Jméno: STŘEDNÍ ŠKOLA ELEKTROTECHNICKÁ FRENŠTÁT p. R.
Podpis:
JAN JUREK
Název měření:
MĚŘENÍ NA IMPULSNÍCH OBVODECH
Třída: E4B
Skupina: 2
Číslo měření: 11 Zkoušené předměty:
AKO v tranzistorovém zapojení AKO s časovačem NE 555 Funkce při měření: zapisovatel
Změřeno dne: 30.1.2008 Vyučující: So
Spoluměřící: Knapek, Konupka
Schémata:
Poznámky učitele:
Známka:
Datum:
ÚKOL MĚŘENÍ: 1. Seznamte se s činností časovače NE 555 ve funkci AKO, odvoďte vzorce pro výpočet generovaného kmitočtu a šířky impulsu. 2. Seznamte se s činností AKO v tranzistorovém zapojení. 3. Ověřte funkce AKO osciloskopem a zjistěte závislost kmitočtu na napájecím napětí. Vyneste graficky δf = f(UCC). 4. Změřte strmost nástupné a sestupné hrany osciloskopem v rozmezí 10% - 90% signálu. Dále změřte šířku impulsu. Kopie obrazovky s příslušnými průběhy vytiskněte. Porovnejte vlastnosti a kvalitu provedení AKO. 5. Při jmenovitém napětí změřte kmitočet AKO s NE 555 pomocí osciloskopu a čítače a stanovte chybu měření kmitočtu osciloskopem. Podobně stanovte chybu frekvence z hodnot R,C. Hodnoty rezistorů změřte. Jako správný údaj berte hodnoty čítače. POUŽITÉ PŘÍSTROJE: Označení Název a typ přístroje STATRON TYP 2229.2 ZDROJ STATRON TYP 2250 V-metr OSCILO. Čítač
v.č. 0701015
Doplňující údaje
0309001
Digitální multimetr METEX 4640A
BF91010159
± (0,05 % of rdg + 3d)
Digitální multimetr METEX 4640A
AC300231
± (0,05 % of rdg + 3d)
Osciloskop DSO3062A
CN4727605
Osciloskop Tektronix T DS 210
B046069
Digitální čítač Goldstar
401355
Digitální čítač Goldstar
401357
POSTUP MĚŘENÍ: AKO v tranzistorovém zapojení připojíme do obvodu podle schématu. Na zdroji nastavíme 15V (tuto hodnotu bychom neměli překračovat abychom AKO nepoškodili. Od této hodnoty snižujeme napětí po 1V až do hodnoty kdy ještě AKO pracuje a při každé hodnotě napětí odečítáme frekvenci signálu. Následně nastavíme zdroj zpět na hodnotu 5V a pomocí osciloskopu zobrazíme náběžnou a sestupnou hranu signálu vycházejícího z AKO a také šířku impulsu signálu. Všechny tři zobrazení jsme vytiskli a přiložili k protokolu. Z naměřených hodnot pak následně vypočeteme pro každou naměřenou hodnotu frekvence procentní rozdíl (chybu) oproti normálové frekvenci při napětí 5V a sestrojíme z nich graf. AKO s časovačem NE 555 měříme obdobně. Opět odečítáme hodnoty frekvence při měřených napětích. Zobrazíme a vytiskneme nástupnou a sestupnou hranu a šířku impulsu při 5V. Vypočteme rozdíly frekvencí oproti normálové a sestrojíme graf. Navíc však změříme frekvenci při 5V na oscilátoru a vypočteme chybu měření osciloskopu kdy jako normálovou bereme hodnotu na čítači při 5V. Dále změříme aktuální hodnotu nastavenou na rezistoru R1 (mezi 470Ω – 10 kΩ). Ze vzorce pro frekvenci pak vypočítáme teoretickou hodnotu frekvence a následně stanovíme chybu obvodu přičemž jako normálovou bereme hodnotu naměřenou na čítači při 5V.
TABULKY NAMĚŘENÝCH A VYPOČTENÝCH HODNOT: AKO s časovačem NE 555
AKO v tranzistorovém zapojení UCC [V]
F [Hz]
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
958,8 908,7 858,3 807,1 756,3 704,4 686,8 684,4 681,4 677,5 672,1 664,2 651,3 626,6 560,9
δf[%] 42,66 35,20 27,70 20,09 12,53 4,81 2,19 1,83 1,38 0,80 0,00 -1,18 -3,09 -6,77 -16,55
UCC [V]
F [Hz]
δf[%]
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3
731,7 731,5 731,3 731,2 730,9 730,6 730,2 729,8 728,9 727,9 726,4 723,6 717,9
0,73 0,70 0,67 0,66 0,62 0,58 0,52 0,47 0,34 0,21 0,00 -0,39 -1,17
Ad. AKO s časovačem NE 555: frekvence odečtená z osciloskopu f = 726 Hz
PŘÍKLAD VÝPOČTU: Odvození (pro AKO s NE 555): - doby nabíjení kondenzátoru:
- doby vybíjení kondenzátoru:
- periody signálu:
Obecně:
Obecně:
T = t1 + t 2 = ln 2(τ 1 + τ 2 )
[
]
uc (t ) = u( ∞ ) ⋅ u( ot ) − u( ∞ ) ⋅ e t
U − u c (t ) = U + − U ⋅ e τ 1 3 t
− 2 u c (t ) = U − U ⋅ e τ 1 3 t 2 −τ 1 u c (t ) = U 1 − ⋅ e 3
konkrétně: t1 2 2 −τ1 U = U 1− ⋅e 3 3 t1
− 1 = e τ1 2 t 1 ln = − 1 2 τ1 1 t1 = −τ 1 ln = τ 1 ln 2 2
−
[
t
τ
]
u c (t ) = u ( ∞ ) ⋅ u ( ot ) − u ( ∞ ) ⋅ e t
2 − u c (t ) = 0 + U − 0 ⋅ e τ 2 3 t
− 2 u c (t ) = U ⋅ e τ 2 3
konkrétně: t2
− U 2 = U ⋅ e τ2 3 3 t2
− 1 = e τ2 2 1 t ln = − 2 2 τ2
t 2 = −τ 2 ln
1 = τ 2 ln 2 2
−
t
τ
T = ln 2[( R1 + R2 ) ⋅ C + R2 ⋅ C ] T = ln 2 ⋅ C ⋅ ( R1 + 2 R2 ) T = 0,693 ⋅ ( R1 + 2 R2 ) ⋅ C - frekvence AKO:
f =
1 T
f =
1 0,693 ⋅ ( R1 + 2 R2 ) ⋅ C
1 0,693 ⋅ (8751 + 2 ⋅ 1000 ) ⋅ 180 ⋅ 10 −9 f = 745,7 Hz f =
Odchylka frekvence: - AKO v tranzistorovém zapojení 908,7 − 672,1 f − fN δf = ⋅ 100 = ⋅ 100 = 35, 20 % 672,1 fN - AKO s časovačem NE 555 731,3 − 726,4 f − fN δf = ⋅ 100 = ⋅ 100 = 0,67 % fN 726,4
Chyba měření osciloskopem (u AKO s časovačem NE 555; Normálová frekvence odečtená z čítače fN = 726,4 Hz)
δf osc =
f − fN 726 − 726,4 ⋅ 100 = ⋅ 100 = 0,055 % fN 726,4
Chyba obvodu (u AKO s časovačem NE 555; Normálová frekvence odečtená z čítače fN = 726,4 Hz) f − fN 745,7 − 726,4 δf o = ⋅ 100 = ⋅ 100 = 2,66 % fN 726,4 ZHODNOCENÍ: Z naměřených hodnot a grafů vyplývá že u AKO v tranzistorovém zapojení je doba změny (náběhu) do logické “1” mnohem delší (700 µs) než u AKO s obvodem NE 555 (1 µs). Hodnoty u sestupných hran se v podstatě podobají (AKO s tranzistory – 180ns; AKO s NE 555 – 223,37ns). Oba obvody se také chovají jinak v závislosti na přiloženém napětí zatím co u AKO v tranzistorovém zapojení je chyba frekvence naměřená při 15 V 42,66 % oproti normálové, u AKO s NE 555 je to pouze 0,73 %. U AKO s trazistory se také chyba při různých napětím razantně mění zatímco U AKO s NE 555 se drží téměř vždy pod 1%. AKO s NE 555 však již není schopen pracovat při napětích nížších než 3 V, oproti tomu AKO s tranzistory pracuje až do 1V napájecího napětí. Chyba frekvence změření na oscilátoru byla oproti frekvenci na čítači je 0,055%. Chyba teoretické frekvence obvodu (u AKO s NE 555) vypočtená z hodnot součástek je oproti změřené frekvenci na čítači 2,66%. Z uvedených hodnot a průběhů můžeme za lepší považovat AKO s časovačem NE 555, protože je schopen generovat přesnější kmity (díky rychlé náběžné hraně) a změna napájecího napětí způsobuje jen nepatrnou odchylku frekvence. Jako výhodu AKO v tranzistorovém zapojení oproti AKO s NE 555 bychom mohli uvést možnost pracovat i při napětích nižších než 3V.
δf [%]
ZÁVISLOST ODCHYLKY KMITOČTU NA NAPÁJECÍM NAPĚTÍ U AKO S ČASOVAČEM NE 555 1
δf = f(UCC) 0,5
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16 Ucc [V]
-0,5
-1
-1,5
δf [%]
ZÁVISLOST ODCHYLKY KMITOČTU NA NAPÁJECÍM NAPĚTÍ U AKO V TRANZISTOROVÉM ZAPOJENÍ 50
δf = f(UCC)
40 30 20 10 0 0 -10 -20
2
4
6
8
10
12
14
16 Ucc [V]
NÁSTUPNÁ HRANA SIGNÁLU V OBVODU NE 555
SESTUPNÁ HRANA SIGNÁLU V OBVODU NE 555
ŠÍŘKA IMPULSU V OBVODU NE 555
