Eksperyment elektroniczny sterowany komputerowo 2013 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 1
2
ozbłysk gamma GB 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/ 3
The Big European Bubble Chamber 4
Eksperymentowanie przy LHC 5
6
7
PC PACT (TC i TB ) Dzieło Maćka Kudły & co. 8
Jednostkowa pojemność dysków PC Intel Corporation 9
Wzmacniacze operacyjne należą do najbardziej uniwersalnych układów elektronicznych istnieją w postaci układów scalonych +V CC Każdy wzmacniacz operacyjny dwa wejścia: (-) - odwracające fazę (sygnał wyjściowy jest przesunięty w fazie o 180 0 względem sygnału wejściowego), (+) - nieodwracające fazy ealizuje funkcję: = 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 (układ nie pobiera prądu z wejść) rezystancja wyjściowa jest pomijalnie mała 0, nieograniczone pasmo przenoszenia (własności częstościowe wzmacniacza nie mają wpływu na jego pracę) + - -V EE Idealny wzmacniacz operacyjny nie istnieje! zeczywiste wzmacniacze operacyjne: ezystancje 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 zeczywiste wzmacniacze operacyjne wystarczająco dobrze spełniają założenia dla wzmacniaczy idealnych, by model na nich oparty był stosowalny np. LM 318: A > 20 000, =10 10 Ω, =100 Ω niestety ograniczone pasmo przenoszenia (A* ω = const) 10
Wzmacniacz operacyjny µa741 - schemat Parametry wzmacniacza µa 741: wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia k= 100 000 rezystancja wejściowa 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 2 Wzmocnienie? 1 - + 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 = = = 1 2 2 = = A 1 Ponieważ potencjał - =0, rezystancja wejściowa układu wynosi 1 I f Konwerter prąd-napięcie gdy w układzie rezystor 1 nie istnieje ( 1 0) => = I * 2 Zastosowanie: do współpracy ze źródłami prądowymi, np. fotodiody, fotopowielacze itp. I I f 11
Wzmacniacz sumujący w układzie wzmacniacza odwracającego fazę: I n Suma prądów, które dopływają do wejścia odwracającego fazę jest równa prądowi sprzężenia zwrotnego: wei I i = = I f = i i stąd: = napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do sumy napięć wejściowych z wagami / i. i wy I3 I2 I1 n 1 I f Jeśli wszystkie oporniki będą miały wartość oporu, to = -( 1 + 2 +... + N ) Jedno z zastosowań: mikser akustyczny w studiach nagrań. Przez regulację i ustala się wkład (głośność) każdego ze źródeł Wzmacniacz nieodwracający fazy: I f napięcie wejściowe podawane jest na wejście nieodwracające (+) wzmacniacza operacyjnego 1 I 3 2 óżnica napięć między wejściami wzmacniacza + i - jest infinitezymalna we prąd płynący w pętli sprzężenia zwrotnego: I f = = = I 2 1 2 wzmocnienie układu: = 1+ =A 1 ezystor 3 określa rezystancję wejściową układu Zastosowanie: współpraca z wysokooporowymi źródłami sygnału jak np. termopary Wtórnik napięciowy: gdy w układzie wzmacniacza 1, A=1, lecz prąd wyjściowy może być znacznie większy niż prąd wejściowy 2 1 Wzmacniacz różnicowy napięcie wyjściowe: = 2 1 ( ) 1 2 2 1 1 2 12
Inne operacje matematyczne na sygnałach Wzmacniacz całkujący C ównanie prądów w układzie ma postać: I = = I f = dq dt = C d dt 1 stąd: 1 = C dt Dla wejściowych sygnałów harmonicznych (sinusoida) charakterystyka częstościowa układu: 1 = ωc Inne operacje matematyczne na sygnałach c.d. Wzmacniacz różniczkujący: Zamiana kondensatora i opornika miejscami! I = dq dt = d C dt = I f = C czyli: = C d dt Charakterystyka częstościowa tego układu dla wejściowych sygnałów harmonicznych: = ωc Zastosowanie wzmacniaczy całkujących i różniczkujących: => formowanie sygnałów analogowych 13
Inne operacje matematyczne na sygnałach c.d. Wzmacniacz logarytmujący: I = I 0 exp( X ) element o charakterystyce wykładniczej w pętli sprzężenia zwrotnego I = = I f 1 = ln X I = I exp( X 0 element nieliniowy: dioda, tranzystor bipolarny 0 ) + Wzmacniacze logarytmujące: przetwarzanie sygnałów o dużej dynamice zmian Wzmacniacz antylogarytmujący: zamiana miejscami rezystora i elementu nieliniowego I = I 0 exp( X ) = I f = = I exp( X 0 ) + kłady mnożące: kombinacja wzmacniaczy sumujących, odejmujących, logarytmujących i antylogarytmujących 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: Ćwiczenie Wzmacniacz operacyjny. wy = we f (ν ) Charakterystykę amplitudową przedstawiamy na skali liniowej, charakterystykę częstościową - na skali logarytmiczno-logarytmicznej Pomiary powtórzyć za pomocą zestawu sterowanego komputerowo 14
ejestracja i analiza sygnałów analogowych Komparator analogowy Przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) Komparator analogowy: 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 2 4 8 << 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 = I 3 n Pi i i= 02 Przetworniki cyfrowo - analogowe => do budowy programowalnych generatorów przebiegów analogowych, sterowników analogowych, itd 15
Przetwornik analogowo-cyfrowy Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC - Analog - Digital Converter) zamiana wartości napięcia (lub natężenia prądu) wejściowego na słowo logiczne JŚCIE ANALOGO Powolna konwersja: przy n-bitowym słowie JŚCIE CYFO D A wyjściowym wymaga czasu 2 n τ (τ czas trwania impulsu zegara) LICZNIK GENEATO STOP KOMPAATO przetwornik kompensacyjny V EF VEF 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 CYFO - 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). 16
Przetwornik analogowo cyfrowy podstawowy element układów pomiarowych Przykład: oscyloskop cyfrowy POSZCZONY SCHEMAT OSCYLOSKOP CYFOGO 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 17