Ćwiczenie 4 Zakłócenia równoległe w systemach pomiarowych i metody ich minimalizacji Program ćwiczenia 1. Uruchomienie układu współpracującego z rezystancyjnym czujnikiem temperatury KTY81210 będącego źródłem sygnału pomiarowego. 2. Badanie wpływu zakłóceń równoległych w układzie ze wzmacniaczem niesymetrycznym. 3. Badanie wpływu zakłóceń równoległych w układzie ze wzmacniaczem symetrycznym. 4. Badanie wpływu zakłóceń równoległych w układzie ze wzmacniaczem niesymetrycznym i układem separacji galwanicznej. 5. Badanie właściwości separatora. Zakres wymaganych wiadomości Wzmacniacz operacyjny: jego podstawowe właściwości i układy aplikacyjne. Wzmacniacz symetryczny i niesymetryczny. Zakłócenia szeregowe i równoległe. Ich źródła i metody eliminacji. Pojęcie separacji galwanicznej. odzaje separatorów galwanicznych. Literatura [1] Notatki z wykładu [2] Dołączone do instrukcji dane katalogowe wybranych urządzeń i elementów. [3] Łakomy M., Zabrodzki J.: Liniowe układy scalone w technice cyfrowej. PWN, W-wa 1987 1
Instrukcja wykonania ćwiczenia Ad. 1. Uruchomienie układu współpracującego z rezystancyjnym czujnikiem temperatury KTY81210 będącego źródłem sygnału pomiarowego Uwaga: Układ powinien być zasilony napięciem ±12V Schemat układu współpracującego z rezystancyjnym czujnikiem temperatury KTY81210 przedstawiono na rysunku 1. +12V 4 8 LM555 7 A B - czujnik u wy 3 6 1 2 C ys. 1. Struktura układu współpracującego z czujnikiem temperatury Przyjęto następujące wartości elementów: C = 200nF A = 500Ω B = 2 kω - przybliżona wartość rezystancji czujnika w temperaturze pokojowej Zmiany rezystancji czujnika pod wpływem temperatury powodują zmiany częstotliwości sygnału wyjściowego układu z rys. 1. Zmiana częstotliwości sygnału wyjściowego od zmian rezystancji czujnika dana jest zależnością: 1.44 f = (1) ( + )C A 2 B 2
Przyjmując podane wcześniej wartości elementów układu określić przybliżoną wartość częstotliwości sygnału na jego wyjściu dla czujnika znajdującego się w temperaturze pokojowej. Nałożyć zworę Z1, a sygnał z gniazda oznaczonego jako "WEJ_SEP" podać na oscyloskop. Obejrzeć sygnał wyjściowy układu czujnika, zmierzyć jego częstotliwość, porównać z częstotliwością wyliczoną z zależności (1) oraz zaobserwować zmiany tej częstotliwości, zmieniając temperaturę czujnika. Ad. 2. Badanie wpływu zakłóceń równoległych w układzie ze wzmacniaczem niesymetrycznym Zdjąć zworę Z1 i odłączyć przewód z gniazda "WEJ_SEP". Podać sygnał z układu czujnikowego poprzez zwory Z3 i Z4 na wejście wzmacniacza niesymetrycznego (patrz rys. 2). Proszę zwrócić uwagę, że układ współpracujący z czujnikiem pracuje względem innego punktu odniesienia niż pozostała część układu (zasilany jest przez przetwornicę DC/DC). Z 3 p Ukł. czujnika Z 4 p WYJ_NIESY MET w Zakłócenia ~ ys. 2. Wpływ zakłóceń równoległych w układzie ze wzmacniaczem niesymetrycznym ezystory wzmacniaczem, a odpowiadają rezystancji przewodów łączących układ czujnika ze p w rezystancję wewnętrzną źródła zakłócającego. Na oscyloskopie obejrzeć sygnał na wyjściu wzmacniacza niesymetrycznego (gniazdo "WYJ_NIESYMET") przy braku zakłóceń równoległych. Następnie dodać sygnał zakłócający poprzez przyłączenie generatora zewnętrznego do wejścia "ZAKLOCENIA". Na generatorze ustawić sygnał sinusoidalny o częstotliwości około 50 Hz. egulować amplitudę i częstotliwość zakłócenia obserwując uzyskiwane przebiegi na wyjściu wzmacniacza niesymetrycznego. Sformułować wnioski. Jak można próbować eliminować zakłócenia w takim układzie? 3
Ad. 3. Badanie wpływu zakłóceń równoległych w układzie ze wzmacniaczem symetrycznym Zdjąć zwory Z3 i Z4, odłączyć sygnał zakłócający. Sygnał z układu współpracującego z czujnikiem podać na wejście wzmacniacza symetrycznego poprzez zwory Z5 i Z6 (strukturę układu przedstawia rys. 3). Z 5 p Ukł. czujnika Z 6 p WYJ_SYMET 1 w Zakłócenia ~ ys. 3. Wpływ zakłóceń równoległych w układzie ze wzmacniaczem symetrycznym Obserwować sygnał na wyjściu wzmacniacza symetrycznego (gniazdo "WYJ_SYMET"). Dołączyć sygnał zakłócający i obserwować go na oscyloskopie. Sygnał zakłócający powinien mieć częstotliwość około 50 Hz i amplitudę 1V. Zaobserwować sygnał na wyjściu wzmacniacza. Obejrzeć widmo sygnału łącznie z zakłóceniami (w tym celu uruchomić projekt: Widmo). Dobrać wartość rezystora 1 tak, aby zminimalizować wpływ zakłóceń na sygnał wyjściowy (na podstawie przebiegu czasowego i widma tego sygnału). Przy jakiej wartości rezystora 1 zakłócenia są minimalizowane? Obserwować widmo sygnału wyjściowego w trakcie dobierania wartości rezystora. Po wysymetryzowaniu układu zwiększać wartość częstotliwości sygnału zakłócającego do około 500 khz i obserwować sygnał wyjściowy wzmacniacza. Zaobserwować ponowne pojawienie się zakłóceń w sygnale wyjściowym. Przy wysymetryzowanym układzie wzmacniacza i częstotliwości sygnału zakłócającego około 50 Hz, zwiększać wartość jego amplitudy i obserwować sygnał wyjściowy wzmacniacza. Sformułować wnioski. 4
Ad. 4. Badanie wpływu zakłóceń równoległych w układzie ze wzmacniaczem niesymetrycznym i układem separacji galwanicznej Zdjąć zwory Z5 i Z6, odłączyć sygnał zakłócający. Sygnał z układu współpracującego z czujnikiem podać na wejście wzmacniacza niesymetrycznego przez układ separacji galwanicznej zakładając zwory Z1 i Z2 (strukturę układu przedstawia rys. 4). Jako układ separacji galwanicznej zastosowano separator pojemnościowy ISO122JP, którego strona pierwotna zasilana jest poprzez przetwornicę DC/DC. Separator Z 1 Z 2 p Ukł. czujnika p WYJ_NIESY MET w Zakłócenia ~ ys. 4. Wpływ zakłóceń równoległych w układzie ze wzmacniaczem niesymetrycznym i separatorem Obserwować sygnał na wyjściu wzmacniacza niesymetrycznego. Dodać sygnał zakłócający o częstotliwości około 50 Hz i amplitudzie 1V. Następnie zwiększać amplitudę sygnału zakłócającego (obserwując ten sygnał na oscyloskopie). Sprawdzić wpływ zmian częstotliwości zakłócenia na sygnał wyjściowy wzmacniacza. Obejrzeć widmo sygnału wyjściowego. Zaobserwować tętnienia w sygnale wyjściowym wynikające z pracy modulatora i demodulatora w separatorze (brak filtracji sygnału wyjściowego). Zaobserwować, że sygnały zakłócające o względnie dużych amplitudach są skutecznie eliminowane z sygnału wyjściowego. Ad. 5. Badanie właściwości separatora Usunąć zwory Z1 i Z2, odłączyć sygnał zakłócający. Napięcie z zasilacza (12 V) poprzez dzielnik napięcia podać na gniazdo "WEJ_SEP". Sygnał wejściowy i wyjściowy separatora podać na oscyloskop (lub mierzyć dwoma multimetrami). Wyznaczyć charakterystykę statyczną separatora przy sygnale stałonapięciowym podawanym na jego wejście. Wartość napięcia wejściowego zmieniać w zakresie od 0 do 12 V. Pomiary wykonać przy dodatnim i ujemnym napięciu wejściowym. Określić zakres pracy separatora i liniowość uzyskanej charakterystyki. 5
Wyznaczyć charakterystykę amplitudowo-częstotliwościową w paśmie 50Hz do 100kHz. Korzystając z oscyloskopu, mierzyć częstotliwość sygnału wejściowego i wartości międzyszczytowe sygnałów wejściowego i wyjściowego. Amplitudę sygnału wejściowego ustawić na około 1V. Obejrzeć odpowiedź czasową separatora na pobudzenie skokiem jednostkowym. Ocenić jego parametry dynamiczne. Wykaz aparatury 1. Płytka ze strukturą układu, 2. Generator sygnałów, 3. Zasilacz uniwersalny: ±15 V, 4. Oscyloskop cyfrowy, 5. Karta NI USB-6009, 6. Komputer z odpowiednim oprogramowaniem, 6