Vítejte, dnes je
středa
25.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Tento článok nadväzuje na článok uverejnený v DPS od A do Z, číslo 5 – září/říjen 2011. Rád by som sa podelil s poznatkami, ktoré som získal používaním laboratória ELVIS v školskej praxi s učiteľmi odborných elektrotechnických predmetov na iných školách zameraných na elektrotechniku. V článku sú opísané vlastnosti aj použitie meracích prístrojov, ktoré neboli spomenuté v predchádzajúcom článku alebo boli opísané veľmi stručne.
Merací prístroj slúži na zobrazovanie voltampérových charakteristík pasívnych dvojpólov. Pasívne súčiastky sa pripájajú k svorkám DMM/Impedance Analyzer DUT+ a DUT-. Pri snímaní VACH diód musíme anódu pripojiť k DUT+ a katódu k DUT-, pri snímaní VACH stabilizačných diód katódu k DUT+ a anódu k DUT-. Na obr. 1 je VACH telefónnej žiarovky 6 V/50 mA, na obr. 2 VACH kremíkovej diódy KA 206 a na obr. 3 VACH stabilizačnej diódy KZ 260/7V5.
Obr. 1
Obr. 2
Obr. 3
Merací prístroj slúži na zobrazovanie fázorového diagramu pasívnych impedančných dvojpólov v Gaussovej rovine. Dvojpóly pripájame k svorkám DMM/ Impedance Analyzer DUT+ a DUT-. Na obr. 4 je znázornený fázorový diagram impedancie zloženej zo sériového zapojenia rezistora, ktorého odpor je 15 kΩ a kondenzátora, ktorého kapacita je 10 nF. Impedancia (Magnitude) má hodnotu 22,41 kΩ, fázový posuv (Phase) má hodnotu 311,08°, odporová zložka – Resistance (R) má hodnotu 14,73 kΩ a rektančná zložka – Reaktance (X) má hodnotu –16,89 kΩ. Výpočtom zistíme, že
Treba si uvedomiť, že fázový posuv je znázornený od 0° do 360°. Keď chceme dostať skutočnú hodnotu fázového posuvu, musíme odpočítať 360° od hodnoty uvedenej na analyzátore.
ϕ = 311,08°– 360° = -48,92° obvod má kapacitný charakter.
Obr. 4
Vypočítane hodnoty sa od nameraných mierne líšia, čo je spôsobené toleranciami súčiastok. Konkrétne hodnota odporu rezistora je 14,73 kΩ a kapacita kondenzátora je 9,42 nF. Na prístroji môžeme nastaviť frekvenciu – Measurement Frequency.
V časti Graph Setting volíme pomocou Visible Section tú časť grafu, ktorá nás zaujíma. Tým sa zlepší prehľadnosť zobrazenia. V časti Mapping nastavíme spôsob zobrazenia.
Tieto prístroje slúžia na zobrazovanie činnosti číslicových obvodov. Digital Writer (obr. 5) je 8bitový zdroj logických úrovní a Digital Reader (obr. 6) je indikátor logických úrovní, Číslicový obvod sa pripája k digitálnym vstupom a výstupom DIO 0 až DIO 23. Vstupy volíme podľa nastavenia v časti Lines to Write 0–7, teda DIO 0 až DIO 07. Výstupy volíme podľa nastavenie prístroja v časti Lines to read 8–15, teda DIO 08 až DIO 015. Samozrejme, že môžeme voliť aj iné skupiny vstupov a výstupov. Ako príklad uvádzam analýzu jednoduchého kombinačného obvodu.
Obr. 5
Obr. 6
Ide o generátor ľubovoľného priebehu, ktorý má implicitne nastavené rôzne priebehy ktorých amplitúdu, frekvenciu, offset a napríklad fázový posuv pri sínusovom a inú veličinu, napr. časovú konštantu pri exponenciálnom priebehu môžeme nastavovať podľa potreby. Okrem toho umožňuje matematickou formou zadať akýkoľvek priebeh, ktorý vieme matematicky definovať.
Obr. 7
Obr. 8
Činnosť AWG si ukážeme na dvoch príkladoch. Najprv použijeme už nastavené priebehy, ku ktorým sa dostaneme tak, že na čelnom paneli – obr. 7 klinkneme v časti Waveform Editor na Click to Launch. Otvorí sa okno, ktoré je na obr. 8. Označíme Library, potom klinkneme na New Component. Objaví sa ponuka priebehov, ktorých zoznam je na obr. 9 v časti Function Library. Vyberieme exponenciálny priebeh – Falling Exp. Môžeme nastaviť amplitúdu, jednosmernú zložku, frekvenciu a pri tomto priebehu časovú konštantu τ. Klinkneme hore na File, potom na Save as. Otvorí sa okno Choose File Type, klikneme na Next. Otvorí sa okno Save Waveform File, klikneme na Next. Pomenuje priebeh menom, pod ktorým ho chceme uložiť, napríklad Falling Exp.
Obr. 9
Tým sme priebeh uložili na používanie. Keď chceme priebeh použiť, na čelom paneli AWG zaškrtneme v časti Waveform Setting Enabled pri AO 0 alebo AO 1. Klinkneme vpravo od Waveform Name (< Empty >) na žltý symbol zložky, čím otvoríme knižnicu priebehov uloženú v pamäti. Zvolíme priebeh, ktorý potrebujem. Na obrazovke sa po spustení prístroja tlačidlom Run objaví zvolený priebeh. Na úpravu priebehu použijeme časť Timing and Triggerin Settings, kde v okienku Update Rate nastavíme počet vzorkov za sekundu. Teraz si opíšeme, ako stvoriť vlastný priebeh. Klikneme na New Segment, potom na New Component. Zaškrtneme Expression a do okienka napíšeme požadovanú funkciu. Zvolil som priebeh, ktorý je zložený z prvých troch harmonický obdĺžníkového signálu. Jeho vzorec vyzerá takto: f(x) = sin(2 ∙ pi ∙ 1000 ∙ x) + 0,333 ∙ sin(2 ∙ pi ∙ 3000 ∙ x) + 0,2 ∙ sin(2 ∙ pi ∙ 5000 ∙ x) – pozor na syntax. Klikneme do časti vľavo dole na rovnicu priebehu, objaví sa priebeh. Nastavíme X Range: od 0,0000 do 0,0010, počet cyklov: 100,0000. Zopakuje celý proces opísaný v predchádzajúcej časti od File. Priebeh je zobrazený pomocou osciloskopu a je na obr. 10. Výstup generátora je v ľavej časti kontaktného poľa na okraji dosky ELVIS a je označený Analog Output AO 0 a AO 1.
Obr. 10
Ďalším prístrojom je zdroj kladného a záporného napätia ±0 V až ±12 V. Nastaviť napätie môžeme pomocou gombíkov, napísaním požadovanej hodnoty napätia do okienka pod gombíkmi a nakoniec šípkami hore a dole v okienku. Okrem týchto nastavení môžeme zvoliť manuálne ovládanie zaškrtnutím okienka Manual. Potom regulujeme napätie gombíkmi, ktoré sú umiestnené v pravej časti laboratória ELVIS. Manuálne riadenie je signalizované kontrolkou. Čelný panel zdroja je na obr. 11.
Obr. 11
Okrem bežného režimu umožňuje zdroj aj rozmietanie napätia. V časti Sweep Setting nastavíme v okienku Supply Source, či chceme rozmietať zdroj kladného alebo záporného napätia. V okienku Start Voltage nastavíme počiatočnú hodnotu rozmietaného napätia a v okienku Stop Voltage konečnú hodnotu rozmietaného napätia. V okienku Step krok, ktorým chceme meniť napätie a v okienku Step Interval čas, ktorý je potrebný na zmenu o jeden krok. Tento zdroj nastavený na ±6 V bol použitý na napájanie OZ v časti 5.
Je to prístroj určený na zobrazenie výkonového spektra signálu a na určenie hodnoty SINAD. Pojem SINAD je používaný hlavne v oblasti rádiokomunikačných zariadení na hodnotenie prenosových pomerov. Najviac sa používa pri hodnotení citlivosti prijímačov. Umožňuje posúdiť odstup výkonu užitočného signálu od výkonov rušivých signálov šumu a skreslenia. SINAD je definovaný ako pomer celkového výkonu (signál + šum + skreslenie) k nežiadúcemu výkonu (šum + skreslenie). Hodnota SINAD má byť čo najväčšia. V praxi sa udáva v dB podľa vzťahu
Analyzovali sme signál na výstupe APO s OZ. Z analyzátora sa dá odčítať základná frekvencia f = 2427,74 Hz, hodnota SINAD = 8,10 dB, THD = 42,23 % a maximálna hodnota signálu, ktorý je zobrazený v dolne časti analyzátora je Upeak = 4,65 V. Výsledok analýzy je na obr. 12.
Obr. 12
Pretože ide o málo známy prístroj, v školskej praxi nájde najväčšie uplatnenie ako merač THD pri meraní zosilňovačov, oscilátorov apod. Myslím si, že firma National Instruments mohla dynamický analyzátor signálov nahradiť spektrálnym analyzátorom, ktorý má oveľa širšie použitie v praxi a je využiteľný aj pri výučbe na stredných školách (spektrum AM a FM, spektrum nesínusových signálov napr. z multivibrátora atď.).
Ide o dvojkanálový digitálny osciloskop, ktorý má univerzálne použitie. Použitie je všeobecne známe, preto sa zamerám iba na funkcie, ktorý bežný osciloskop nemá.
Obr. 13
Veľkou výhodou je možnosť voľby zdroja signálu. Napríklad máme obvod, v ktorom chceme sledovať priebehy v piatich bodoch schémy. Pripojíme na zbernicu vstupov postupne všetky miesta tak, aby zodpovedali vstupom AO 0 až AO 4. Potom v časti Source volíme jednotlivé vstupy. Môžeme kombinovať zobrazenie podľa potreby napr. tak, že na kanál CH 0 pripojíme vstup AO 2 a na kanál CH 1 vstup AO 4. Na obr. 13 je zobrazený priebeh vstupného a výstupného signálu derivačného obvodu. Vstupný signál bol generovaný generátorom funkcií.
Je to generátor sínusového, trojuholníkového a obdĺžníkového signálu s možnosťou nastavenia parametrov priebehu.
Okrem bežného režimu umožňuje generátor aj rozmietanie frekvencie. V časti Sweep Setting nastavíme v okienku Start Frequency počiatočnú hodnotu rozmietania frekvencie, v okienku Stop Frequency konečnú hodnotu rozmietania frekvencie, v okienku Step krok, ktorým chceme meniť frekvenciu a v okienku Step Interval čas, ktorý je potrebný na zmenu frekvencie o jeden krok. Generátor umožňuje nastaviť amplitúdu, frekvenciu, typ priebehu, jednosmernú zložku, striedu pri trojuholníkovom a obdĺžníkovom napätí, a moduláciu AM alebo FM. Frekvenciu a amplitúdu môžeme nastavovať aj manuálne, keď zaškrtneme Manual mode. Potom ovládame generátor gombíkmi na pravej strane laboratória ELVIS. Manuálny mód je indikovaný pomocou LED.
Obr. 14
Prototypové laboratórium ELVIS firmy National Instruments je univerzálnym a multifukčným zariadením, ktoré má široké uplatnenie v školskej praxi. Veľkou výhodou je integrácia množstva prístrojov do jedného celku. Je to skutočne prenosné laboratórium, ktoré môže putovať spolu s učiteľom po učebniach a v každej využiť práve to, čo potrebuje.
Nie je problém pripraviť si zapojenia dopredu a potom ich demonštrovať. Výhodou je to, že ide o skutočné obvody, nie o simuláciu. Môžem iba doporučiť každej škole, aby si toto laboratórium zakúpilo. Pomer ceny a úžitkovej hodnoty je veľmi priaznivý. Aj touto cestou by som rád poďakoval firme CADware Liberec za požičanie laboratória ELVIS. Všetkým budúcim používateľom želám veľa úspechov pri zavádzaní laboratória na svojej škole
