Ćw. 2: Wprowadzenie do laboratorium pomiarowego Wstęp Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasilaczem, multimetrem, generatorem, oraz oscyloskopem. Wymagane umiejętności po wykonaniu ćwiczenia: - Podłączenie zasilacza, opis wyjść, ustawienie parametrów: ograniczenie prądowe, napięcie wyjściowe. - Obsługa multimetru, wartości mierzone, zakresy mierzonych wartości, opis wejść. - Ustawienie w generatorze żądanego przebiegu: trójkątny, sinusoidalny, prostokątny, amplituda, składowa stała!, częstotliwość, wpływ impedancji wewnętrznej. - Ustawienie oscyloskopu: tryb stałoprądowy/zmiennoprądowy, obserwacja przebiegu z dużą składową stałą. Zmiana skali wyświetlanego przebiegu. Zmiana podstawy czasu do obserwacji przebiegów powolnych oraz szybkich. Wyzwalanie (trigger) poziom wyzwalania, źródło wyzwalania. Przebieg ćwiczenia 1. Włączenie zasilacza i ustalenie napięcia: Przygotować multimetr w konfiguracji woltomierza w zakresie do 20V napięcia stałego (DCV). Podłączyć przewodami (z wtyczkami typu banan ) gniazdo wspólne com (common) miernika do zacisku - w zasilaczu, gniazdo VΩmA miernika do gniazda + zasilacza. Wyjście zasilacza oznaczone GND należy pozostawić niepodłączone jest to zacisk uziemienia a nie masy. Jako masę przyjmujemy potencjał zacisku - w zasilaczu. Włączyć zasilacz. Ustawić na zasilaczu napięcie 9V. Napięcie sprawdzić podłączonym miernikiem. Jeżeli miernik wskazuje 1 lub OL w lewej części wyświetlacza oznacza to iż napięcie mierzone jest poza ustawionym zakresem 20V należy zmniejszyć napięcie na zasilaczu. Jeżeli jest to możliwe w zasilaczu ustawić ograniczenie prądowe na 100mA może to zapobiec uszkodzeniu badanego układu na wypadek nieprawidłowych połączeń. 2. Generator Generator funkcyjny podłączyć z oscyloskopem z pomocą przewodu BNC. Włączyć generator funkcyjny. Ustawić na nim sygnał sinusoidalny o częstotliwości 1kHz i amplitudzie 50mV. Przebieg zaobserwować na oscyloskopie, sprawdzić poziomy napięć, częstotliwość, składowa stała powinna wynosić 0 (pokrętło offset na generatorze). Przebieg umieścić w sprawozdaniu, zanotować: skala pozioma (czas), skala pionowa (napięcie), poziom 0V. 3. Oscyloskop Konfigurację oscyloskopu można podzielić na trzy główne części: a) VERTICAL na dole znajdują się gniazda do podłączenia badanych sygnałów pokrętłem VOLTS/DIV - zmiana skali wyświetlanego przebiegu CH1 BOTH CH2 wybór kanału który ma pojawić się na ekranie POSITION przesuwanie sygnału w pionie. Katedra Elektroniki AGH 1
AC GND DC sygnał może być pokazany bez składowej stałej (AC), podłączony do masy (GND) lub ze składową stałą (DC). Poprawnie ustalony sygnał to taki który mieści się na ekranie i jest przy tym jak najbardziej powiększony. b) HORIZONTAL POSITION zgrubne i dokładne przesunięcie sygnału w poziomie MODE sposób rysowania przebiegu: jednocześnie, na przemian, ze wzmocnieniem (wzmocnienie w skali czasu umożliwia obserwację bardzo szybkich przebiegów) SEC/DIV pokrętło ustawiające podstawę czasu na działkę (kwadracik). W położeniu XY plamka oscyloskopu jest sterowana z wejść CH1- w poziomie i CH2 - w pionie. Proszę nie kręcić górną częścią dużych pokręteł oscyloskopy są skalibrowane. X5 X10 X50 aktywne gdy włączone wzmocnienie w skali czasu (MAG) w części MODE. c) TRIGGER W tej części ustawia się sposób wyzwalania oscyloskopu. Oscyloskop analogowy w jednej chwili czasowej wyświetla tylko jeden punkt. Zaczyna wyświetlać w określonym miejscu a następnie odwzorowuje przebieg napięcia w czasie. Należy skonfigurować oscyloskop tak aby wiedział kiedy ma zacząć wyświetlanie. Wykorzystuje się do tego sygnał podłączony do kanału A lub B; można również wykorzystać zewnętrzny sygnał taktujący (EXT INPUT) lub ciągłe wyświetlanie przebiegu. Przełącznikami w menu SOURCE można wybrać źródło: kanał 1 - CH1, kanał 2 CH2, zewnętrzne EXT. W tej części istotne jest jeszcze pokrętło LEVEL poziom wyzwalania oraz SLOPE zbocze opadające/narastające. Gdy sygnał np. na ustawionym CH1 osiągnie wartość ustawioną pokrętłem LEVEL i będzie to np. ustawione zbocze opadające to wówczas oscyloskop zacznie wyświetlać przebieg. Niepoprawne ustawienie wyzwalania powoduje, że obraz na ekranie bardzo szybko (lub zbyt wolno) się zmienia i niemożliwa jest dokładna obserwacja. 4. Wzmacniacz RC Jest to jeden z najprostszych wzmacniaczy RC, tranzystor znajduje się w konfiguracji Wspólnego Emitera (WE). Sygnał z generatora dochodzi do płytki wzmacniacza do przewodu lewy, Jego amplituda może być zmniejszona potencjometrem. Kondensator C1 odcina ewentualną składową stałą sygnału który dochodzi do bazy tranzystora. Rezystory R1 i R2 to prosty dzielnik napięcia mają za zadanie utrzymać potencjał bazy tranzystora na określonym poziomie tak aby tranzystor mógł wzmacniać sygnał tranzystor musi być odpowiednio spolaryzowany. Rezystor R3 ma za zadanie ograniczyć moc cieplną wydzielaną na tranzystorze (dla składowej stałej, aby z tranzystora wyciągnąć dużą moc musi przez niego płynąć duży prąd), aby jednak zmiany napięcia na tym rezystorze nie zmniejszały sygnału wejściowego dołączony jest kondensator C2 sygnały zmienne są przez niego zwierane do stałego potencjału (w tym przypadku do zasilania gdyby były zwierane do masy efekt byłby taki sam ważne że zwieramy sygnał zmienny do stałego potencjału). Rezystor R4 na nim odkłada się napięcie wyjściowe, im jest większy tym większa amplituda sygnału na wyjściu - jednocześnie tym mniejsza moc tegoż sygnału. Kondensator C3 ma za zadanie odciąć składową stałą jeżeli do układu podłączymy głośnik to nie chcemy aby przez niego płynął prąd stały (głośnik będzie się grzał, membrana zostanie wygięta w jedną stronę), przez kondensator prąd stały nie popłynie, popłynie natomiast prąd zmienny. Katedra Elektroniki AGH 2
Tranzystor Q jest głównym elementem wzmacniacza. Sygnał wejściowy wchodzi do bazy. Im większe jest napięcie między emiterem a bazą (na bazie - na emiterze + ) tym prąd płynący od emitera do kolektora jest większy. Jeżeli na bazę zostanie przyłożone mniejsze napięcie względem emitera, to z emitera do bazy popłynie więcej prądu (prąd wejściowy wypływa z tego tranzystora, inaczej: wpływa ze znakiem ujemnym). Jeżeli większy prąd wypływa z bazy to z emitera do kolektora popłynie prąd o wartości równej prądowi bazy pomnożony jeszcze o współczynnik wzmocnienia tranzystora ß (ß zwykle wynosi od 30 do 300, przeciętnie 100) I C = ß *I B I E = I C +I B = (ß+1) *I B Ten większy prąd kolektora popłynie przez rezystor R4 i wywoła na nim większy spadek napięcia czyli napięcie na kolektorze wzrośnie. Wzrost napięcia na kolektorze przejdzie przez kondensator C3 i trafi do wyjścia. Podsumowując: chwilowe małe zmniejszenie napięcia na bazie względem masy spowodowało duże zwiększenie napięcia na wyjściu. Sygnał został wzmocniony i pomnożony razy -1. Katedra Elektroniki AGH 3
5. Uruchomienie wzmacniacza Podłączyć układ wzmacniacza słuchawkowego zgodnie ze schematem: Z generatora sygnał sinus 50mV 1kHz podłączyć do wejścia BNC na płytce. Oscyloskop podłączyć przez sondy oscyloskopowe do bazy_l (CH1) oraz wyjścia_l (CH2). Zaobserwować równocześnie oba przebiegi na oscyloskopie zamieścić w sprawozdaniu. Dokonać pomiaru amplitudy sygnału wyjściowego i wejściowego wyznaczyć wzmocnienie K=U wy /U we. Zaobserwować szum w sygnale wyjściowym wyjaśnić prowadzącemu skąd się bierze. Zmienić częstotliwość sygnału w generatorze na 100Hz, skorygować ustawienia oscyloskopu, zaobserwować zmiany. UWAGA: głośny sygnał może uszkodzić słuch! Włączyć słuchawki do gniazda wyjściowego, skorygować poziom dźwięku potencjometrem na płytce wzmacniacza (słuchawki są dodatkowym obciążeniem wzmacniacza po włożeniu słuchawek amplituda sygnału wyjściowego znacznie się zmniejszyła). Generatorem zmieniać częstotliwość od najmniejszej do około 20kHz. Sygnał wyjściowy powinien mieć stałą amplitudę korygować potencjometrem lub w razie konieczności generatorem. Zanotować minimalną i maksymalną słyszalną częstotliwość oraz częstotliwość dla której ucho ludzkie jest najbardziej wrażliwe. Naszkicować subiektywny wykres wrażliwości słuchu ludzkiego w funkcji częstotliwości z krokiem co 100Hz dla częstotliwości do 1kHz oraz z krokiem co 1kHz do częstotliwości 20kHz. Można porównać z płaczem dziecka czy syrena alarmową. 6. Przesterowanie wzmacniacza. Wrócić nastawieniem generatora do 1kHz. Odłączyć słuchawki. Sygnał obserwować na oscyloskopie i zwiększać potencjometrem jego amplitudę aż sygnał wyjściowy przestanie być sinusoidą a stanie się obciętą sinusoidą. Przebieg zamieścić w sprawozdaniu. Zmniejszyć amplitudę do 50mV. Włączyć słuchawki. Katedra Elektroniki AGH 4
Zmienić kształt przebiegu z sinus na prostokątny zanotować dlaczego sygnał o takiej samej częstotliwości podstawowej ale o innym kształcie jest inaczej słyszany, w razie wątpliwości zapytać prowadzącego, zanotować. Ustawić częstotliwość sygnału prostokątnego na 10Hz zaobserwować zniekształcenia, wyjaśnić w sprawozdaniu dlaczego pozioma część przebiegu wejściowego ma inny kształt na wyjściu. Odłączyć generator! Do wejścia jack podłączyć źródło sygnału audio (mp3, radio itd..) na oscyloskopie zaobserwować przebieg sygnału audio na wejściu i wyjściu zanotować (zapamiętany). Potencjometrem zwiększyć głośność aż do usłyszenia trzasków i znacznych zniekształceń sygnału. Jest to efekt przesterowania wzmacniacza na wejście został podany zbyt duży sygnał. Jeżeli sygnał w słuchawkach jest zbyt głośny można je wyjąć sygnał kanału prawego będzie słyszalny w głośniczku. 7. Pasmo przenoszenia wzmacniacza Gdy moc sygnału w funkcji częstotliwości spada do poziomu P f_gr = ½P f_max mocy maksymalnej, to dla tej częstotliwości określamy częstotliwość graniczną. Ponieważ moc P jest proporcjonalna do kwadratu napięcia P U 2 to dla częstotliwości granicznej U f_gr = U max / 2 0,7 U max. W skali decybelowej jest to spadek o około 3dB. W skali logarytmicznej pasmo przenoszenia wygląda następująco: Dla sygnałów zbyt wolnych i zbyt szybkich wzmacniacz ma mniejsze wzmocnienie niż w paśmie przenoszenia. Odłączyć słuchawki. Generator podłączyć do płytki wzmacniacza. Sygnał sinus amplituda 50mV. Zmieniając częstotliwość od 0 do 1MHz zbadać pasmo wzmacniacza. Sygnał wyjściowy mierzymy przy stałej amplitudzie sygnału wejściowego w razie jego zmian należy go korygować. Wykres zamieścić w sprawozdaniu. Koniec ćwiczenia. Zanotowane pomiary i rysunki przedstawić prowadzącemu do podpisania. Uporządkować stanowisko pomiarowe. Katedra Elektroniki AGH 5
LITERATURA: 1. Algorytm uruchomienia oscyloskopu na przykładzie oscyloskopu Tektronix model 2225 http://layer.uci.agh.edu.pl/%7emaglay/wrona/pl/podstrony/dydaktyka/technika_cy frowa/wprow_pom/oscyloskop_abc.pdf 2. Instrukcja obsługi oscyloskopu na przykładzie Tektronix 2225: http://dipastro.astro.unipd.it/esfis2/manual_tektr-2225.pdf 3. Stanisław Kuta Elementy i układy elektroniczne rozdział 10, wzmacniacz ze wspólnym emiterem. 4. P. Horowitz W.Hill Sztuka elektroniki, str. 86 i następne. 5. http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~maziarz/labpe/rc.html 6. Z. Nosal, J. Baronowski - Układy elektroniczne cz. I. Układy analogowe liniowe. 7. www.google.pl - wpisać wzmacniacz RC Katedra Elektroniki AGH 6