Warunek zaliczenia wykładu: wykonanie sześciu ćwiczeń w Pracowni Elektronicznej

Transkrypt

1 Elektronika cyfrowa Warunek zaliczenia wykładu: wykonanie sześciu ćwiczeń w Pracowni Elektronicznej Część notatek z wykładu znajduje się na: 1

2 Pracownia Elektroniczna (F-1-17) nformacje o programie ćwiczeń: 2

3 Elektronika zajmuje się zastosowaniem zjawisk elektromagnetycznych do przesyłania i przetwarzania sygnałów elektrycznych (informacji) kład elektroniczny układ spełniający z góry założone zadanie w stosunku do sygnałów elektrycznych 3

4 Klasyfikacja układów elektronicznych kłady przebiegów sinusoidalnych: filtry, wzmacniacze, generatory, modulatory kłady impulsowe: układy elektroniki cyfrowej, wzmacniacze impulsowe, przetworniki analogowo-cyfrowe, dyskryminatory kłady zasilające: układy służące do zasilania i sterowania pracą innych układów 4

5 kład pomiarowy komputer czujnik układ analogowy przetwornik analogowo-cyfrowy 5

6 Prawo Coulomba W 1785 roku w oparciu o doświadczenia z ładunkami Charles Augustin Coulomb doszedł do następującego sformułowania: F k Q 1 2 r Q 2 r r Waga Skręceń F - przyciągająca dla ładunków przeciwnych (+/-) a odpychająca dla jednakowych (+/+), (-/-) i działa wzdłuż linii łączącej ładunki. 6

7 Jednostką ładunku w układzie S jest KLOMB (C). Ciało posiada ładunek jednego kulomba jeśli na równy sobie działa z odległości jednego metra siłą Newtona. Jeśli umieścimy dwa ciała o masach 1 kilograma i ładunku 1 kulomba w odległości 1m od siebie, to stosunek siły kulombowskiej do siły grawitacji ma się jak : 1. 1C 1m 1C 1 kg 1 kg F F kul graw

8 Prąd elektryczny (A) natężenie prądu (V) napięcie Nośniki prądu: elektrony (-) jony (+,-) dziury (+) uporządkowane przesuwanie się ładunków tworzy prąd elektryczny 8

9 Prąd elektryczny Napięcie elektryczne różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami obwodu elektrycznego. Napięcie elektryczne jest to stosunek pracy wykonanej podczas przenoszenia ładunku elektrycznego między punktami, dla których określa się napięcie, do wartości tego ładunku. napięcie praca/ładunek W przypadku źródła napięcia elektrycznego napięcie jest jego najważniejszym parametrem i określa zdolność źródła energii elektrycznej do wykonania pracy. 9

10 Opornik (rezystor) (z łac. resistere, stawiać opór) Najprostszy element rezystancyjny obwodu elektrycznego. Jest elementem liniowym: spadek napięcia jest wprost proporcjonalny do prądu płynącego przez opornik. Przy przepływie prądu zamienia energię elektryczną w ciepło. W obwodzie służy do ograniczenia prądu w nim płynącego. R opór elektryczny 10

11 Prąd elektryczny R R prawo Ohma -11 Q e C [ ] [ ] [ R] 1 A 1V 1 Ω 1C 1sek 1J 1C 1V 1A 11

12 prawo Kirchhoffa 2 1 węzeł k k 0 12

13 prawo Kirchhoffa i i 0 4 oczko sieci 13

14 Łączenie oporników R 1 R 2 R 3 szeregowe R R 1 +R 2 +R 3 R 1 równoległe 1 R 1 2 R 2 1 R 1 + R 14

15 Dzielnik napięcia R 1 +R 2 R 1 2 R 2 R 2 R 1 +R 2 R 2 2 Przykład: 12 V R 1 4 k Ω, R 2 8 k Ω 1 ma, 2 8 V 15

16 Tablica twórnych jednostek miar G M k na 10-9 A m µ n p f

17 Prąd przemienny (ang. alternating current, AC) Prąd elektryczny okresowo zmienny, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd nazwa przemienny). Najczęściej pożądanym jest, aby wartość średnia całookresowa wynosiła zero. Stosunkowo największe znaczenie praktyczne mają prąd i napięcie o przebiegu sinusoidalnym. Dlatego też, w żargonie technicznym często nazwa prąd przemienny oznacza po prostu prąd sinusoidalny.. (A) t (s) 17

18 Sygnał przebieg (zmiana w czasie) dowolnej wielkości fizycznej, będącej nośnikiem informacji Sygnał analogowy zmieniający się w sposób ciągły w czasie 0 *sin( ω t + φ) Sygnał sinusoidalny: (V) 0 - amplituda T okres zmienności f1/t - częstotliwość T t (s) ω 2πf częstotliwość kołowa 18

19 Szum - jest nieodłącznym towarzyszem sygnałów użytecznych i jest czymś niepożądanym w układach elektronicznych. Najczęstszym rodzajem szumów jest szum pochodzenia termicznego wytwarzany przez rezystory. Sygnał prostokątny - podobnie jak sygnał sinusoidalny można go opisać dwoma parametrami, czyli amplitudą i częstotliwością. Często zamiast częstotliwości używa się pojęcia okres T, który jest równy T1/f. Sygnał piłokształtny - przypomina zęby piły. Jest to sygnał o przebiegu liniowym, czyli takim, w którym napięcie rośnie lub opada ze stałą prędkością do określonej wartości i powtarzany jest okresowo. 19

20 Sygnał cyfrowy (V) 5V 1 t (s) 0 20

21 Oscyloskop Budowa lampy oscyloskopowej: 1.Elektrody odchylające 2.Działo elektronowe 3.Wiązka elektronów 4.Cewka skupiająca 5.Pokryta luminoforem wewnętrzna strona lampy. 21

22 Oscyloskop 22

23 Typowy układ pomiarowy Generator sygnałów Badany układ elektroniczny Oscyloskop 23

24 Kondensator +Q C -Q C Q Pojemność kondensatora 24

25 Kondensator C Q Pojemność kondensatora +Q Q C 1 C dt -Q C [ C] 1F 1C 1V 25

26 Cewka indukcyjna L L d dt L indukcyjność cewki 26

27 Cewka indukcyjna L d dt L L indukcyjność cewki [ L] 1H 1Vs 1A H - henr 27

28 Liczby zespolone a α+ iβ i 2 1 Często zamiast i wystepuje symbol j a ρ( cosθ +isinθ) m β ρ θ a e iz cosz+ i si n z wzór Eulera α Re a ρe iθ 28

29 Prąd zmienny t ( ) ( ) u u u i t i i t i u e e e e t Φ Φ + Φ + Φ cos ω ω ω 29

30 ( ) ( ) i t i i t i e e e e t Φ Φ + Φ + Φ cos ω ω ω t Prąd zmienny 30

31 Prąd zmienny m Φ Φ Re 31

32 Dwójniki - układ posiadający dwa zaciski elektryczne R R C L Typowy przykład dwójnika: czujnik mierzący określoną wielkość fizyczną 32

33 Parametry wejściowe wymuszenie Parametry wyjściowe odpowiedź układu na określone wymuszenie F, ( ) P i parametr wyjściowy parametr wejściowy P i wielkość fizyczna od których może zależeć odpowiedź układu np.: temperatura, oświetlenie, ciśnienie. 33

34 Ogólnie (t 0 ) może zależeć od zmiany parametrów w czasie dla - < t < t 0 t 0 t Dwójniki liniowe i stacjonarne (t) odpowiedź na wymuszenie (t) -liniowy gdy: a*(t) odpowiedź na wymuszenie a*(t) (t) a 1 * 1 (t) + a 2 * 2 (t) odpowiedź na wymuszenie (t) a 1 * 1 (t) + a 2 * 2 (t) 34

35 -stacjonarny: Jeśli (t) odpowiedzią na wymuszenie (t) to dla chwili t+t 0 (t+t 0 ) jest odpowiedzią na wymuszenie (t+t 0 ) Realnie istniejące elementy elektroniczne tylko w przybliżeniu liniowe i stacjonarne 35

36 Rozważmy wymuszenie postaci: ( t) Ae pt pt pt0 pt0 ( t + t ) Ae e e ( 0 t ) p iω Dla elementów liniowych mamy odpowiedź: pt0 ( t + t0) 1 pt0 ( t) e ( t)( + ) ( ) Dla małych t 0 rozwijamy (t+t 0 ) w szereg Taylora w otoczeniu punktu t: ( t) + t ( ) ( ) ( t + t0) 0 t 36

37 Porównując (*) i (**) dostajemy: ( t) ( ) ( ) + ( ) t t t t pt ( t) p ( t) ln pt + C d p ( t) e pt+ C Ce pt dt C C ( p) d pdt / 37

38 Możemy teraz zdefiniować funkcje odpowiedzi T ( p) odpowiedź wymuszenie ( t) ( t) pt ( p) e C( p) C Ae Dla wymuszeń sinusoidalnych przyjmujemy p w postaci p j ω j 2 ω 1 π f pt A częstość kołowa f - częstość f 1 T T - okres wymuszenia Możemy też zapisać ( t) T ( jω) Ae j t ω 38