Eksperyment elektroniczny sterowany komputerowo

Transkrypt

1 Eksperyment elektroniczny sterowany komputerowo 2010 Czujniki (detektory) elektroniczne Analiza informacji (sygnałów) analogowych wzmacniacze, filtry, zakłócenia i szumy Pomiar: przetwarzanie informacji analogowej - przetwornik ADC i komparator Transmisja sygnałów (informacji): linie transmisyjne magistrala przesyłania danych sterowanie przesyłaniem danych (synchronizacja, zegar, generator impulsów) elektroniczny układ wyboru zdarzeń (trigger) Komputer: procesor, pamięć, rejestry urządzenia wejścia/wyjścia sprzęgi (interface) Sterowanie aparaturą doświadczalną: przetwornik DAC stabilizowane zasilacze napięcia, powielacze napięcia

2 Struktura układu doświadczalnego Zjawisko przyrodnicze detektor rządzenie pomiarowe rządzenie wykonawcze interfejs regulator interfejs komputer

3

4

5 Rozbłysk gamma GRB B teleskop Pi of the Sky sfilmował najpotężniejszą eksplozję obserwowaną przez człowieka pierwszy film narodzin czarnej dziury 7.5 mld lat świetlnych

6

7 The Big European Bubble Chamber

8

9

10

11

12

13

14 Dzieło Maćka Kudły & co. RPC PACT (TC i TB )

15

16 Jednostkowa pojemność dysków PC

17 Intel Corporation

18 Wzmacniacze operacyjne należą do najbardziej uniwersalnych układów elektronicznych istnieją w postaci układów scalonych Każdy wzmacniacz operacyjny dwa wejścia: (-) - odwracające fazę (sygnał wyjściowy jest przesunięty w fazie o względem sygnału wejściowego), (+) - nieodwracające fazy Realizuje funkcję: + - +V CC -V EE = A*( ) gdzie A wzmocnienie układu Zasilanie dwubateryjne Napięcia zasilania +V CC i -V EE (z dwóch niezależnych źródeł) Wartości napięć +, - i oraz V CC iv EE określone względem wspólnego poziomu odniesienia - masy Idealny wzmacniacz operacyjny: wzmocnienie napięciowe A, rezystancje obu wejść względem masy są nieskończone, rezystancja między wejściami R (układ nie pobiera prądu z wejść) rezystancja wyjściowa jest pomijalnie mała R 0, nieograniczone pasmo przenoszenia (własności częstościowe wzmacniacza nie mają wpływu na jego pracę)

19 Idealny wzmacniacz operacyjny nie istnieje! Rzeczywiste wzmacniacze operacyjne: Rezystancje wejściowe wynoszą : Ω, wyjściowe : Ω. Wzmocnienie dla małych częstości może sięgać 10 6 (szybko spada z częstością) Budując wzmacniacz o wzmocnieniu 10 możemy określić jego charakterystykę częstościową i pasmo przenoszenia wzmocnienie 1000 µa 741 A* ω=const 10 ω g =10 Hz 100 khz częstość Rzeczywiste wzmacniacze operacyjne wystarczająco dobrze spełniają założenia dla wzmacniaczy idealnych, by model na nich oparty był stosowalny np. LM 318: A > , R =10 10 Ω, R =100 Ω niestety ograniczone pasmo przenoszenia (A* ω = const)

20 Wzmacniacz operacyjny µa741 - schemat Parametry wzmacniacza µa 741: wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia k= rezystancja wejściowa R i = 2 MΩ maksymalne różnicowe napięcie wejściowe = ± 30 V napięcie zasilania ± 15 V pobór mocy 45 mw

21 Wzmacniacz odwracający fazę - podstawowy układ ze wzmacniaczem operacyjnym I f I R 2 Wzmocnienie? R 1 R 3 napięcie wyjściowe układu jest skończone, lecz wzmocnienie idealne A, z równania =A*( ) wynika, że + = -, czyli, że - = 0 nieskończona rezystancja wejściowa => prądy wpływające do wejść pomijalne równanie prądów w układzie: Stąd efektywne wzmocnienie układu: I = = = R1 R2 R 2 = = A R 1 Ponieważ potencjał - =0, rezystancja wejściowa układu wynosi R 1 I f Konwerter prąd-napięcie gdy w układzie rezystor R 1 nie istnieje (R 1 0) => = I * R 2 Zastosowanie: do współpracy ze źródłami prądowymi, np. fotodiody, fotopowielacze itp. I I f R

22 Wzmacniacz sumujący w układzie wzmacniacza odwracającego fazę: I n Suma prądów, które dopływają do wejścia odwracającego fazę jest równa prądowi sprzężenia zwrotnego: Stąd: I i wei = = I f = Ri = R R i i R wy I 3 I 2 I 1 R n R 1 I f R napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do sumy napięć wejściowych z wagami R/R i. Jeśli wszystkie oporniki będą miały wartość oporu R, to = -( N ) Jedno z zastosowań: mikser akustyczny w studiach nagrań. Przez regulację R i ustala się wkład (głośność) każdego ze źródeł

23 Wzmacniacz nieodwracający fazy: I f napięcie wejściowe podawane jest na wejście nieodwracające (+) wzmacniacza operacyjnego R 1 I R 3 R 2 Różnica napięć między wejściami wzmacniacza + i - jest infintezymalnie mała => prąd płynący w pętli sprzężenia zwrotnego: we I = = I wzmocnienie układu: Rezystor R 3 określa rezystancję wejściową układu f = R2 R1 R = 1 + R Zastosowanie: współpraca z wysokooporowymi źródłami sygnału jak np. termopary Wtórnik napięciowy: gdy w układzie wzmacniacza R 1, => A=1, lecz prąd wyjściowy może być znacznie większy niż prąd wejściowy R 2 2 R 1 =A R 1 Wzmacniacz różnicowy napięcie wyjściowe: = R R 2 1 ( ) R 1 R 2

24 Inne operacje matematyczne na sygnałach Wzmacniacz całkujący Równanie prądów w układzie ma postać: R C I = R = I f = dq dt = C d dt R 1 stąd: = 1 RC dt Dla wejściowych sygnałów harmonicznych (sinusoida) charakterystyka częstościowa układu: 1 = ωrc

25 Inne operacje matematyczne na sygnałach c.d. Wzmacniacz różniczkujący: Zamiana kondensatora i opornika miejscami! I dq = = dt d C dt = I f = R C R czyli: = RC d dt Charakterystyka częstościowa tego układu dla wejściowych sygnałów harmonicznych: = ωrc Zastosowanie wzmacniaczy całkujących i różniczkujących: => formowanie sygnałów analogowych

26 Inne operacje matematyczne na sygnałach c.d. Wzmacniacz logarytmujący: element o charakterystyce wykładniczej w pętli sprzężenia zwrotnego I = R = = I f = I 1 ln X RI exp( X 0 element nieliniowy: dioda, tranzystor bipolarny 0 ) R + I = I 0 exp( X) Wzmacniacze logarytmujące: przetwarzanie sygnałów o dużej dynamice zmian Wzmacniacz antylogarytmujący: zamiana miejscami rezystora i elementu nieliniowego I = I exp( X ) 0 = I = I R exp( X 0 f = R ) R + kłady mnożące: kombinacja wzmacniaczy sumujących, odejmujących, logarytmujących i antylogarytmujących

27 Ćwiczenie Wzmacniacz operacyjny. Zbadanie charakterystyk dwóch układów ze wzmacniaczem operacyjnym: wzmacniacz szerokopasmowy (odwracający lub nieodwracający), wzmacniacz kształtujący (różniczkujący lub całkujący). Patrz instrukcja do ćwiczenia Analogowe układy scalone pomiar charakterystyki amplitudowej: =f( ) przy częstości 1000 Hz pomiar charakterystyki częstościowej: wy = we f (ν ) Charakterystykę amplitudową przedstawiamy na skali liniowej, charakterystykę częstościową - na skali logarytmiczno-logarytmicznej Pomiary powtórzyć za pomocą zestawu sterowanego komputerowo

28 Rejestracja i analiza sygnałów analogowych Komparator analogowy: Komparator analogowy Przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) układ pośredniczący między elektroniką analogową i cyfrową Komparator analogowy służy do porównywania napięć analogowych JŚCIE V + E V - 1 gdy > E Komparator - specyficzny rodzaj wzmacniacza porównującego dwa napięcia: V + (na wejściu nieodwracającym fazy) i V - (na wejściu odwracającym fazę). Jeśli zachodzi relacja: V + > V -, to stan wyjściu jest jedynką logiczną waga: Komparatora analogowego nie należy mylić z komparatorem cyfrowym, który służy do porównywania słów logicznych

29 Przetwornik cyfrowo-analogowy Przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC - Digital - Analog Converter) wytwarza napięcie proporcjonalne do wartości słowa logicznego na wejściu E R 2R 4R 8R R <<R Działanie najprostszych (2-4 -bitowych) opiera się na zasadzie dzielnika napięcia Nieliniowe działanie dzielnika liczby bitów Wielobitowe (do 18 bitów) przetworniki cyfrowo-analogowe buduje się w oparciu o drabinki rezystorów zasilane za pomocą bardzo stabilnych źródeł prądowych wy = 2 3 I R n Pi R i i= 02 Przetworniki cyfrowo - analogowe => do budowy programowalnych generatorów przebiegów analogowych, sterowników analogowych, itd

30 Przetwornik analogowo-cyfrowy Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC - Analog - Digital Converter) zamiana wartości napięcia (lub natężenia prądu) wejściowego na słowo logiczne JŚCIE ANALOGO Powolna konwersja: JŚCIE CYFRO D A przy n-bitowym słowie wyjściowym wymaga czasu 2 n τ LICZNIK KOMPARATOR (τ czas trwania impulsu zegara) GENERATOR STOP przetwornik kompensacyjny V REF V REF Przetwornik kompensacyjny: czas konwersji wynosi n τ => rzędu kilkudziesięciu µs CZAS CZAS Im mniejsza dokładność przetwarzania tym większa szybkość konwersji

31 Najszybsze są przetworniki analogowo-cyfrowe typu flash E E(n-1)/n E(n-2)/n KŁAD LOGI- CZNY JŚCIE CYFRO - E/n JŚCIE ANALOGO - Dokładność przetworników 10 bitów przy częstości próbkowania 1 GHz (Hewlett-Packard, Tektronix, National Instruments, Aqiris) Możliwe tworzenie układów przetworników pracujących sekwencyjnie częstość próbkowania sięga 10 GHz Przetworniki typu flash o większej liczbie bitów są wolniejsze: 12 bitów MHz, 14 bitów - 50 MHz ( firma Ga-Ge).

32 Przetwornik analogowo cyfrowy podstawowy element układów pomiarowych Przykład: oscyloskop cyfrowy PROSZCZONY SCHEMAT OSCYLOSKOP CYFROGO Wzmacniacz dobór czułości A D pamięć i procesor układ graficzny monitor sygnał wynik pomiaru Szybkie przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe: podstawowe urządzenia do cyfrowego zapisu, przetwarzania i odtwarzania obrazu i dźwięku