1. mérés
Egyszerű áramkör megépítése és bemérése
Bevezetés A szokásos mérnöki megközelítések az áramkörtervezésben azon alapulnak, hogy az elméleti ismeretek alapján elsőként az áramkör egy modelljét építik fel, és azt méretezik, ennek eredménye a kapcsolási rajz. Minden modell tartalmaz azonban egyszerűsítéseket, azaz bizonyos tényezőket a modellalkotás során figyelmen kívül hagyunk. Ezért a mérnöki munka következő lépése az, hogy a tervezés helyességét és a modell teljességét egy mintakísérlettel ellenőrizzük, amelyhez prototípust kell felépíteni. A mérés során, a hallgatók az adott áramkör számításától kezdve a megépítésen keresztül a bemérésig elvégzik a mérnöki munka minden fázisát, és a mérés folyamán nyert adatokból, a tanulság levonása után, jegyzőkönyvet készítenek. A jegyzőkönyv elkészítéséhez felhasználható a mérőhelyen a mérésvezető által a hallgatók rendelkezésére bocsátott kitöltetlen jegyzőkönyvváz. Az alkatrészek és a mérés során használt eszközök megismeréséhez segítséget nyújt a Laboratórium II. c. tárgy webes adatlapja alatt található Segédlet01 c. melléklet, mely adatlapokat és fényképeket tartalmaz az alkatrészekről ill. az elkészítendő áramkörökről.
A mérés célja A mérés kiemelt célja hogy a hallgatókat gyakorlati tapasztalatokhoz jutassa az áramkör építés és bemérés területén, a mérés céljai az alábbi pontokban foglalhatóak össze: •
a villamosmérnök számára nélkülözhetetlen a gyakorlati tapasztalatok bővítése, az elektronikai alkatrészekre és áramkörökre vonatkozó alapismeretek gyakorlati vonatkozásainak megismerése,
•
fontos a mérések megtervezése, valamint a kivitelezés során felmerülő gyakorlati korlátok megismerése, az elméleti számítások és a realizált áramkörökön mért jellemzők ütköztetése,
•
egyszerű áramkörök gyors összerakása, kipróbálása (az ún. élesztés), és az ehhez szükséges eszközök (mérőfej, mérőtű, mérőcsipeszek) alkalmazása,
•
kéziszerszámokkal való munka megismerése, gyakorlása, és további tapasztalatok szerzése a műszerkezelés területén.
A mérés elméleti alapjai [1]
Dr. Hainzmann János – Dr. Varga Sándor – Dr. Zoltai József: Elektronikus áramkörök, Műegyetemi Kiadó, 44570, Bp., 1992 3.2 A neminvertáló alapkapcsolás, 96-102. o. 3.3 Az invertáló alapkapcsolás, 103-110. o.
9
Labor II. Hallgatói segédlet
5.2 Integrátor kapcsolások, 139-148. o. 20.4 Komparátor áramkörök, 386-389. o. [2]
BME VIK: Hallgatói segédlet a Laboratórium I. c. tárgy méréseihez, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2003. Átviteli karakterisztika mérése szinuszos gerjesztéssel, 27-29. o. Fázisszög mérés, 36-37. o.
Feladatok a felkészüléshez 0. A mérést megelőző otthoni felkészülésként végezze el az alábbiakat önállóan. Az írásbeli feladatokat (kézzel írottan) be kell mutatni a mérésvezetőnek. Elfogadásuk előfeltétele a mérés megkezdésének. A szóbeli felkészülést a mérésvezető szúrópróbaszerűen ellenőrizheti. 1. Olvassa át alaposan A mérés elméleti alapjai c. szakaszban foglaltakat! 2. A Laboratórium II. c. tárgy webes adatlapja alatt töltse le és válaszolja meg írásban az Ön számára kijelölt feladatokat! 3. Készüljön fel az invertáló, neminvertáló, integrátor, komparátor áramkörökből! (Használja a Laboratórium II. c. tárgy webes adatlapja alatt található Segédlet01 c. mellékletet! A segédlet tartalmazza a felhasználandó alkatrészek alakját, méretét, elektromos paramétereit, IC lábak funkcióit.) 4. Olvassa el és gondolja végig a Mérési feladatokat! 5. A breadboard panel ismeretében tervezze meg az áramkör beültetési rajzát. (A breadboard fényképét lásd a Segédlet01 c. segédletben bread.jpg néven.) A rajz tartalmazza a csatlakozási pontokat (tápfeszültség bemenetek, föld, jelbemenetek, kimenetek, és az esetleges mérőpontok)! 6. Válaszolja meg a (mérési leírás végén található) Ellenőrző kérdéseket!
Alkalmazandó műszerek Oszcilloszkóp
Agilent 54622A
Tápegység
Agilent E3630
Függvénygenerátor
Agilent 33220A
Digitális multiméter (6½ digit)
Agilent 33401A
Digitális multiméter (3½ digit)
Metex ME-22T
PC
NEC TM600
Felhasznált eszközök A mérés során az alábbi eszközök kerülnek felhasználásra:
10
•
breadboard (2 db),
•
kézi szerszámok: csipesz, fogó, krokodilcsipesz, mérőtű, csupaszító, nagyító, stb.,
•
aktív elemek (IC), passzív elemek (ellenállások, kondenzátorok, diódák),
•
mérővezetékek, mérőfejek, bekötő huzalok.
1.mérés
Egyszerű áramkör megépítése és bemérése
Lásd még a mérés során a méréshez tartozó meres01\Kepek alkönyvtár tartalmát, ill. a Laboratórium II. c. tárgy webes adatlapja alatt található Segédlet01 c. segédletet.
A mérés menete A mérést a hallgatók párban végzik. Az építési szakaszokban külön feladatokat kapnak, így ilyenkor az útmutató „A” és „B” hallgatóként hivatkozik a két hallgatóra. Ennek célja, hogy mindkét résztvevő gyakorolja az építést. A mérés során az építési és bemérési szakaszok váltogatják egymást. A bemérést a hallgatók mindig közösen végzik.
Támpontok az építéshez A beültetési rajz készítésekor az alábbiakra kell ügyelni: •
az IC bemenete és kimenete közel legyen az elmenő csatlakozóhoz,
•
az IC felett sem alkatrész, sem átkötés nem lehet (IC csere),
•
az áramkör építésekor 0,8 mm-nél nagyobb átmérőjű vezetéket, ill. ennél nagyobb kivezetésű alkatrészt ne használjon (a szerelő panel tönkre mehet),
•
fokozott gondot kell fordítani az IC-k tápfeszültség védelmére, (fordított polaritás bekötése esetén az IC tönkre mehet)!
Mérési feladatok0. 1. Neminvertáló és invertáló erősítő alapkapcsolások A méréshez szükséges alkatrészeket a mérésvezetőtől kapják meg. 1.1. Az „A” hallgató breadboard-on állítson össze egy neminvertáló műveleti erősítős alapkapcsolást (elvi vázlat az 1-1. ábrán)! A felhasznált műveleti erősítő: TL082, tápfeszültség: ±15 V. (A megépített áramkör fényképe megtalálható a Segédlet01 c. segédletben, ninv.jpg néven.)
5 R3
+
+
R1
C sz
7
TL082
6 _
Ube
8
4
_
C sz
A un =
R1+R2 R1
U ki
R2
1-1. ábra. Neminvertáló erősítő alapkapcsolás
1.2. A „B” hallgató breadboard-on állítson össze egy invertáló műveleti erősítős alapkapcsolást! A felhasznált műveleti erősítő: TL082, tápfeszültség: ±15V. Az erősítő bemenete AC csatolású legyen! A kapcsolás elvi vázlata a 1-2. ábrán
11
Labor II. Hallgatói segédlet
látható. (A megépített áramkör fényképe megtalálható a Segédlet01 c. segédletben inv.jpg néven.)
6 _ 8 C1
R4
5
Ube R6
+ R5
C sz
7
TL082
+
4
_
C sz
A un = U
R5 R4
ki
1-2. ábra. Invertáló erősítő alapkapcsolás, bemenetén AC csatolással
2. Neminvertáló alapkapcsolás mérési feladatai Ellenőrizze a tápfeszültség helyes értékét a tápegységen (±15V)! Bekapcsolás előtt a mérésvezetővel ellenőriztesse az áramkört! 2.1. Mérje meg az erősítő ofszet feszültségét (zárja rövidre a bemenetet): mekkora kimenő-feszültség mérhető zérus bemenő feszültség esetén? A mért kimeneti ofszet értéket számítsa át a bemenetre és a kapott eredményt értékelje! Mi okozza az ofszet feszültséget, reális-e a kapott eredmény a műveleti erősítő adatlapjával összevetve? Milyen hibát okozhat a műveleti erősítő bemeneti munkaponti árama (bias current), hogyan célszerű megválasztani az R3 ellenállás értékét? 2.2. Mérje meg az erősítő kivezérelhetőségét! A kimeneti jelet figyelje oszcilloszkópon! Növelje a bemeneti feszültséget addig, amíg a kimenő jel torzítani nem kezd, majd csökkentse a bemeneti jelet, amíg a torzítás meg nem szűnik. Mérje meg a bemenő és kimenő feszültségeket (Urms és Up-p értékét)! 2.3. Mérje meg az erősítő feszültségerősítését!
3. Invertáló erősítő alapkapcsolás mérés feladatai 3.1. Mérje meg az erősítő feszültségerősítését: 1 kHz-n! 3.2. Vizsgálja meg az erősítő impulzusjel átvitelét! Mérje meg a kimenőjel eltérését az ideálistól (fel- és lefutási idő, túllövés, tetőesés)! 3.3. Van-e eltérés a kisjelű és a nagyjelű viselkedés között? 3.4. Számítsa ki a műveleti erősítő slew-rate-jét!
4. Hullámforma generátor mérése 4.1. Az „A” hallgató a breadboard-on állítsa össze az 1-3. ábrán látható kapcsolás „A” részét, a „B” hallgató a „B” részét! (A megépített áramkör fényképe megtalálható a Segédlet01 c. segédletben, int.jpg és komp.jpg néven.) A kapcsolást a mérésvezető által megadott paraméterekkel (elemértékek vagy működési jellemzők) valósítsák meg!
12
1.mérés
Egyszerű áramkör megépítése és bemérése
+ 2 _ 8 R7
3
C2 C sz
1
TL082
+
4
_
A
B
+ 3
R8
+
TL082 2 _ 4
C sz
_
R10
Integrátor
Ki1
R9 C sz
8
1 C sz
Komparátor
Ki2
1-3. ábra. Hullámforma generátor
4.2. Az „A” és „B” részek megfelelő összekötésével alakítsák ki a hullámforma generátort! Kapcsolják a komparátor kimenetét az integrátor bemenetére és az integrátor kimenetét komparátor bemenetére! (A megépített áramkör fényképe megtalálható a Segédlet01 c. segédletben, hugen.jpg néven.) Ellenőrizze a tápfeszültség helyes értékét a tápegységen (±15 V)! Bekapcsolás előtt a mérésvezetővel ellenőriztesse az áramkört!
A kapcsolás Ki1 kimenetén háromszögjel, a Ki2 kimenetén négyszögjel jelenik meg ha a tervezés és az építés hibátlan volt. A négyszögjel amplitúdóját a műveleti erősítő „kiülési feszültségei” határozzák meg, a háromszög jelét pedig a hiszterézises komparátor rész komparálási szintjei. 4.3. Emelje be a jegyzőkönyvbe a kapcsolás jellemző jelalakjait: Uki1, Uki2 és f!
5. Kiegészítő mérési feladatok 5.1. Breadboard-on állítsák össze a 1-4. ábrán látható LED-es feszültségmérőt! A felhasznált műveleti erősítő: TL082, tápfeszültség: ±15 V. (A megépített áramkör fényképe megtalálható a Segédlet01 c. segédletben, led.jpg néven.) A LED-ek kigyulladási küszöbfeszültsége az Ube2 bemenetről legyen állítható: 2, 4, 6, 8 V. Válasszon ehhez megfelelő R11, R12, R13, R14 ellenállás értékeket! 5.2. Ellenőrizze a tápfeszültség helyes értékét a tápegységen (±15 V). Bekapcsolás előtt a mérésvezetővel ellenőriztesse az áramkört! 5.3. Ellenőrizze a LED-ek kigyulladási feszültségeit az Ube2 bemenetről! 5.4. Mekkora áram folyik a világító LED-eken? 5.5. Mekkora a világító LED-eken eső feszültség? 5.6. Mérje meg a C3 -R6 RC-kör időállandóját! 5.7. Mérje meg a váltakozó feszültséghez tartozó LED küszöbfeszültségeket Ube1 bemenetről! Használjon 10MHz mérőjelet!
kigyulladási frekvenciájú
5.8. Mit tapasztalunk és miért, ha a kigyulladási küszöbfeszültségeket egyre kisebb frekvenciájú bemenő jellel mérjük?
13
Labor II. Hallgatói segédlet
R11 +15v 10k
D1 Ube1 C3 100n
+
3 R12 R6 U be2 20k 22k R13 20k
C sz IC1
2 _ 8
1
TL082
+ 4 _
1k
+
C sz
1k
R14 20k
R15 10k
1
R18
D4
1k 4 _ C sz
+
6 _ 8 5
C sz IC2
TL082
+
D3
Csz
2 _ 8+ 3
R17
7
TL082
+ 4 _
D2
C sz
6 _ 8 5
R16
C sz
7
TL082
+ 4 _
R19
D5
1k C sz
1-4. ábra. LED-es feszültségjelző
Ellenőrző kérdések 1. Mi az ofszet feszültség? 2. Mi a különbség a kimeneti és a bemeneti ofszet feszültség között? 3. Milyen módszerekkel lehet megmérni egy erősítő kivezérelhetőségét? 4. Hogyan méri meg egy erősítő erősítési tényezőjét (Ao)? 5. Milyen fázisszög mérési módszereket ismer? 6. Milyen műszereket használ a Bode-diagram mérésekor? 7. Hogyan méri meg egy erősítő bemeneti ellenállását (Rbe)? 8. Hogyan méri meg karakterisztikáját?
egy
hiszterézises
komparátor
váltakozóáramú
transzfer
9. A bemenő jelnek mekkora amplitúdójú és milyen hullámformájú jelet célszerű választani? 10. Milyen paraméterei vannak egy ideális műveleti erősítőnek? 11. Mekkora feszültség mérhető egy ideális műveleti erősítő ”+” és ”-” bemenete között, ha az erősítő nincs túlvezérelve?
14
