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
Struktura układu doświadczalnego Zjawisko przyrodnicze detektor rządzenie pomiarowe rządzenie wykonawcze interfejs regulator interfejs komputer
Rozbłysk gamma GRB 080319B 19.03.2008 teleskop Pi of the Sky sfilmował najpotężniejszą eksplozję obserwowaną przez człowieka pierwszy film narodzin czarnej dziury 7.5 mld lat świetlnych http://grb.fuw.edu.pl/
The Big European Bubble Chamber
Dzieło Maćka Kudły & co. RPC PACT (TC i TB )
Jednostkowa pojemność dysków PC
Intel Corporation
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 180 0 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)
Idealny wzmacniacz operacyjny nie istnieje! Rzeczywiste wzmacniacze operacyjne: Rezystancje wejściowe wynoszą : 10 4-10 12 Ω, wyjściowe : 1-10 4 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 > 20 000, R =10 10 Ω, R =100 Ω niestety ograniczone pasmo przenoszenia (A* ω = const)
Wzmacniacz operacyjny µa741 - schemat Parametry wzmacniacza µa 741: wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia k= 100 000 rezystancja wejściowa R i = 2 MΩ maksymalne różnicowe napięcie wejściowe = ± 30 V napięcie zasilania ± 15 V pobór mocy 45 mw
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
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 = -( 1 + 2 +... + N ) Jedno z zastosowań: mikser akustyczny w studiach nagrań. Przez regulację R i ustala się wkład (głośność) każdego ze źródeł
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 ( ) 1 2 2 1 R 1 R 2
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
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
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
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
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
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
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
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 - 100 MHz, 14 bitów - 50 MHz ( firma Ga-Ge).
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