Seznámení s přístroji, používanými při měření. Nezatížený a zatížený odporový dělič napětí, měření a simulace PSpice

Cvičení 2

Seznámení s přístroji, používanými při měření Nezatížený a zatížený odporový dělič napětí, měření a simulace PSpice Reaktance kapacitoru Integrační článek RC - přenos - měření a simulace Derivační článek RC - přenos - měření a simulace

Elektronické prvky

A2B34ELP

Přístroje používané v A2B34ELP Zdroj stejnosměrného napětí Oba přepínače vypnuté (= nezávislé zdroje U1 a U2)

U2

U1

U3 – pevné napětí 5V NEPOUŽÍVAT nelze nastavit proudové omezení

VYPÍNAČ

U2

KOSTRA PŘÍSTROJE NEPOUŽÍVAT

U1 cv.2/str.2

Přístroje používané v A2B34ELP Multimetry – voltmetr, ohmmetr

V, Ω

V, Ω

cv.2/str.3

Přístroje používané v A2B34ELP Multimetry – ampérmetr

A

A

cv.2/str.4

Přístroje používané v A2B34ELP Osciloskop

cv.2/str.5

Přístroje používané v A2B34ELP Automatická synchronizace a nastavení měřítka RUN živé zobrazení Volba položek v menu na obrazovce STOP paměť Volba zobrazení/menu kanálu 1/2

Digitální Osciloskop

Kanál CH1 Úroveň synchronizace

Synchronizační úroveň

Posun vertikálně / horizontálně Měřítko vertikálně / horizontálně

Měřítko a typ Měřítko Signálový kanál CH1 vazby (DC) časové osy Signálový kanál CH2 kanálu CH1 Zpoždění od času T

Zdroj pro externí synchronizaci cv.2/str.6

Přístroje používané v A2B34ELP Digitální Osciloskop

cv.2/str.7

Přístroje používané v A2B34ELP Digitální Osciloskop

cv.2/str.8

Přístroje používané v A2B34ELP Generátor

SÍŤOVÝ VYPÍNAČ

VYPÍNAČ VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ

VÝSTUP

U SPOLEČNÝ VODIČ cv.2/str.9

Přístroje používané v A2B34ELP !!!Společné vodiče obou kanálů osciloskopu a generátoru jsou spojené přes kolík v zásuvce!!!

cv.2/str.10

Odporový dělič napětí a) Nezatížený odporový dělič napětí

U2 R2 1 P   U1 R1  R2 1  R1 R2 b) Zatížený odporový dělič napětí

R2 RZ U2 1 P   U1 R1  R2 RZ 1  R1  R1 R2 RZ

cv.2/str.11

Nezatížený odporový dělič napětí – příklad Navrhněte hodnoty odporů děliče, zatíženého proudem Ib=50μA. UCC=15V, U2=3V. Zvolíme I1>>Ib , např.: I1=1mA (= nezatížený dělič)

U CC 15 R1  R2    15 (k), 3 I1 110 U2 3 R2    3 (k), 3 I1 110 R1  15 10  R2  12 (k) 3

cv.2/str.12

Zatížený odporový dělič napětí – příklad Navrhněte zdroj napětí 3,3 V s vnitřním odporem 1k. K dispozici máte ideální zdroj napětí U1 = 5V. Řešení: Zdroj napětí se doplní odporovým děličem, aplikace Théveninova teorému U0 = 3,3 V, Ri = 1 kΩ, U1 = 5V, R1 = ?, R2 = ?

U0 

R2  U1 R1  R2

R2 3,3  5 R1  R2

Ri 

R1  R2 R1  R2

R1  R2 1000  R1  R2

R1 = 1515 Ω R2 = 2942 Ω

Zvolíme R1 = 1,5 kΩ a R2 = 3,0 kΩ (zvoleno podle řady hodnot součástek s 5% tolerancí) cv.2/str.13

Kapacitor dQ I dt

Q  C U 

dU I C dt

I

C

U

Reaktance kapacitoru ve střídavém obvodu (harmonický ustálený stav – např. sinus) U 1 1 XC    I   C 2f  C Kapacitor ≈ frekvenčně závislý „odpor“ S rostoucí frekvencí f hyperbolicky klesá jeho reaktance XC Využití jako frekvenčně závislý dělič napětí dU U  U 0  sint  I  C   C   U 0  cos t dt

V ideálním případě předbíhá proud napětí o 90o = fázový posuv cv.2/str.14

Kapacitor – příklad Navrhněte hodnoty kapacity C tak, aby se obvod pro kmitočet f = 1kHz choval jako frekvenčně nezávislý a přenos U2/U1 → 1. Hodnoty odporů: a) R = 1kΩ, b) R = 1MΩ. Podmínka přenosu U2/U1 → 1 bude splněn za předpokladu, že XC << R tedy například a) XC = 10Ω, b) XC = 10kΩ. a) C 

1 1   16 μF 2f  X C 2  3,14 1000 10

1 1 b) C    16 nF 2f  X C 2  3,14 1000 10000

Zvolíme například 22 μF.

Zvolíme napříkad 22 nF.

Uvedené výpočty využijeme při návrhu vazebních kapacitorů zesilovačů s bipolárními tranzistory a tranzistory MOSFET a JFET.

cv.2/str.15

Měřící přípravek pro R-R dělič a RLC články

cv.2/str.16

UCC U1

R1 V

R2

Odporový dělič napětí Zapojení nezatíženého děliče

U2 V

RZ

Připojení zátěže

Doporučené hodnoty: UCC=1V, R1=R2=10k, RZ= ∞ .. 50R Naměřené hodnoty U1 a U2 v závislosti na RZ zaznamenejte do tabulky Excel.

UCC

U1

U2

cv.2/str.17

Integrační článek RC Doporučené hodnoty: R=1k, C=100n U1=1Všš / 10Hz, 100Hz, 1kHz, 10kHz, 100kHz, 1MHz Naměřené hodnoty U1 a U2 v závislosti na kmitočtu zaznamenejte do tabulky Excel.

U1 U2

cv.2/str.18

Derivační článek RC Doporučené hodnoty: R=1k, C=100n U1=1Všš / 10Hz, 100Hz, 1kHz, 10kHz, 100kHz, 1MHz Naměřené hodnoty U1 a U2 v závislosti na kmitočtu zaznamenejte do tabulky Excel.

U1 U2

cv.2/str.19

PSpice Odporový dělič napětí 1) Spustit Capture/Design Entry CIS 2) File – Open Project …\02_RR\R_delic.opj K dispozici jsou tři simulační profily: 1. Pracovní bod 2. Stejnosměrná analýza – závislost na V1 3. Stejnosměrná analýza – zatěžovací charakteristika Nastavte hodnoty napájení a odporů dle zapojení přípravku.

Proveďte simulace odpovídající předchozímu měření. Výsledky měření a simulací zpracujte v Excelu.

cv.2/str.20

OrCAD Capture & PSpice Probe – výsledky simulací Export průběhu do textového souboru do Excelu – varianta „Ctrl+C/Ctrl+V“

1) Zvolíme název průběhu a stiskneme „Ctrl+C“

2) V Excelu zvolíme pozici první buňky a stiskneme „Ctrl+V“

cv.2/str.21

OrCAD Capture & PSpice Integrační článek RC – přenos 1) Spustit Capture/Design Entry CIS 2) File – Open Project …\02_RC\RC.opj

Nastavte hodnoty R a C dle zapojení přípravku. Proveďte simulace modulové a fázové charakteristiky RC-prenos_INTEGR (AC analýza). Výsledky měření a simulací zpracujte v Excelu.

cv.2/str.22

OrCAD Capture & PSpice Derivační článek RC - přenos 1) Spustit Capture/Design Entry CIS 2) File – Open Project …\02_RC\RC.opj

Nastavte hodnoty R a C dle zapojení přípravku. Proveďte simulace modulové a fázové charakteristiky RC-prenos_DERIV (AC analýza). Výsledky měření a simulací zpracujte v Excelu.

cv.2/str.23

Dodatek pro pokročilé Integrační článek RC - průběhy 1) Spustit Capture/Design Entry CIS

SIN1 V1 VOFF = 0 VAMPL = 1 FREQ = 1k AC = 1 DC = 0

Proveďte simulaci v časové oblasti (Time domain) – simulační profil RC-prubehy. Porovnejte průběhy VSIN1,PULSE1 a VRC1,3pro přenos harmonického a lichoběžníkového napětí. Samostatně nastavte zobrazení průběhů do více grafů dle obrázku. cv.2/str.24

1

R1

2

RC1

10k

1

V

2

2

0

2) File – Open Project …\02_RC\RC.opj

Nastavte hodnoty R a C dle zapojení přípravku.

1

V1 = 0 V2 = 1 TD = 1u TR = 10n TF = 10n PW = 500u PER = 1m AC = 1 DC = 0

PULSE1 1 V3

2

0

V

C1 10n

0 1

R3 10k

V

2

RC3 1

2

0

V

C3 10n

Dodatek pro pokročilé Derivační článek RC - průběhy 1) Spustit Capture/Design Entry CIS

C2 SIN2 V2 VOFF = 0 VAMPL = 1 FREQ = 1k AC = 1 DC = 0

Proveďte simulaci v časové oblasti (Time domain) – simulační profil RC-prubehy. Porovnejte průběhy VSIN2,PULSE2 a VRC2,4pro přenos harmonického a lichoběžníkového napětí. Samostatně nastavte zobrazení průběhů do více grafů dle obrázku. cv.2/str.25

2

RC2

1

1 V

V

10n

R2 10k

2

2

0

2) File – Open Project …\02_RC\RC.opj

Nastavte hodnoty R a C dle zapojení přípravku.

1

0 C4

V1 = 0 V2 = 1 TD = 1u TR = 10n TF = 10n PW = 500u PER = 1m AC = 1 DC = 0

PULSE2 1 V4

2

0

1

2

RC4 1

V

V

10n

R4 10k 2

0

Dodatek pro pokročilé – Integrační článek RC Přenos napětí

Re P

Im P XC U2 1 / jC 1 1 1  P       j 2 2 U1 X C  R 1 / jC  R 1  jCR 1  j 1    1   2 2 ω=2·π·f je úhlový kmitočet a τ =1/ω0=R·C je takzvaná časová konstanta obvodu.

Modulová charakteristika PdB  20 log

U2  20 log (Re P) 2  (Im P) 2  U1

1       2 2  20 log     20 log 1    .    2 2 2 2 1    1    2

2

Fázová charakteristika  Im P    arctg    arctg   Re P  

  arctg

  f   arctg   arctg  .  0   f0 

cv.2/str.26

Dodatek pro pokročilé – Integrační článek RC ω=2·π·f τ =1/ω0=R·C

Modulová charakteristika PdB  20 log

U2  20 log 1   2 2  20 log 1   2 R 2C 2 U1

Fázová charakteristika  f    arctg   arctg  RC   arctg   f0  a) ω·τ << 1



PdB ≈ 0

a

φ ≈ 0o

b) ω·τ = 1



PdB = –20·log√2 ≈ –3 dB

a

φ ≈ –45o=–π/4

c) ω·τ >> 1



PdB ≈ –20·log(ω.τ)

a

φ ≈ –90o=–π/2 cv.2/str.27

Dodatek pro pokročilé – Derivační článek RC Přenos napětí

Re P

Im U2 R R jCR j  2 2  P       j , 2 2 U1 X C  R 1 / jC  R 1  jCR 1  j 1   2 2 1  

P

ω=2·π·f je úhlový kmitočet a τ =1/ω0=R·C je takzvaná časová konstanta obvodu.

Modulová charakteristika PdB  20 log

U2  20 log (Re P) 2  (Im P) 2  U1 2

        2 2    20 log   20 log . 2 2  2 2  2 2 1   1    1    2 2

2

Fázová charakteristika   f   Im P      .    arctg   arctg  arctg     Re P   0   f0 

  arctg

cv.2/str.28

Dodatek pro pokročilé – Derivační článek RC ω=2·π·f τ =1/ω0=R·C

Modulová charakteristika U2  2 2  2 R 2C 2 PdB  20 log  20 log  20 log 2 2 U1 1   1   2 R 2C 2

Fázová charakteristika  f   .  f0 

  arctg   arctg  RC   arctg a) ω·τ << 1



PdB ≈ 20·log(ω.τ)

a

φ ≈ 90o=π/2o

b) ω·τ = 1



PdB ≈ 20·log√0,5 = –3 dB

a

φ ≈ 45o=π/4

c) ω·τ >> 1



PdB ≈ 0

a

φ≈0 cv.2/str.29