,0 30,0

Optický výkon Px [μW]

Útlum spojení A [dB]

Tab. 1 Efekt oddalování konců

1B) Sledování efektu úhlové odchylky os vláken Konce kabelů vrátíme do konektorů A1 a B1 na levém a pravém posuvu manipulátoru. Odaretujeme otočný stolek povolením matice. Pravý posuv nastavíme do polohy 0. Levým posuvem vzdálíme konec druhého vlákna na 5 mm. Levé rameno nastavíme do počáteční polohy 0°. Pozorujeme, jak se mění přenášený signál s úhlovou odchylkou, když se mění úhel mezi oběma konci optických kabelů. Optický výkon pro jednotlivé úhly natočení zapište do tabulky. Úhel odchylky α [°] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 50 60 70 80 90

Optický výkon Pα [μW]

Tab. 2 Efekt úhlové odchylky

Útlum A [dB]

Výsledky vyneste také graficky jako závislost Pα a útlumu na úhlové odchylce. 2. Vliv ohybů na útlum vlákna Ohyb vlákna vede k přídavným ztrátám záření a tím i ke zvětšení jeho útlumu. Při ohybu vlákna se mění úhel dopadu paprsků na rozhraní mezi jádrem a pláštěm. V důsledku toho již některé paprsky nesplňují podmínku totálního odrazu a vyšší vidy jsou vyzařovány z jádra vlákna a dále pak z vlákna ven. K simulaci ohybu budeme používat ohybové válečky různého průměru. Pracoviště zapojíme podle sestavy na obr. 8. Použijeme optické vlákno bez ochrany, volně uložené a změříme na výstupu počáteční (referenční) hodnotu výkonu Po [μW]. Hodnotu si poznamenáme pro další výpočet.

2A) Sledování efektu makroohybů vlákna Vlákno odpojíme od měřiče výkonu, navineme 5 závitů na ohybový váleček o průměru 5 cm a vlákno zajistíme. Konec vlákna připojíme k měřiči výkonu a zaznamenáme hodnotu Px. Postup opakujeme pro válečky o průměru 4cm, 3cm, 2cm, 1.5cm, 1cm a údaje zapíšeme do tabulky. Průměr válečku D [cm] 0 (reference) 5 4 3 2 1,5 1


Přídavný útlum A [dB]

Tab. 3 Efekt makroohybů Výsledky zakreslíme do grafů závislosti Px a A na D. 2B) Vliv mikroohybů na útlum vlákna Mikroohyby znamenají periodicky se opakující změnu zakřivení osy optického vlákna s malou amplitudou ohybu. Vznikají při kabelování optického vlákna a mohou značně zvýšit jeho útlum. Naopak princip mikroohybů se s úspěchem používá v některých amplitudových vláknových senzorech, kde měřená veličina (síla, tlak) působí na podložku, která vyvolává mikroohyby ve vlákně. Útlum způsobený mikroohybovými ztrátami je měřen některou z metod měření útlumu a z výsledku je vyhodnocována velikost snímané veličiny. Měřené vlákno upneme mezi mikroohybové podložky č. 1. Při nulovém tlaku na podložku odečteme referenční hodnotu optického výkonu P0 a zaznamenáme ji do tabulky. Postupně zvyšujeme tlak na vlákno a sledujeme změny na měřiči výkonu

3. Optický atenuátor Atenuátor v této úloze pracuje na principu neutrálního útlumového filtru, vloženého do cesty optickému svazku mezi dvěma optickými vlákny. Neutrální filtr má konstantní útlum v široké oblasti vlnových délek. Barevně se lidskému oku jeví jako šedý, proto se též používá označení šedý filtr. Sestava pracoviště pro měření útlumu šedých filtrů je na obr. 14. Příčný posuv nastavíme na nulu (to odpovídá vzdálenosti konců vlákna 2 mm) a pravý posuv do výchozí polohy na maximální hodnotu výkonu. Tuto hodnotu si zaznamenáme jako Pmax. Otáčením šroubu na pravé straně manipulátoru přesuneme posuv měřených vzorků do pravé krajní polohy a upevníme do něho sadu neutrálních filtrů tak, aby její potisk byl orientován směrem k sondě 2B. Otáčením posuvu měřených vzorků nastavíme sadu neutrálních

filtrů tak, aby pozice č. 1 byla mezi kabely. Hodnota optického výkonu musí být stejná jako v předchozím kroku. Odečtěte hodnotu optického výkonu a zaznamenejte ji do tabulky jako referenční údaj. Nyní posouváme sadou filtrů vlevo na další pozice a každou hodnotu zaznamenáme do tabulky. V každé pozici se snažíme nastavit maximální hodnotu výkonu. P0=_____[μW] Číslo pozice 1 2 3 4 5 6 7


Útlum A [dB]

Tab. 4 měření optického atenuátoru Útlum vypočítáme podle vztahu:

A  10 log

P0 [dB] PX

kde P0 je referenční optický výkon, kde dráha optického svazku je bez filtru (pozice č. 1) Px je optický výkon s filtrem.

Zpracování výsledků: Tabulky doplňte hodnotami získanými výpočtem a (kde je to možné) vyneste do grafu.

SOUČÁSTKY ELEKTROTECHNIKY

Recommend Documents