Meranie charakteristík nf zosilňovačov pomocou LabVIEWdiplom.utc.sk/wan/725.pdf · VI – (Virtual Instrument) virtuálny prístroj Symboly AU – napäťové zosilnenie C1, C2

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Meranie charakteristík nf zosilňovačov pomocou LabVIEW

DIPLOMOVÁ PRÁCA

Bc. Miroslav Stančík

ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií

Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE

Vedúci diplomovej práce: Ing. Anna Kondelová

Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: 19. 5. 2006

ŽILINA 2006

Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta,

1


Katedra telekomunikácií

A n o t a č n ý z á z n a m

Priezvisko a meno : STANČÍK Miroslav Školský rok: 2005/2006 Názov práce: Meranie charakteristík nf zosilňovačov pomocou LabVIEW Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií Počet strán:........47........Počet obrázkov:......40......Počet tabuliek:......1........... Počet grafov:…....…......Počet príloh:.............7........Použitá lit.:...........15.......... Anotácia v slovenskom (českom) jazyku: Táto diplomová práca sa zaoberá teoretickým popisom nf zosilňovačov, v zapojení so

spoločným emitorom a v zapojení emitorového sledovača, ich návrhom a vybranými

zapojeniami. Merania a simulácie jednotlivých zapojení zosilňovačov sú realizované

prostredníctvom vývojového prostredia LabVIEW a systému NI ELVIS.

Anotácia v cudzom jazyku ( angl. resp. nemecký): This graduation assignment deals with theoretical description of low-frequency amplifier,

in connection with shared emitter and in connecting of emitter follower, their design and

other chosen connections. Measurements and simulations of concrete amplifiers’

connections are realized by evolutional environment called LabVIEW and system called

NI ELVIS.

Kľúčové slová: LabVIEW, NI ELVIS, zosilňovač, simulácia, tranzistor, virtuálny prístroj, DAQ hardvér, softvér Vedúci práce: Ing. Anna Kondelová Recenzent: Ing. Iveta Ondrášová CSc. Dátum odovzdania práce: 19. 5. 2006

2

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Abstrakt Diplomová práca sa venuje simulácii a konkrétnym meraniam nízkofrekvenčných

zosilňovačov v zapojení so spoločným emitorom a v zapojení emitorového sledovača.

Simulácie sú realizované pomocou programu LabVIEW, ktorý sa využíva v meracej

technike pri návrhu a následnej konštrukcii tzv. virtuálnych prístrojov. Samotné merania

sú realizované na systéme NI ELVIS, ktorý je určený na meranie konkrétnych zapojení

prostredníctvom počítača. V teoretickej časti je popísaný program LabVIEW a systém NI

ELVIS. Ďalšia časť je venovaná všeobecnému návrhu zosilňovačov a emitorového

sledovača s unipolárnym aj bipolárnym tranzistorom. Praktická časť je venovaná

simuláciám vybraných zapojení a ich konkrétnym meraniam na systéme NI ELVIS.

Výsledky sú zobrazené prostredníctvom grafov a tabuliek. V závere sú zhrnuté praktické

výsledky simulácií a reálnych meraní a využitie diplomovej práce v praxi, ako pomôcka

pre študentov pri štúdiu predmetu laboratórne cvičenia z elektroniky, poprípade pri

samoštúdiu zo vzdelávacieho servera.

My graduation assignment is attended to (deals with) simulation and concrete

measurement of low-frequency amplifier in connection (connecting) with common

(shared) emitter and in a connection of emitter follower.

Simulations are realized by the help of a program called LabVIEW, which is made use of

in metering technique, where virtual instruments are designed and post-constructed. This

measuring by itself is realized in system called NI ELVIS, which is designed for

measuring of concrete connecting by of computer. There are the program LabVIEW and

the system NI ELVIS described in theoretical part. The next part is devoted to general

design of amplifiers and emitter follower with unipolar transtrictor and also bipolar

transistor.

There are few simulations of chosen connections and their concrete measuring

(measurements) by NI ELVIS system, in the practical part. Findings (outcomes, results,)

are shown by of graphs and tables. In conclusion, there are practical outcomes of

simulations and realistic measurements also making use of diploma assignment in use

summarized , as a help for students studying subject called Laboratory seminars of

electronics, eventually (possibly/if appropriate) as a help to those self-educated from

education server.

3

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Obsah 1 Úvod ........................................................................................................................... 1

2 Úvod do vývojového prostredia LabVIEW............................................................ 2

2.1 Základný popis programu LabVIEW.................................................................... 2

2.2 Programovanie v jazyku G (Graphical language) ............................................... 2

2.3 Virtuálne prístroje ................................................................................................ 3

3 DAQ systémy............................................................................................................. 6

3.1 Multifunkčné karty (DAQ karty)........................................................................... 6

3.2 Meranie a jeho základné fázy ............................................................................... 7

3.3 DAQ systém ......................................................................................................... 7

3.3.1 Multifunkčná karta NI PCI 6221................................................................. 8

3.3.2 Popis systému NI ELVIS............................................................................. 11

3.3.3 DAQ Hardvér v NI ELVIS systéme............................................................ 12

3.3.4 Pracovná stanica NI ELVIS......................................................................... 12

3.3.5 NI ELVIS prototypová doska...................................................................... 15

3.3.6 Predné paneli systému NI ELVIS................................................................ 17

4 Všeobecný návrh zapojení s unipolárnym a bipolárnym tranzistorom............... 23

4.1 Popis nf zosilňovača s unipolárnym tranzistorom................................................ 23

4.2 Popis nf zosilňovača s bipolárnym tranzistorom.................................................. 23

4.3 Nastavenie pracovného bodu tranzistora v zosilňovači........................................ 24

4.4 Návrh zosilňovača s bipolárnym tranzistorom...................................................... 24

4.5 Návrh zosilňovača s unipolárnym tranzistorom ................................................... 27

4.6 Návrh emitorového sledovača s bipolárnym tranzistorom.................................... 28

5 Simulácie vybraných zapojení................................................................................. 29

5.1 Simulácia napäťového zosilnenia nf zosilňovača s unipolárnym tranzistorom.... 29

5.2 Simulácia napäťového zosilnenia nf zosilňovača s bipolárnym tranzistorom 1... 30

5.3 Simulácia napäťového zosilnenia nf zosilňovača s bipolárnym tranzistorom 2... 31

5.4 Simulácia napäťového zosilnenia emitorového sledovača s unipolárnym

tranzistorom..........................................................................................................

32

5.5 Simulácia nastavenia pracovného bodu nf zosilňovača s bipolárnym

tranzistorom..........................................................................................................

32

4

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 5.6 Simulácia nastavenia pracovného bodu nf zosilňovača s unipolárnym

tranzistorom..........................................................................................................

33

5.7 Simulácia frekvenčnej charakteristiky zosilňovača s unipolárnym

tranzistorom..........................................................................................................

34

5.8 Simulácia frekvenčnej charakteristiky zosilňovača s bipolárnym tranzistorom... 35

5.9 Simulácia výstupnej V – A charakteristiky zosilňovača....................................... 35

6 Návrh a postup pri meraní vybraných zapojení s unipolárnym a bipolárnym

tranzistorom.............................................................................................................. 37

6.1 Nízkofrekvenčný zosilňovač s bipolárnym tranzistorom KC 507 ....................... 37

6.2 Nízkofrekvenčný zosilňovač s unipolárnym tranzistorom KF 521 ...................... 38

6.3 Emitorový sledovač s unipolárnym tranzistorom KF 521.................................... 39

6.4 Emitorový sledovač s bipolárnym tranzistorom KC 507...................................... 40

6.5 Postup pri meraní vybraných zapojení ................................................................. 41

6.5.1 Meranie V – A charakteristiky tranzistora KC 507..................................... 41

6.5.2 Zobrazenie grafického priebehu vstupného a výstupného signálu na

osciloskope a meranie prevodovej charakteristiky...................................... 41

6.5.3 Meranie frekvenčnej charakteristiky............................................................ 42

6.5.4 Meranie pracovného bodu zosilňovača........................................................ 43

7 Tolerančná analýza obvodových prvkov a napájacích napätí.............................. 44

8 Návrhy VI meraní nf zosilňovačov a emitorového sledovača............................... 45

9 Záver.......................................................................................................................... 46

10 Zoznam použitej literatúry.................................................................................... 47

5

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Zoznam obrázkov

Obrázok 3.1 Príklad zapojenia DAQ systému

Obrázok 3.2 Rozmiestnenie pinov multifunkčnej karty NI PCI 6221 (68-Pin)

Obrázok 3.3 Systém NI ELVIS 1

Obrázok 3.4 Systém NI ELVIS 2

Obrázok 3.5 Súčasti pracoviska systému NI ELVIS

Obrázok 3.6 Pracovná stanica NI ELVIS

Obrázok 3.7 Predný panel pracovnej stanice NI ELVIS

Obrázok 3.8 Prototypová doska NI ELVIS

Obrázok 3.9 Instrument Launcher (Prístrojový spúšťač)

Obrázok 3.10 Digital Multimeter DMM

Obrázok 3.11 Oscilloscope Scope

Obrázok 3.12 Function Generator FGEN

Obrázok 3.13 Bode Analyzer

Obrázok 3.14 Three – wire current voltage analyzer

Obrázok 4.1 Charakteristiky zosilňovača s bipolárnym tranzistorom

Obrázok 4.2 Príklad zapojenia zosilňovača s bipolárnym tranzistorom

Obrázok 4.3 Charakteristiky zosilňovača s unipolárnym tranzistorom

Obrázok 4.4 Príklad zapojenia zosilňovača s unipolárnym tranzistorom

Obrázok 4.5 Príklad zapojenia emitorového sledovača s bipolárnym tranzistorom

Obrázok 5.1 Predný panel prístroja Simulácia napäťového zosilnenia nf zosilňovača

Obrázok 5.2 Blokový diagram prístroja Simulácia napäťového zosilnenia nf zosilňovača

Obrázok 5.3 Predný panel prístroja Simulácia napäťového zosilnenia nf zosilňovača 1

Obrázok 5.4 Blokový diagram prístroja Simulácia napäťového zosilnenia nf zosilňovača 1



Obrázok 5.7 Predný panel prístroja Napäťové zosilnenie emitorového sledovača

Obrázok 5.8 Blokový diagram prístroja Napäťové zosilnenie emitorového sledovača

Obrázok 5.9 Predný panel prístroja Nastavenie pracovného bodu nf zosilňovača 1

Obrázok 5.10 Blokový diagram prístroja Nastavenie pracovného bodu nf zosilňovača 1



6

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Obrázok 5.13 Predný panel prístroja Frekvenčná charakteristika zosilňovača 1

Obrázok 5.14 Blokový diagram prístroja Frekvenčná charakteristika zosilňovača 1

Obrázok 5.15 Predný panel prístroja Frekvenčná charakteristika zosilňovača 2


Obrázok 5.17 Predný panel prístroja V - A charakteristika zosilňovača

Obrázok 5.18 Blokový diagram prístroja V – A charakteristika zosilňovača

Obrázok 6.1 Schéma nf zosilňovača v mostíkovom zapojení so spoločným emitorom 1


Obrázok 6.3 Schéma emitorového sledovača 1


Tabuľka 3.1 Analógové prepojenie vstupných signálov

7

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Zoznam skratiek a symbolov

Skratky

A/D – analógovo / digitálny

AC – striedavé veličiny

ADC – analógovo digitálny prevodník

AI – (analog input) analógový vstup

AO – (analog output) analógový výstup

API – (Application Program Interface) aplikačné programovacie rozhranie

BNC – (Bayonet Neill-Concelman) konektor

CMRR – (common mode rejection ratio) činiteľ potlačenia súčtového signálu

DAC – digitálne analógový prevodník

DAQ - (Data Acquisition) zber dát

DC – jednosmerné veličiny

DIO – (digital input / output) digitálny vstup / výstup

DMA – (direct memory access) priamy prístup do pamäte

DMM – (digital multimeter) digitálny multimeter

D-SUB – konektor

FET - (Field Efect Transistor) tranzistor riadený elektrickým poľom

FGEN (function generator) funkčný generator

G – (Graphical language) grafický jazyk

GND – (ground) zem

GUI – (Graphical User Interface) grafické užívateľské rozhranie

HI – kladný vstup

CH – (channel) kanál

I/O – (input / output) vstup / výstup

LabVIEW - Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench

LED – (light-emitting diode)svetlo emitujúca dióda

LO – záporný vstup

NI – (National Instruments) názov spoločnosti

NI ELVIS – (NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite) Virtuálna

laboratórna vzdelávacia prístrojová súprava

NMOS – (N-channel metal-oxide semiconductor) unipolárny tranzistor s N kanálom

PCI – (Peripheral Component Interconnect) konektor pre pripojenie periférnych zariadení

8

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– PXI – (extended PCI) rozšírená PCI

SFP – (soft front panel)

USB – (universal serial bus) univerzálna sériová zbernica

VI – (Virtual Instrument) virtuálny prístroj

Symboly

AU – napäťové zosilnenie

C1, C2 – vstupný a výstupný kapacitor

CE, CS – emitorové kapacitory

Dhe – determinant

fd – dolná frekvencia

fT – hraničná frekvencia

gm, S – strmosť

he, ye – diferenciálne parametre

IB, IG – bázový prúd

IC, ID – kolektorový prúd

IE, IS – emitorový prúd

R1, R2 – rezistory bázového deliča

RC, RD – kolektorové rezistory

RE, RS – emitorové rezistory

RG – vstupný odpor

RL, RZ – zaťažovacie rezistory

U1, Uin – vstupné napätie

U2, Uout – výstupné napätie

UB, UG – bázové napätie

UBE, UGS – napätie medzi bázou a emitorom tranzistora

UCC, UDD – napájacie napätie

UCE, UDS – napätie medzi kolektorom a emitorom tranzistora

XC – impedancia

Zvst – vstupná impedancia

ω – uhlová frekvencia

9

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 1 Úvod

V dnešnej dobe sa už veľa konštruktérov a návrhárov rôznych elektrotechnických

systémov a elektronických zapojení uberá cestou, kde využíva moderné technológie. Či

už ide o softvérové alebo aj hardvérové prvky. Tieto prvky vďaka technickému pokroku

dostávajú ďaleko väčšie možnosti využitia ako v minulosti. Takisto nám tieto prvky

podstatne urýchľujú a zjednodušujú prácu. Je rozdiel, keď nám danú charakteristiku

priamo vykreslí počítač na monitore alebo tlačiarni, a keď si ju musíme sami prácne

zmerať a nakresliť. Ide len o to, aby sme vhodne zosúladili technické a programové

vybavenie. Takéto riešenie sa čoraz viac začína presadzovať v rôznych spoločnostiach,

ktoré sa zaoberajú vývojom nových obvodov a zapojení, pretože je možné si navrhnuté

zapojenia bez problémov odsimulovať a prípadne ďalej dolaďovať, či už na doske

s prepojovacím poľom alebo úplne virtuálne. Toto riešenie sa čoraz viac dostáva aj do

mnohých univerzít a výnimkou nie je ani naša. Študenti sa môžu na rôznych

laboratórnych cvičeniach zoznámiť s týmito prvkami návrhu a sami si skúsiť výhody.

Jednou z takýchto možností je aj program LabVIEW a jeho prídavné hardvérové prvky.

Ja sa budem v tejto práci zaoberať prevažne meracím systémom NI ELVIS, ktorý je

prakticky študentskou verziou meracieho zariadenia, ktoré prostredníctvom karty

v počítači, tzv. DAQ karty, využíva prvky programu LabVIEW na rôzne merania.

10

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 2 Úvod do vývojového prostredia LabVIEW

2.1 Základný popis programu LabVIEW LabVIEW (Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench) je vývojové

programovacie prostredie, určené predovšetkým pre návrh, simulácie, meranie

a testovanie rôznych systémov a zapojení. Je veľmi podobné modernému prostrediu C

alebo Basic a LabWindows/CVI. Prostredie LabVIEW sa však od nich odlišuje v jednej

základnej funkcii. LabVIEW používa programovací jazyk G (Graphical language),

k vytváraniu programov vo forme blokových diagramov, zatiaľ čo ostatné programovacie

systémy používajú programovacie jazyky postavené na základe textových príkazov.

LabVIEW, rovnako ak C alebo Basic, je programovací systém pre všeobecné použitie

s rozširujúcimi knižnicami funkcií pre akúkoľvek programovaciu úlohu. LabVIEW

obsahuje knižnice pre získavanie dát a ovládače GBIP a sériového rozhrania, pre analýzu

a prezentáciu dát a pre ich uchovanie. Ďalej obsahuje klasické programovacie nástroje,

ktorými je možné nastaviť miesta prerušenia behu programu, nastaviť animovanie

vykonávania príkazov, pomocou ktorého je dobre viditeľný prechod dát programom

a krokovanie programu pre jednoduchšie odlaďovanie a vývoj. LabVIEW obsahuje

vstavané knižnice pre tzv. DAQ karty (Data Acquisition) a systémy na báze VXI

zbernice.

LabVIEW je systém určený pre všeobecné programovacie účely, ale naviac obsahuje

knižnice funkcií a vývojové nástroje, špeciálne navrhnuté na ovládanie prístrojov

a získavanie dát. Programy vytvorené v LabVIEW sa nazývajú virtuálne prístroje (Virtual

Instruments), tzv. VIs, pretože ich vzhľad a činnosť pripomína skutočné prístroje.

2.2 Programovanie v jazyku G (Graphical language) Základným zámerom vývojových pracovníkov firmy National Instruments bolo

vyvinúť veľmi efektívny program pre inžinierov. Myšlienka, na ktorej stojí efektivita

vývojového prostredia je, že ten, kto vie, čo merať, ako analyzovať a ako prezentovať

dáta, je technik, ktorý nemusí byť sám skúseným programátorom. Svoje predstavy

predáva programátorovi, obvykle v podobe blokových schém. Programátor túto schému

potom prevádza do syntaxe zvoleného programovacieho jazyka, čo je činnosť pomerne

11

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– zdĺhavá a náročná na presnosť a neprináša už do procesu merania obvykle žiadne nové

informácie.

G je jednoduchý programovací jazyk, ktorý využívame v prostredí LabVIEW.

Jazyk G poskytuje užívateľovi plnohodnotný programovací jazyk so všetkými

odpovedajúcimi dátovými a programovými štruktúrami v grafickej podobe. Jazyk G

uľahčuje vedecké výpočty, monitorovanie procesov, aj ich ovládanie a skúšobné

a meracie aplikácie.

V mojej práci som sa zameral na vývojové prostredie LabVIEW v spolupráci

s multifunkčnou kartou (DAQ board) a systémom NI ELVIS. Všetky tieto súčasti budú

bližšie rozobrané v nasledujúcich kapitolách tejto práce.

2.3 Virtuálne prístroje Virtuálny prístroj, ako základná jednotka aplikácie vytvorenej vo vývojovom

prostredí LabVIEW, obsahuje:

interaktívne grafické rozhranie (Graphical User Interface – GUI) ku koncovému

užívateľovi – tzv. čelný panel (Front Panel), ktorý simuluje čelný panel fyzického

prístroja. Obsahuje prvky pre ovládanie a indikáciu (otočné regulátory, tlačidlá,

LED indikátory, grafy ...). Tento čelný panel ovláda užívateľ pomocou myši alebo

klávesnice

činnosť virtuálneho prístroja je daná jeho blokovou schémou (Block Diagram).

Táto bloková schéma je vytvorená ikonami reprezentujúcimi v koncových

blokoch ovládacie a indikačné prvky čelného panelu a vo svojich uzlových

blokoch sú to bloky spracovávajúce prechádzajúce dáta. Tento blokový diagram je

zdrojovou podobou každej aplikácie.

virtuálny prístroj má hierarchickú a modulárnu štruktúru. Je možné ho používať

ako celý program alebo len jeho jednotlivé podprogramy, ktoré sa nazývajú

podriadené virtuálne prístroje (Sub – VI). Súčasťou každého virtuálneho prístroja

je jeho ikona, ktorou je prezentovaný v blokovej schéme a konektor s prípojnými

miestami pre vstupný a výstupný signál.

Z uvedených vlastností vyplýva, že vývojové prostredie LabVIEW spĺňa

podmienky modulárneho programovania. Zložitú úlohu je možné rozdeliť na niekoľko

pod úloh, pre ktoré si užívateľ vytvára dielčie virtuálne prístroje (SubVIs), pomocou

ktorých je možné vhodným spojením vytvoriť výslednú úlohu. Výhodou je, že každý

12

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– takýto virtuálny prístroj môže fungovať aj samostatne, nezávisle na ostatných častiach

aplikácie. Týmto spôsobom sa podstatne uľahčí odlaďovanie aplikácie. Okrem toho môžu

jednotlivé dielčie virtuálne prístroje riešiť úlohy spoločné pre viacero aplikácií naraz,

takže je možné vytvoriť si vlastnú špecializovanú sadu virtuálnych prístrojov. Cieľom

vývojového prostredia LabVIEW je, aby bola koncovým výsledkom aplikácie bloková

schéma, ktorá sa už ďalej nebude prevádzať do textovej podoby. Výslednú aplikáciu je

možné preložiť do tzv. EXE tvaru, ktorý je možné prevádzkovať nezávisle na vývojovom

prostredí s pomocou jeho Run – Time modulu, ktorý je voľne distribuovateľný.

Aby virtuálny prístroj mohol správne pracovať, a aby plnil účel, na ktorý je

navrhnutý, je nutné doplniť otvorenú architektúru personálneho počítača o niečo, čo mu

chýba k tomu, aby mohol plniť úlohu meracieho prístroja. V oblasti hardvéru je to

zásuvná multifunkčná karta (zásuvná meracia doska, tzv. DAQ board) vybavená

konektorom pre zasunutie tejto karty do základnej dosky personálneho počítača

(historicky sloty ISA, EISA, dnes štandardne PCI zbernice). Úlohou tejto zásuvnej

meracej dosky je prevod meraných analógových signálov na číslo a vstup binárnych

signálov. Táto meracia karta má viacero vstupov a výstupov, na ktoré je možné pripojiť

signály rôzneho charakteru. V mojom prípade sa jedná o kartu NI PCI 6221, ktorá bude

bližšie popísaná neskôr.

V oblasti softvéru je to vhodný program pre počítač, ktorý realizuje všetky

funkcie meracieho prístroja a plní tak úlohu firmvéru meracieho prístroja. Takýmto

spôsobom môžeme zabrániť duplicite, ktorá sa objavuje pri prepojení meracieho prístroja

a počítača.

Súčasťou aplikácie, predstavujúcej virtuálny prístroj, je grafické rozhranie k užívateľovi –

čelný panel virtuálneho prístroja.

Nachádzajú sa tu:

ovládacie prvky pre nastavenie parametrov prístroja (rozsah, meraná veličina...)

indikačné prvky informujúce o výsledkoch merania (konkrétne hodnoty, grafy...)

V tejto práci budeme pod pojmom virtuálny prístroj rozumieť aplikáciu, vytvorenú vo

vývojovom prostredí, vybavenú grafickým rozhraním k užívateľovi, pripomínajúcu čelný

panel meracieho prístroja (obsahujúci ovládacie a indikačné prvky) a využívajúci pre

vstup meraných signálov zásuvnú multifunkčnú kartu alebo komunikáciu s prístrojom

pripojeným cez komunikačné rozhranie tejto karty.

13

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Filozofia virtuálnych meracích prístrojov je veľmi progresívna, lebo umožňuje pri

zachovaní výkonnostných parametrov klasickej meracej techniky vytvárať prístroje,

ktorých funkcie presne odpovedajú požiadavkám užívateľa, pretože sú realizované

softvérovo. Naviac, táto koncepcia umožňuje dopĺňať ďalšie funkcie podľa narastajúcich

a meniacich sa potrieb koncového užívateľa. Cena takto vytváraných meracích prístrojov

býva nižšia, ako je cena klasickej analógovej meracej techniky. Navyše je možné

kedykoľvek zmenou programu vytvoriť iný merací prístroj alebo upraviť vlastnosti toho

pôvodného.

Pri spojení meracieho prístroja a počítača cez rozhranie alebo pri vytváraní virtuálnych

meracích prístrojov, vedľa hardvérových prostriedkov v podobe počítača a prídavných

kariet, hrá čím ďalej tým významnejšiu úlohu softvér – stáva sa kľúčovým komponentom

meracieho systému.

Podrobnejšie v literatúre [1] [2] [3]

14

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 3 DAQ systémy

3.1 Multifunkčné karty (DAQ karty) Zásuvné multifunkčné karty, doplňujúce pre účely merania architektúru

personálneho počítača, majú obmedzenie hlavne v niektorých parametroch. A to v

dosiahnuteľnej vzorkovacej frekvencii, pri súčasnom snímaní hodnôt z viacerých kanálov

a vo veľkosti maximálnych napätí a prúdov. Toto obmedzenie rýchlosti merania je

u zásuvných multifunkčných kariet dané predovšetkým použitou architektúrou A/D

prevodníka, šírkou a časovaním zbernice medzi kartou a počítačom a samotným

vyhotovením karty. Na trhu je dostupných viacero typov kariet, pričom sa odlišujú

počtom pinov na zadnej strane karty, počtom vstupno-výstupných kanálov, rôznou

citlivosťou a maximálnymi hodnotami napätia a prúdu. Pri výbere vhodnej karty musíme

brať do úvahy parametre meraní, ktoré chceme na danej karte realizovať. Od týchto

parametrov sa odvíja aj cena multifunkčných kariet.

Pre prekonanie tohto obmedzenia je k dispozícii špeciálna architektúra meracích

systémov – systémy na báze VXI zbernice. Architektúra týchto systémov je tvorená tzv.

mainframe (t.j. slot s napájacím zdrojom a zbernicou o šírke 32 bitov, prepojujúci až 13

pozícií v tomto slote). Na pozícii 0 sa do tohto slotu osadzuje buď jednodoskový počítač,

alebo konvertor VXI zbernice na protokol GPIB, s následným prepojením na riadiaci

počítač, vybavený kartou GPIB. Do zvyšných pozícii v slote sa zasúvajú meracie prístroje

v redukovanej podobe zásuvných modulov (nemajú ani čelný panel s ovládacími

prvkami, ale len konektory pre pripojenie meraných signálov). Zbernica VXI sa

vyznačuje veľkou priepustnosťou a presným časovaním (spúšťania merania), malými

rozmermi, nižšou náchylnosťou k ovplyvneniu merania rušivými signálmi, dlhšou

strednou dobou medzi opravami a kratšou dobou opravy.

Nevýhodou týchto meracích systémov je ich vyššia cena. Preto bola vyvinutá

podobná technológia, ale založená na klasickom PCI rozhraní – meracie systémy na báze

PXI (extended PCI for Instrumentation) – vychádza sa tu zo štandardnej PCI zbernice, ale

základ (mainframe) týchto systémov umožňuje integráciu viacerých meracích kariet

s využitím špeciálnych signálov pre synchronizáciu merania.

15

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 3.1 Meranie a jeho základné fázy

Proces merania je možné rozdeliť do troch nasledujúcich fáz:

1. Fáza zberu dát alebo riadenie technologického procesu

2. Fáza analýzy nameraných dát

3. Fáza prezentácie nameraných a analyzovaných dát

V prvej fáze procesu merania sa jedná o získavanie tzv. surových dát – obvykle sa

tu, v meracích systémoch modernej koncepcie, jedná o prevod meranej veličiny na

elektrický signál, nesúci informáciu o meranej veličine a jeho prevod na číselnú hodnotu.

Následne je táto informácia predaná počítaču a uložená do pamäti, spracovaná či

zobrazená na displeji.

V druhej fáze procesu merania obvykle nastáva potreba odstránenia nežiaducich

zložiek meraných signálov (odstránenia rušenia), štatistického vyhodnotenia (napr.

výpočet strednej či efektívnej hodnoty), výpočet nepriamo meraných veličín z veličín

meraných (napr. nepriame meranie odporu meraním napätia a prúdu) a podobne.

V tretej fáze je potreba namerané a analyzované hodnoty prezentovať v tvare napr.

protokolu z merania, grafov, uložením do textových dátových súborov a podobne.

3.3 DAQ systém Stavebné prvky DAQ systému zahrňujú nasledujúce položky:

snímacie zariadenie – zariadenie, ktoré mení fyzické úkazy, ako sú svetlo, teplota,

tlak alebo zvuk, na merateľný elektrický signál, ako sú napätie alebo prúd

signál - produkt DAQ systémového snímača

upravovač signálu – hardvér, ktorý môžeme pripojiť k DAQ zariadeniu, na úpravu

signálov, vhodných pre meranie, zlepšenie presnosti a redukcie šumu. Príklady

úpravy signálu: rozšírenie, linearizácia, filtrovanie.

DAQ hardvér - hardvér, ktorý získava, meria a analyzuje dáta

softvér - NI aplikačné programy sú navrhnuté k tomu, aby pomohli ľahko

navrhnúť a programovať merania a riadenie aplikácií

16


17

.

Obrázok 3.1 Príklad zapojenia DAQ systému

DAQ zariadenie ma štyri štandardné elementy:

analógový vstup (AI)

analógový výstup (AO)

digitálny I/O (DIO)

počítadlo/časovač

3.3.1 Multifunkčná karta NI PCI 6221

ultifunkčnej karty NI PCI 6221 (68-Pin)

Stručn

.............. ....8 diferenciálnych alebo 16 jednotlivo zakončených kanálov

Obrázok 3.2 Rozmiestnenie pinov m

á charakteristika:

Analógový vstup

Počet kanálov

NI 6221 ..........

ADC ............................... 16 bitový A/D prevodník

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Frekvencia vzorkovania

...250 KS/s

frekvencie vzorkovania

V, ±5 V,

vstupy ................ ±11 V voči AI GND

..............>10 GΩ paralelne s 100 pF

..............820 Ω

......–75 dB

a (–3 dB)......700 kHz

až pre dva AI piny

A na AI pin

nalógový výstup

........................2

bitový D/A prevodník

maximum .......................

minimum............................0 S/s

časovacia presnosť ............50 ppm

časové rozlíšenie ...............50 ns

Vstupná väzba .....................DC

Vstupný rozsah ....................±10

±1 V, ±0.2 V

Maximálne pracovné napätie pre analógové

CMRR (DC 60 Hz)...............95 dB

Vstupná impedancia

zapnuté zariadenie

AI+ ku AI GND......

AI– ku AI GND....................>10G Ω paralelne s100 pF

vypnuté zariadenie

AI+ ku AI GND......

AI– ku AI GND ...................820 Ω

Presluchy (pri 100 kHz)

susedné kanály ...............

nesusedné kanály ................–90 dB

Signál s malou amplitúdou šírka pásm

Vstupná - výstupná rýchlosť ..........4,095 vzorky

Prenos dát..............................DMA

zariadenie zapnuté .................±25 V

zariadenie vypnuté .................±15 V až pre dva AI piny

Vstupný prúd počas prepäťovej podmienky.....max ±20 m

A

Počet kanálov

NI 6221...........

DAC .......................................16

18

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Maximálna obnovovacia rýchlosť

S/s

a kanál

vzorkovania

zoriek medzi používanými kanálmi

1 kanál ....................................833 k

2 kanály ..................................740 kS/s n

3 kanály ..................................666 kS/s na kanál

4 kanály .................................625 kS/s na kanál

časová presnosť .....................50 ppm frekvencie

časové rozlíšenie ...................50 ns

Výstupný rozsah ...................±10 V

Výstupná väzba ........................DC

Výstupná impedancia ..............0.2 Ω

Výstupný prúd mechaniky.......±5 mA

Budenie ochrany .....................±25 V

Budiaci prúd............................10 mA

Zapnutý stav...........................±20 mV

Výstupná FIFO veľkosť ...........8,191 v

Prenos dát .................................DMA

19

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 3.3.2 Popis systému NI ELVIS

. LabVIEW program

ý kábel

IS dosky

dosky

rázok 3.3 Systém NI ELVIS 1

. Pohotovostný vypínač pracovnej stanice

k 3.4 Systém NI ELVIS 2

1

2. DAQ zariadenie

3. 68-Pin E/M sériov

4. NI ELVIS doska

5. Konektor NI ELV

6. Napájací vypínač NI ELVIS

7. NI ELVIS pracovná stanica

Ob

1

2. AC-DC konektor sieťového napájania

3. 68-Pin DAQ konektor zariadenia

4. Nosný držiak prototypovej dosky

5. Kensington bezpečnostný otvor

Obrázo

20


Obrázok 3.5 Súčasti pracoviska systému NI ELVIS

.3.3 DAQ Hardvér v NI ELVIS systéme

činnosť s DAQ zariadeniami, série E.

Na pou k NI

vače

NI ELVIS tiež podporuje 64 AI kanálové DAQ zariadenia, keď použijeme vhodné

.3.4 Pracovná stanica NI ELVIS

3

NI ELVIS je navrhnutý na spoločnú

žívanie NI ELVIS, DAQ zariadenie inštalované do počítača a pripojené

ELVIS hardvéru, musí mať nasledovné minimálne požiadavky:

16 AI kanálov

dva AO kanály

osem DIO liniek

dve počítadlá/časo

káblové pripojenie. NI ELVIS nepodporuje DIO zariadenia alebo NI DAQPad-6020E pre

USB.

3

Obrázok 3.6 Pracovná stanica NI ELVIS

21


NI ELVIS pracovná stanica a DAQ zariadenie spolu tvoria kompletný skúšobný

systém

. Systémová LED

a dosky

oj

tory

3.7 Predný panel pracovnej stanice NI ELVIS

racovná stanica má nasledovné riadiace prvky a indikátory:

apnuté

ftvérovej kontroly nad NI

é

. Ovládací panel na pracovnej stanici poskytuje ľahko obslužné nastavenie pre

funkčný generátor a variabilné napájania. Taktiež ponúka vhodné pripojenie vo forme

BNC a tzv. banana konektorov, na NI ELVIS osciloskop SFP (predného panelu) a NI

ELVIS - DMM SFP. NI ELVIS softvér smeruje signály v NI ELVIS pracovnej stanici

medzi SFP zariadeniami. Napríklad, výstup funkčného generátora môže byť priradený ku

špecifickému kanálu DAQ zariadenia a napokon získaný na želanom kanáli NI ELVIS v

oblasti SFP. Pracovná stanica tiež obsahuje ochrannú dosku, ktorá chráni DAQ

zariadenie pri možnom poškodení, ktoré vyplýva zo skúšobných chýb.

1

2. Vypínač napájani

3. Komunikačný vypínač

4. Premenlivý napájací zdr

5. Funkčný generátor

6. DMM konektory

7. Osciloskop konek

Obrázok

P

systémová LED - indikuje či NI ELVIS zariadenie je z

vypínač napájania dosky - ovládanie napájania dosky

komunikačný vypínač - požiadavka zablokovania so

ELVIS, toto nastavenie poskytuje priamy prístup k DIO linkám DAQ zariadenia

ovládanie premenlivého napájacieho zdroja – môžeme ovládať variabiln

napájanie cez riadiace prvky, a to buď pomocou pracovnej stanice (ručný režim)

alebo riadiacim prvkom na NI ELVIS softvéri - variabilné napájanie SFP

22


(softvérový spôsob). V ručnom režime môžeme používať nasledujúce riadiace

prvky premenlivého napájania:

- Zdroj (-) – riadenie

ruč oja ručným alebo software režimom

12 až 0 V

ruč ja ručným alebo software režimom

až 12 V

ď

alebo softvérovým režimom

bude

- maximálnu amplitúdu

- bej frekvencie – nastavenie rozsahu frekvencií

- vuje výstupnú frekvenciu funkčného generátora.

DM k

kový konektor

HI meraniam, mimo merania napätia

HI tia

vývodom osciloskopu

ný spínač - ovládanie zdr

napäťový otočný regulátor - ovládač výstup. (-) zdroja v rozpätí –

- Zdroj (+) – riadenie

ný spínač - ovládanie zdro

napäťový otočný regulátor - ovládač výstup. (+) zdroja v rozpätí 0

ovládanie funkčného generátora – prostredníctvom riadiacich prvkov, a to bu

pomocou pracovnej stanice (ručný režim) alebo riadiacim prvkom na NI ELVIS

softvéri - FGEN SFP (softvérový spôsob). V ručnom režime funkčného generátora

môžeme používať nasledujúce riadiace prvky:

- ručný spínač - ovládanie zdroja ručným

- funkčný voliaci spínač – ponúka nám, aký typ kriviek NI ELVIS

generovať, napr. sínus, obdĺžnik alebo trojuholník

amplitúdový otočný regulátor - nastavuje

generovaných kriviek

otočný regulátor hru

funkčného generátora

otočný regulátor - nasta

M konektory – DMM je umelo uzemnený, pripojením rozdielnych signálov

obom DMM vývodom na doske a DMM prípojkám na ovládacom paneli, ich

spolu skratujeme

- prúdový kolí

- kladný vstup k všetkým DMM

LO - záporný vstup k všetkým DMM meraniam, mimo merania napätia

- napäťový kolíkový konektor

- kladný vstup k meraniam napä

LO - záporný vstup k meraniam napätia

osciloskop konektory - pripojením rozdielnych signálov k

na doske a konektorom osciloskopu na ovládacom paneli, ich spolu skratujeme

- CH A BNC konektor - vstup pre kanál A osciloskopu

- CH B BNC konektor - vstup pre kanál B osciloskopu

23


- spúšťací BNC konektor - vstup k spúšťaniu osciloskopu.

.3.5 NI ELVIS prototypová doska

e pripojená k pracovnej stanici. Prototypová doska

poskytu

3

NI ELVIS prototypová doska j

je oblasť pre vybudovanie elektronickej sústavy obvodov a ponúka potrebné

pripojenia pre signály pre všeobecné aplikácie. Prototypová doska je pripojená k

pracovnej stanici štandardným PCI konektorom. Prototypová doska vyvádza všetky

signálové vývody NI ELVIS k používateľovi cez distribučné pole, po oboch stranách

pokusnej doskovej oblasti. Každý signál má svoj rad poľa a rady sú triedené podľa

funkcie. Prototypová doska zabezpečuje prístupy k ±15 V a +5 V zdrojom napätia.

24


1. AI, osciloskop a programovateľné I/O signálové rady

ektor

, používateľom konfigurovateľné I/O a DC napájané signálne rady

ktory

ry

Obrázok 3.8 Prototypová doska NI ELVIS

Pretože analógové kanály sú diferenciálne, musíme vytvoriť zemný bod niekde v

signáln

2. DIO signálne rady

3. LED pole

4. D-SUB kon

5. Počítadlo/časovač

6. DMM, AO, funkčný generátor, používateľom konfigurovateľné I/O, variabilné

napájania a DC napájané signálne rady

7. LED- ky

8. BNC kone

9. Kolíkové konekto

ej ceste. Pokiaľ meranie je vzťažné k NI ELVIS GROUND pinom, meranie je

správne. Vývody pre NI ELVIS GROUND signály sú umiestnené na viacerých miestach

prototypovej dosky. Všetky tieto zeme sú navzájom prepojené.

25

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Základné analógové vstupy:

á doska má šesť diferenciálnych AI kanálov ACH<0..5>.

Tieto v

I ELVIS - vstupný kanál DAQ zariadenie - vstupný kanál

NI ELVIS prototypov

stupy sú priamo pripojené k vstupným kanálom DAQ zariadenia. NI ELVIS má

tiež dva zemné piny, AISENSE a AIGND, ktoré sú pripojené k DAQ zariadeniu.

N

ACH0+ AI 0

ACH0- AI 8

ACH1+ AI 1

ACH1- AI 9

ACH2+ AI 2

ACH2- AI 10

ACH3+ AI 3

ACH3- AI 11

ACH4+ AI 4

ACH4- AI 12

ACH5+ AI 5

ACH5- AI 13

AISENSE SE AISEN

AIGND AIGND

Tab. 3.1 Analógové prepojenie vstupných signálov

iektoré AI kanály sú používané vnútornou sústavou obvodov pre ďalšie prístroje, ale

.3.6 Predné panely systému NI ELVIS

redné panely, ktoré priamo súvisia s mojimi

merani

N

väčšinu času kanál môže byť stále používaný. ACH<0..2> môže byť použitý bez

prerušenia. Ak použijeme DMM ako merač kapacity, skúšač diódy alebo na iné meranie,

ACH5 je prerušený. Ak používame osciloskop, musíme rozpojiť spojenia na ACH3 a

ACH4, na vyvarovanie sa dvojitého snímania kanálu.

3

Rozhodol som sa popísať len tie p

ami, a ktoré som pri svojich meraniach použil.

26


strument Launcher (Prístrojový spúšťač)

In

Obrázok 3.9 Instrument Launcher (Prístrojový spúšťač)

Z tohto predného panelu je možné spúšťať konfigurovať jednotlivé meracie prístroje

ladný a jednoduchý merací

a

v závislosti od toho, aké veličiny a čo konkrétne idem merať:

Digital Multimeter DMM (Digitálny multimeter) – zák

prístroj na meranie základných veličín ako sú napätie, prúd, odpor, kapacita,

indukcia... Rozsah môžeme nastaviť ako pevný alebo môžeme nastaviť

automatické nastavenie rozsahu, pri ktorom si prístroj nastaví vyhovujúci rozsah

sám. Pred každým meraním treba prístroj vynulovať, aby sa predišlo zbytočným

odchýlkam. Maximálna hodnota napätia, ktorú dokážeme prístrojom zmerať je 20

V. Dolná hranica je 0 V, ale pri veľmi malých napätiach sa vo veľkej miere

prejavuje šum. Prúdové a napäťové vstupy sú dostupné na prednom paneli

pracovnej stanice NI ELVIS, označené príslušnou skratkou DMM alebo na ľavej

strane prototypovej dosky, spolu s ďalšími terminálmi pre tranzistorové merania.

Vstupy voltmetra sú označené VOLTAGE HI a VOLTAGE LO. Ostané funkcie

DMM sú k dispozícii cez CURRENT HI a CURRENT LO konektory.

27


Trojdrôtový (3 - wire) konektor je použitý pre meranie zariadení s troma vývodmi,

v spojení s CURRENT HI a CURRENT LO konektormi.

Obrázok 3.10 Digital Multimeter DMM

Oscilloscope Scope (Osciloskop) – prístroj slúžiaci k zobrazeniu priebehov

signálov. Má dva kanály, kanál A a kanál B. Môžeme zobrazovať obidva signály

súčasne. Vstupy osciloskopu sú dostupné na ľavej strane prototypovej dosky a sú

označené ako CH <A..B>+, CH <A..B>– a TRIGGER. CH <A..B> sú priamo

pripojené k ACH3 a ACH4, každý zvlášť na DAQ zariadenie alebo na prednom

paneli pracovnej stanice NI ELVIS, označené príslušnou skratkou. Rozsah napätia

na oboch kanáloch je od 10 mV do 5 V. Časovú základňu je možné meniť

v rozsahu od 5 µs do 200 ms. Nedostatkom tohto osciloskopu je nízka

vzorkovacia frekvencia, čo spôsobuje problémy pri meraní vyšších frekvencií. Pri

meraní bolo možné pozorovať skreslenie signálu už pri 22 kHz. Prístroj priamo

ukazuje merané hodnoty, napr. okamžitú amplitúdu signálov, takže ich nie je

nutné odčítavať z priebehov.

28


Obrázok 3.11 Oscilloscope Scope

Function Generator FGEN (Funkčný generátor) – prístroj slúžiaci ku generovaniu

striedavého signálu. Tento prístroj je umiestnený aj na prednom paneli pracovnej

stanice NI ELVIS, odkiaľ je možné jeho manuálne ovládanie a pripojenie

konektora. Je možné generovať tri druhy signálov, a to sínusový, obdĺžnikový

a pílovitý signál. Napäťový rozsah generátora je od 0 V do 2,5 V. Frekvenčný

rozsah je od 0 Hz do 500 kHz. Výstup funkčného generátora sa nachádza na ľavej

strane prototypovej dosky a je označený ako FUNC_OUT. Na generátore je

možné nastaviť postupné zvyšovanie frekvencie od minimálnej po maximálnu, po

určitých krokoch podľa potrieb merania.

Obrázok 3.12 Function Generator FGEN

Bode Analyzer (Analyzátor frekvenčných charakteristík) – prístroj slúžiaci na

vykreslenie a meranie frekvenčnej a fázovej charakteristiky. Konektory na jeho

pripojenie sa nachádzajú na ľavej strane prototypovej dosky. Bode analyzátor

využíva funkčný generátor, preto musí byť výstupný konektor generátora

prepojený s jedným vstupom Bode analyzátora. Frekvenčný rozsah Bode

analyzátora je od 0 Hz do 35 kHz, čo je dosť malý rozsah. Tento nedostatok sa

prejaví pri meraní frekvenčných charakteristík zapojení, ktoré majú hornú medznú

frekvenciu vyššiu ako je táto hodnota. Napäťový rozsah je od 0 V do 2,5 V. Je

možné voliť počet krokov merania na dekádu. Jednotlivé hodnoty celého merania

29


je možné uložiť do textového súboru a vytvoriť tabuľku (kvôli lepšej

prehľadnosti).

Obrázok 3.13 Bode Analyzer

Two and Three - Wire Current - Voltage Analyzers (Dvoj a troj - parametrový

volt -ampérový analyzátor) – prístroj slúžiaci na meranie a vykreslenie volt –

ampérovej charakteristiky prvkov, v tomto prípade bipolárneho NPN tranzistora.

Vstupno – výstupné konektory tohto prístroja sa nachádzajú na ľavej strane

prototypovej dosky a sú označené ako CURRENT HI (na pripojenie bázy

tranzistora), CURRENT LO (na pripojenie emitora tranzistora) a 3 – wire (na

pripojenie kolektora tranzistora). Pri meraní nastavíme počiatočnú hodnotu

bázového prúdu a počet kriviek, ktoré nám bude analyzátor vykresľovať.

Nastavíme aj počiatočnú a koncovú hodnotu kolektorového napätia a krok,

ktorým sa bude táto hodnota zvyšovať. Je tu možnosť nastaviť aj maximálnu

hodnotu kolektorového prúdu.

30


Obrázok 3.14 Three – wire current voltage analyzer

Podrobnejšie v literatúre [4] [5]

31

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 4 Všeobecný návrh zapojení s unipolárnym a bipolárnym

tranzistorom

4.1 Popis nf zosilňovača s unipolárnym tranzistorom

Unipolárne tranzistory - sú to tranzistory ovládané elektrickým poľom - FET

(Field Effect Transistor). Podstatný rozdiel oproti bipolárnym tranzistorom spočíva v

tom, že bipolárne tranzistory potrebovali pre riadenie prúd, unipolárne sú ovládané

napätím, pričom prúd riadiacej elektródy je nulový respektíve takmer nulový. Vedenia

prúdu sa zúčastňuje iba jeden typ nosiča. Pretože riadiaca elektróda nepotrebuje pre

riadenie prúd, v zapojeniach s FET tranzistormi možno dosiahnuť veľmi vysoký vstupný

odpor a malý prúdový odber, z čoho vyplýva malý príkon.

4.2 Popis nf zosilňovača s bipolárnym tranzistorom Bipolárne tranzistory - sú tranzistory riadené bázovým prúdom. V princípe malý

bázový prúd ovláda oveľa väčší kolektorový prúd. Skladajú sa z dvoch P – N priechodov,

ku ktorým sú pripojené elektródy. Vedenia prúdu sa zúčastňujú obidva typy nosičov

náboja.

V katalógu zvyčajne nájdeme tieto charakteristické hodnoty tranzistorov:

- odporúčaný pracovný bod

- diferenciálne parametre he alebo hb alebo ye

- pracovné body pre saturačný stav

- hraničnú frekvenciu fT alebo fh21e, alebo fh21b

- medzi- elektródové kapacity

- zvyškový prúd

- šumové číslo

- výkonový zisk.

32

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 4.3 Nastavenie pracovného bodu tranzistora v zosilňovači

Nastaviť pracovný bod tranzistora znamená obvodovými komponentmi

zosilňovača zabezpečiť požadované hodnoty prúdov elektród a napätí priechodov

tranzistora. Pri nastavení pracovného bodu vychádzame z výstupných a prevodových

charakteristík tranzistora. Samozrejme, berieme do úvahy katalógové hodnoty

a odporúčania výrobcu.

Voľba pracovného bodu tranzistoru:

požadovaná pracovná oblasť

medzné podmienky elektronického prvku

vplyv polohy na požadovanú vlastnosť obvodu

vplyv teploty

odporúčania výrobcu súčiastky.

Zapojenie so spoločným emitorom:

môže zosilňovať napätie i prúd

otáča fázu napätia

pri unipolárnom tranzistore je vstupný odpor takmer nekonečný

pri bipolárnom tranzistore je vstupný odpor menší ako výstupný odpor.

Prúdy a napätia v pracovnom bode v zosilňovači určujú rezistory R1, R2, RC a RE - pri

zapojení s bipolárnym tranzistorom a R1, R2, RD a RS - pri zapojení s unipolárnym

tranzistorom. Kapacitory C1 a C2 oddeľujú jednosmerné obvodové veličiny zosilňovača

od budiaceho zdroja a záťaže. Jednosmerné obvodové veličiny zabezpečujú nastavenie

pracovného bodu tranzistora.

4.4 Návrh zosilňovača s bipolárnym tranzistorom Tranzistor je aktívny prvok, ktorý je schopný výkonovo zosilňovať. Bázový prúd

IB je ovládaný cez odpor RB. Emitorový prúd IE teda pozostáva z 2 zložiek, IE=IC+IB (1),

IB - malého ovládacieho prúdu a IC - výstupného kolektorového prúdu. V praxi sa často

používa zjednodušenie IE = IC, pretože vplyv prúdu IB na celkový výsledok je vzhľadom

na veľkosť prúdu IC zanedbateľný. Prúdový zosilňovací činiteľ je možné zistiť meraním

alebo pomocou vzťahu hfe = B

C

II

h =21 . (2)

Napätie medzi bázou a emitorom tranzistora UBE sa nastavuje v praxi na hodnotu 0,6 až

0,7 V, ktorá sa označuje taktiež ako prahové napätie tranzistora.

33


Obrázok 4.1 Charakteristiky zosilňovača s bipolárnym tranzistorom

Pomocou výstupných charakteristík tranzistora možno pri zvolenom bázovom prúde IB

nájsť vhodný pracovný bod (UCE, IC) v normálnej operačnej oblasti pre zosilňovač (v

plochej oblasti výstupnej charakteristiky). Na základe sformulovania vzťahu medzi

napätím napájacieho zdroja UCC, svorkovým napätím na výstupe tranzistora UCE a

úbytkom napätia na kolektorovom odpore ICRC, možno vytvoriť náhradný obvod zdroja

napätia s napätím naprázdno UOO = UCC a prúdom nakrátko IKK=UCC / RC. Grafickým

zobrazením vlastností tohto náhradného zdroja napätia je zaťažovacia

priamka. Zakreslením zaťažovacej priamky do sústavy výstupných charakteristík možno

zvoliť vhodný pracovný bod P tranzistora. Pracovný bod, určený jednosmernými prúdmi

cez tranzistor, sa nastavuje v strede zaťažovacej priamky, najjednoduchšie pomocou

predpätia UB (z nezávislého zdroja napätia alebo pomocou úbytku napätia na odpore RB z

napájacieho zdroja UCC). Nevýhodou je nízka odolnosť voči posunu pracovného bodu

pri zámene tranzistora s odlišným h21 a voči vplyvom teploty na kolektorový prúd, v

dôsledku čoho dochádza k posunu pracovného bodu . V prípade (nami) zadaného UB

možno využiť úbytok napätia na emitorovom rezistore RE, na vytvorenie potrebného

predpätia pre stabilnejšie nastavenie jednosmerných prúdov cez tranzistor (na základe UB

a RE ). Zaťažovacia priamka pri použití rezistora RE má menší sklon 1 / (RC + RE), než

pri jednoduchom predpätí bez emitorového odporu. Potom kolektorový prúd Ic môžeme

počítať zo vzťahu EC

CCCE

ECC RR

UURR

I+

++

−=1 . (3)

Jednosmerné pracovné podmienky tranzistora na obrázku sú určené napätím UBB na báze

emitorovým rezistorom RE. Kombinácia odporov RC a RE limituje maximálny kolektorový

prúd.

34


Obrázok 4.2 Príklad zapojenia zosilňovača s bipolárnym tranzistorom

Rezistor RE je potrebný na nastavenie jednosmerného predpätia, jeho odpor pre striedavý

signál však redukuje zosilnenie. Zapojením kondenzátora CE paralelne s rezistorom RE

možno v určitom frekvenčnom pásme potlačiť vplyv zápornej spätnej väzby. Parameter

strmosť gm = (diC / duBE) je odmeraný pri konštantnom napätí UCE = konšt. Parameter gm

nezávisí od individuálnych vlastností jednotlivých tranzistorov. Pre praktické použitie sa

využíva závislosť od nastavenia pracovného režimu, reprezentovaného jednosmerným

prúdom cez kolektor IC. gm [S] ~ 0,04IC [mA] = IC [mA] / 25 = 1 / re (4)

Pre voľbu vhodného emitorového kondenzátora CE, ktorý by potlačil pôsobenie spätnej

väzby po dolnú hraničnú frekvenciu fd, treba splniť podmienku: CE ~ gm / (2*π*fd) (5)

Na oddelenie zdroja signálu od jednosmerného napätia na deliči R1 a R2 (ktorý vytvára

potrebné predpätie pre bázu) slúži väzobný kondenzátor C1. Úlohou väzobného

kondenzátora C1 je jednosmerne odizolovať bázu tranzistora od generátora signálu a

zároveň by mal mať takú kapacitu, aby jeho impedancia XC = 1 / ωC1 (6)

bola prakticky skratom pre striedavý signál. Reálne prenosové vlastnosti článku CR sú

však také, že táto požiadavka je splnená len pre signál s vysokými frekvenciami. Pre

nízke frekvencie možno určiť dolnú hraničnú frekvenciu z podmienky RωC1 = 1 (pri

tejto frekvencii je pokles o 3dB), kde R = Rin je vstupný odpor obvodu. Podobnú úlohu

ako na vstupe C1 má kondenzátor C2 na výstupe. Úlohou väzobného kondenzátora C2 je

jednosmerne odizolovať kolektor tranzistora od záťaže RL a zároveň by mal mať

kondenzátor C2 takú kapacitu, aby jeho impedancia XC = 1 / ωC2 (7)

bola prakticky skratom pre striedavý signál.

35

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 4.5 Návrh zosilňovača s unipolárnym tranzistorom

Obrázok 4.3 Charakteristiky zosilňovača s unipolárnym tranzistorom

Pri danom napätí UDS tečie max prúd ID = IDS0 pri UGS = 0 a pri UGS = UGSoff = UT

je prúd ID ~ 0. Sklon prevodovej charakteristiky v okolí pracovného bodu (prúdu ID)

charakterizuje strmosť gm = Dgsoff

DSS IV

I2− , (8)

jej hodnota býva typicky uvedená v katalógu. Zaťažovacia priamka upresňuje (pre

zvolenú kombináciu ID a UDS) polohu pracovného bodu FET-u (výber UGS). Pre použitie

FET-u, ako zosilňovacieho prvku sa poloha pracovného bodu Q volí v lineárnej časti

prevodovej charakteristiky tak, aby sa FET nedostal do nasýteného (ID ~ UDS / RD) alebo

nevodivého (ID ~ 0) stavu. Potrebné predpätie -UGS = IDRD nastaví požadovaný prúd ID

pre operovanie FET-u v lineárnej časti prevodovej charakteristiky. Pre striedavý signál

(bipolárny) sa volí napätie na kolektore UDS = UCC / 2, približne ako polovica napájacieho

napätia UCC (v strednej časti výstupnej charakteristiky symetricky pre obe polovlny

výstupného signálu). Najpoužívanejší spôsob zapojenia FET-u, pre použitie v zosilňovači,

je zapojenie so spoločným emitorom. Napäťový zisk takéhoto zapojenia môžeme

vypočítať pomocou vzťahu

AU = dUout / dUin = - gm * RD || RL, (9)

okrem rezistorov RD a RL závisí od strmosti gm= dID / dUGS. Strmosť možno určiť zo

sklonu prevodovej charakteristiky pri UDS = UCC / 2 a prúde ID. (10)

Obrázok 4.4 Príklad zapojenia zosilňovača s unipolárnym tranzistorom

36

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Napäťový zisk AU závisí, pri pripojenom kondenzátore CS, predovšetkým od strmosti gm.

Môžeme ho vypočítať podľa vzťahu (9). Bez kondenzátora CS, napäťový zisk je

redukovaný vplyvom zápornej spätnej väzby na odpore RS a môžeme ho vypočítať podľa

vzťahu Sm

DmU Rg

RgA

+−=

1. (11)

Väzobný kondenzátor C1 zabezpečuje jednosmerné oddelenie vstupu tranzistora.

Emitorový kondenzátor CS slúži na potlačenie zápornej spätnej väzby, ktorá zmenšuje

napäťový zisk zosilňovača. V prípade návrhu zosilňovača ide o nastavenie dolnej

hraničnej frekvencie RC článku, pri ktorej sa pokles prenosu zníži o 3dB. Kondenzátor

C1 sa volí z podmienky 1= ωRGC1 (vstupný odpor ~RG). Kondenzátorom CS nebude

redukovaný napäťový zisk, ak bude impedancia 1 / ω CS << RS.

4.6 Návrh emitorového sledovača s bipolárnym tranzistorom

Z hľadiska prenosových vlastností je napäťové zosilnenie blízke jednotke, takže

výstupný signál je prakticky zhodný so vstupným signálom, inými slovami, sleduje

vstupný signál.

Obrázok 4.5 Príklad zapojenia emitorového sledovača s bipolárnym tranzistorom

Vytvorenie predpätia pre sledovač je realizované pomocou deliča R1, R2 (prúd pretekajúci

cez delič je podstatne (5 až 10 x) väčší ako prúd tečúci do bázy). Sledovač má podstatne

väčšiu vstupnú impedanciu (Zvst ~ Rvst ~ rπ + (β+1) RE) ako výstupnú (Zvyst ~ Rvyst ~

(rπ +Rg) / (β+1)), a preto zdroj vstupného signálu (s vnútorným odporom Rg) potrebuje

odovzdať menší výkon, ak záťaž zapojíme cez sledovač.

Podrobnejšie v literatúre [6] [7] [8] [9] [10] [11]

37

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 5 Simulácie vybraných zapojení 5.1 Simulácia napäťového zosilnenia nf zosilňovača s unipolárnym

tranzistorom

Obrázok 5.1 Predný panel prístroja Simulácia napäťového zosilnenia nf zosilňovača

Na prednom paneli vidíme zosilnenie daného zapojenia a priebehy signálov.

Vidíme, že emitorový kondenzátor Cs má veľký vplyv na veľkosť zosilnenia. V simulácii

som použil hodnoty súčiastok z reálneho zapojenia. Pre parameter strmosť som použil

katalógovú hodnotu udávanú výrobcom súčiastky, v mojom prípade pre tranzistor KF

521. V simulácii sú na výpočet zosilnenia použité vzťahy (9) s pripojeným

kondenzátorom Cs a (11) bez pripojeného kondenzátora Cs.

Obrázok 5.2 Blokový diagram prístroja Simulácia napäťového zosilnenia nf zosilňovača

38

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 5.2 Simulácia napäťového zosilnenia nf zosilňovača s bipolárnym

tranzistorom 1


Na prednom paneli vidíme zosilnenie daného zapojenia a priebeh vstupného

a výstupného signálu. Výpočet zosilnenia je realizovaný prostredníctvom h parametrov

tranzistora. Pri výpočte zosilnenia bol v LabVIEW použitý vzťah

AU = ))(( 11

21

heCe

Ce

DRhRh×+

×−, (12)

ide o zosilnenie naprázdno, teda bez zaťažovacieho rezistora RZ.


39

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 5.3 Simulácia napäťového zosilnenia nf zosilňovača s bipolárnym

tranzistorom 2


Na prednom paneli vidíme zosilnenie a priebehy vstupného a výstupného signálu.

Výpočet zosilnenia je realizovaný prostredníctvom y parametrov. V tomto zapojení je

zahrnutý aj zaťažovací rezistor Rz. Pokiaľ chceme simulovať zosilnenie naprázdno je

nutné nastaviť hodnotu tohto rezistora na maximum. V simulácii je na výpočet použitý

vzťah AU = -Y21 / (Y22 + Yc + Yz). (13)


40

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 5.4 Simulácia napäťového zosilnenia emitorového sledovača

s unipolárnym tranzistorom

Obrázok 5.7 Predný panel prístroja Napäťové zosilnenie emitorového sledovača

V tomto prípade je vstupný a výstupný signál rovnaký. V tejto simulácii je použitý

vzorec pre výpočet zosilnenia AU = E

E

RSRS×+

×1

, (14)

pričom som použil hodnotu strmosti S, pre daný tranzistor uvádzanú v katalógu.

Obrázok 5.8 Blokový diagram prístroja Napäťové zosilnenie emitorového sledovača

5.5 Simulácia nastavenia pracovného bodu nf zosilňovača s bipolárnym

tranzistorom V tejto simulácii je použitý výpočet pre nastavenie jednosmerného pracovného

bodu (veľkosti rezistorov) zosilňovača, v zapojení so spoločným emitorom s bipolárnym

tranzistorom. Vzťahy sú uvedené ďalej v práci, pri výpočte pracovného bodu pre

konkrétne zapojenie, s danými parametrami .

41




5.6 Simulácia nastavenia pracovného bodu nf zosilňovača s unipolárnym

tranzistorom

V tejto simulácii je použitý výpočet pre nastavenie jednosmerného pracovného

bodu (veľkosti rezistorov) zosilňovača, v zapojení so spoločným emitorom s unipolárnym

tranzistorom. Vzťahy sú uvedené ďalej v práci, pri výpočte pracovného bodu pre

konkrétne zapojenie s danými parametrami .


42



5.7 Simulácia frekvenčnej charakteristiky zosilňovača s unipolárnym

tranzistorom V tejto simulácii je použitý výpočet zosilnenia zosilňovača s unipolárnym

tranzistorom (9) a vplyv vstupného odporu a vstupného kondenzátora na frekvenčnú

charakteristiku, podľa ktorých dokážeme určiť dolnú medznú frekvenciu zosilňovača.

Horná medzná frekvencia závisí od vlastností použitého zosilňovacieho prvku

(tranzistora).



43

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 5.8 Simulácia frekvenčnej charakteristiky zosilňovača s bipolárnym

tranzistorom V tejto simulácii je použitý výpočet zosilnenia zosilňovača s bipolárnym

tranzistorom (14), teda pomocou h parametrov tranzistora, ktoré je možné nájsť

v katalógu a vplyv vstupného odporu a vstupného kondenzátora na frekvenčnú

charakteristiku, podľa ktorých dokážeme určiť dolnú medznú frekvenciu zosilňovača.



5.9 Simulácia výstupnej V – A charakteristiky zosilňovača Simulácia znázorňuje závislosť kolektorového prúdu tranzistora ID od zmeny

parametrov tranzistora. Veľký vplyv na jeho veľkosť má parameter gm (strmosť) a napätie

medzi bázou a emitorom tranzistora UGS.

44


Obrázok 5.17 Predný panel prístroja V - A charakteristika zosilňovača

Obrázok 5.18 Blokový diagram prístroja V – A charakteristika zosilňovača


45

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 6 Návrh a postup pri meraní vybraných zapojení

s unipolárnym a bipolárnym tranzistorom

6.1 Nízkofrekvenčný zosilňovač s bipolárnym tranzistorom KC 507

+

+C

T1CUC

Ri

RCR1

+R2 RE

UB

UC

C

Obrázok 6.1 Schéma nf zosilňovača v mostíkovom zapojení so spoločným emitorom 1 V zapojení som sa rozhodol použiť bipolárny tranzistor KC 507, pretože sa

využíva na laboratórnych cvičeniach, pre ktoré je systém NI ELVIS určený.

Pri návrhu som vychádzal zo zadania, ktoré využívajú študenti na týchto meraniach.

Zadanie:

Vypočítajte veľkosti rezistorov nízkofrekvenčného zosilňovacieho stupňa, v mostíkovom

zapojení s bipolárnym tranzistorom KC 507, pre napätie UCC = 15V. V zapojení použite

kondenzátory C1 = C2 = 2,2 µF a CE = 47 µF. Pri výpočte uvažujte s ICP = 2 mA, UCEP =

6,5V, UBEP = 0,7 V, UE = 2 V, IBP = 20 µA. Hodnoty h parametrov: h11e = 4,2 kΩ, h12e =

1,6.10-4, h21e = 200, h22e = 24,3 µS. Odpor generátora Rg = 50 Ω

Pričom Ic = IE

B

C

II

h =21

RC = Ω==−−

3250002,05,6

CP

CEPECC

IUUU

(15)

46


RE = Ω== 1000002,0

5,6

CP

E

IU

(16)

R2 = Ω==×

+13500

0002,07,2

10 BP

EBEP

IUU

(17)

R1 = Ω==×

××−55909

00022,03,12

11

10 2

BP

BPCC

I

RIU (18)

Napäťové zosilnenie AU:

AU = 3,139))(( 11

21 −=×+

×−

heCe

Ce

DRhRh

6.2 Nízkofrekvenčný zosilňovač s unipolárnym tranzistorom KF 521

+

+C

UD

C

UD

R

RDR1

+R2 RS

UG

T

1

C


V zapojení som sa rozhodol použiť tranzistor NMOS KF 521, pretože je pre

potreby merania na systéme NI ELVIS výhodný a využíva sa na laboratórnych

cvičeniach, pre ktoré je tento systém určený. Pri meraní som meral na viacerých

tranzistoroch tejto rady, ale jednotlivé merania vykazovali odlišnosti spôsobené

tranzistormi.

Pri návrhu som opäť vychádzal zo zadania, ktoré využívajú študenti na týchto meraniach.

47

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Zadanie:

Vypočítajte veľkosti rezistorov nízkofrekvenčného zosilňovacieho stupňa v mostíkovom

zapojení s unipolárnym tranzistorom KF 521 pre napätie UCC = 15V. Pri výpočte uvažujte

s UDSP=6V, UGSP=0V, IDSP=4mA. V zapojení sú použité kondenzátory C1=2,2µF,

C2=2,2µF a CS=47µF. Strmosť gm = 2,5 mS. Odpor generátora Rg = 50 Ω

Pričom URD = UDS

RS = Ω=−

=−−

750004,0

1215

DS

RDDSCC

IUUU

(19)

RS = R2

RD = Ω== 1500004,06

DS

RD

IU

(20)

R1 = Ω== kI

U R 3004,0121 (21)

Napäťové zosilnenie AU:

AU = -gm * RD = - 0,0025 * 1500 = 3,75

6.3 Emitorový sledovač s unipolárnym tranzistorom KF 521


Použité súčiastky:

R1 = 27 kΩ, R2 = 10 kΩ, RE = 2 MΩ, C1 = C2 = 100 µF, odpor generátora Rg = 50 Ω,

napájacie napätie UCC = 15 V, strmosť gm = 2,5 mS

Napäťové zosilnenie AU = 9999,01

=×+

×

E

E

RSRS

48

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 6.4 Emitorový sledovač s bipolárnym tranzistorom KC 507


Použité súčiastky:

R1 = 130 kΩ, R2 = 150 kΩ, RE = 7,5 kΩ, C1 = 0,5 µF, C2 = 3,3 µF, odpor generátora Rg

= 50 Ω, napájacie napätie UCC = 15 V

V návrhu je použité napájanie bázy sledovača z „tvrdého“ deliča R1, R2 , ktorý

udržuje pomerne stále napätie na báze a tak podstatne redukuje vplyv rozptylu hodnôt

koeficienta h21 na prúd bázy. Pri návrhu zapojenia pre frekvenčnú oblasť zvukových

signálov (od 20 Hz po 20 kHz), pre pracovný bod tranzistora s emitorovým prúdom IE =

1mA a napájacím napätím UCC = 15 V postupujeme nasledovne:

vstupný signál je bipolárny, volím jednosmerné napätie na emitore UE =

0,5Ucc = 7,5 V

nastavím prúd IE = 1 mA, volím odpor RE = 7,5 kΩ

napätie na báze tranzistora UB = UE + 0,6 V = 8,1 V možno dosiahnuť pri

pomere rezistorov R1:R2 = 1:1,17 napr. tak, že R1 = 130 kΩ a R2 = 150 kΩ

väzobný kondenzátor C1, vstupný odpor sledovača (~ bF * RE ~ 750 kΩ), spolu

s odporom R1 || R2 ~ 70 kΩ, tvoria výsledný odpor R ~ 63 kΩ filtra vysokých

frekvencií RC1, požadujeme, aby sledovač prenášal frekvenciu 20 Hz s

poklesom ~ -3 dB, takže musí byť C1 aspoň 0,15 mF

voľba väzobného kondenzátora C2, kondenzátor C2 so vstupom RL ďalšieho

stupňa tvoria filter vysokých frekvencií RLC2 (výstupný odpor sledovača<<

RL), predpokladáme, že RL =< RE, aby sledovač prenášal frekvenciu 20 Hz s

poklesom ~-3 dB, musí byť C2 aspoň 1 µF

49


nakoľko výsledný filter vysokých frekvencií RC1 + RLC2 je dvojstupňový (fd =

(fd1 * fd1) 0,5), použijeme o niečo väčšie kapacity, napr. C1 = 0,5 µF, C2 =

3,3µF.


6.5 Postup pri meraní vybraných zapojení

6.5.1 Meranie V – A charakteristiky tranzistora KC 507

Postup pri meraní:

Na meranie V- A charakteristiky použijeme konektory s označením: 3– wire, ku

ktorému pripojíme kolektor tranzistora, CURRENT HI, ku ktorému pripojíme bázu

tranzistora a CURRENT LO, ku ktorému pripojíme emitor tranzistora. Na meranie

použijeme virtuálny prístroj THREE WIRE CURRENT VOLTAGE ANALYZER. Je

potrebné nastaviť parametre merania podľa konkrétneho typu tranzistora, ako sú bázový

prúd, napätie a prúd kolektora, prípadne počet charakteristík.

Výsledky merania sa nachádzajú v prílohe č. 4.

6.5.2 Zobrazenie grafického priebehu vstupného a výstupného signálu na

osciloskope a meranie prevodovej charakteristiky

Postup pri tomto meraní je rovnaký pre zosilňovač s bipolárnym aj unipolárnym

tranzistorom a tiež pre emitorový sledovač. Jednotlivé zapojenia si zapojíme na

prototypovej doske pracovnej stanice NI ELVIS podľa schémy. Napájacie napätie

použijeme + 15 V, ktoré privedieme z rovnako označeného konektora. Nesmieme

zabudnúť priviesť k meranému zapojeniu zem. Virtuálne prístroje, ktoré použijeme pri

tomto meraní sú FUNCTION GENERATOR a OSCILLOSCOPE. FUNCTION

GENERATOR pripojíme na vstup zapojenia, signál privedieme z konektora označeného

FUNC_GEN_OUT. Druhý konektor funkčného generátora odporúčam uzemniť, i keď sú

jednotlivé uzemnenia v pracovnej stanici navzájom prepojené, zapojenie nemusí správne

fungovať. Na generátore si nastavíme potrebné hodnoty frekvencie a vstupného napätia.

Druhým virtuálnym prístrojom je OSCILLOSCOPE. Pri meraní využijeme oba kanály,

ktoré nám OSCILLOSCOPE poskytuje. Na zobrazenie vstupného signálu môžeme využiť

napríklad kanál A osciloskopu. Vstupný signál privedieme na konektor označený

50

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– CHANNEL A+ z výstupného konektora generátora FUNC_GEN_OUT a nastavíme

potrebný rozsah amplitúdy a časovej základne. Výstupný signál privedieme z výstupu

zapojenia na konektor CHANNEL B+ a nastavíme potrebný rozsah amplitúdy signálu.

Štandardne býva kanál B osciloskopu vypnutý, takže ak chceme vidieť oba signály, je

nutné ho zapnúť. Konektory osciloskopu, označené CHANNEL A- a CHANNEL B-,

pripojíme ku konektoru označenému ako GND, čiže ich uzemníme.

Toto zapojenie takisto použijeme na meranie prevodovej charakteristiky, kde budeme na

generátore meniť vstupné napätie signálu pri jednej frekvencii (napríklad pri frekvencii 1

kHz) a odčítavať výstupné napätie na osciloskope. Takisto uvidíme, kedy bude výstupný

signál skreslený. Túto hodnotu môžeme považovať za limitujúcu pre dané zapojenie. To

isté platí aj pre meranie so zaťažovacími rezistormi.

Výsledky meraní sa nachádzajú v prílohe č. 1, č.2, č. 5 a č. 6 pre unipolárny tranzistor a v

prílohe č.4 a č. 7 pre bipolárny tranzistor.

6.5.3 Meranie frekvenčnej charakteristiky

Postup pri tomto meraní je rovnaký pre zosilňovač s bipolárnym aj unipolárnym

tranzistorom, a tiež pre emitorový sledovač. Jednotlivé zapojenia si zapojíme na

prototypovej doske pracovnej stanice NI ELVIS podľa schémy. Napájacie napätie

použijeme + 15 V, ktoré privedieme z rovnako označeného konektora. Nesmieme

zabudnúť priviesť k meranému zapojeniu zem. Na meranie frekvenčnej charakteristiky

použijeme virtuálny prístroj BODE ANALYZER. Vstup meraného zapojenia pripojíme

ku konektoru s označením ACH1+. Výstup zapojenia pripojíme ku konektoru

s označením ACH0+. Výstup funkčného generátora FUNC_OUT prepojíme

s konektorom s označením ACH1+, ktorý je súčasne pripojený k vstupu meraného

zapojenia. BODE ANALYZER potrebuje k svojej činnosti virtuálny prístroj-

FUNCTION GENERATOR, preto musí byť s ním priamo prepojený. Ostatné konektory

s označením ACH1- a ACH0- pripojíme na konektor s označením GND. Na prednom

paneli virtuálneho prístroja nastavíme potrebné parametre, ako je rozsah frekvencií (teda

začiatočná a koncová), počet krokov na dekádu a takisto vstupné napätie, pri ktorom sa

bude meranie vykonávať. Pri meraní frekvenčnej charakteristiky súčasne meriame aj

fázovú charakteristiku a zosilnenie. Všetky merania môžeme vykonávať v zapojení

naprázdno, teda bez zaťažovacieho rezistora alebo s pripojeným zaťažovacím rezistorom.

51

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Z hľadiska obmedzenia systému NI ELVIS, pri tomto meraní nedokážeme zmerať celú

frekvenčnú charakteristiku, ale len jej časť. Taktiež nedokážeme určiť hornú medznú

frekvenciu.

Výsledky meraní sa nachádzajú v prílohách č. 1 a č. 5 pre unipolárny tranzistor

a v prílohách č. 4 a č. 7 pre bipolárny tranzistor.

6.5.4 Meranie pracovného bodu zosilňovača Zosilňovač zapojíme na prototypovej doske stanice NI ELVIS podľa schémy.

Napájacie napätie použijeme + 15 V, ktoré privedieme z rovnako označeného konektora.

Nesmieme zabudnúť priviesť k meranému zapojeniu zem. Na meranie pracovného bodu

zosilňovača, použijeme virtuálny prístroj DIGITAL MULTIMETER DMM (digitálny

multimeter). Nastavíme prístroj na meranie napätia alebo prúdu. Vstupy voltmetra sú

označené VOLTAGE HI a VOLTAGE LO. Ostané funkcie DMM sú k dispozícii cez

CURRENT HI a CURRENT LO konektory. Napätie meriame na jednotlivých

súčiastkach obvodu, ktoré sme predtým teoreticky vypočítali. Tieto merané hodnoty by

mali byť približne rovnaké s teoretickým výpočtom. Pri meraní prúdu nesmieme

zabudnúť zapojiť prístroj do obvodu sériovo, pretože ampérmeter predstavuje, na rozdiel

od voltmetra, skrat.

Výsledky meraní sa nachádzajú v prílohe č. 3.

52

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 7 Tolerančná analýza obvodových prvkov a napájacích napätí

Hlavným cieľom tolerančnej analýzy je zistiť, nakoľko výrobné rozptyly

parametrov jednotlivých súčiastok ovplyvňujú vlastnosti obvodu. Ako môže nedodržanie

menovitých hodnôt jednotlivých parametrov ovplyvniť výsledné charakteristiky obvodu

oproti charakteristikám požadovaným alebo za akých hraničných podmienok ešte obvod

dokáže plniť svoju funkciu, na ktorú bol navrhnutý.

Realizácia tolerančnej analýzy:

tolerančnú analýzu obvodových prvkov a napájacích napätí som si stanovil pre

toleranciu ±10%, to znamená, že som zisťoval vplyv najhoršej kombinácie

obvodových prvkov a napájacích napätí na výslednú požadovanú charakteristiku,

pri dodržaní tolerancie ±10% rozptylu parametrov jednotlivých obvodových

prvkov a napájacích napätí

tolerančné analýzy som aplikoval do navrhnutých simulácií nf zosilňovačov a

emitorového sledovača.

Podrobnejšie v literatúre [15]

53

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 8 Návrhy VI meraní nf zosilňovačov a emitorového sledovača

Pre potreby dištančného vzdelávania som navrhol tieto VI merania nf zosilňovača

a emitorového sledovača:

nf zosilňovač s unipolárnym tranzistorom:

- uskutočnený návrh zapojenia

- zrealizované meranie frekvenčnej charakteristiky, prevodovej

charakteristiky, pracovného bodu zosilňovača, zosilnenia

- naprogramované simulácie

nf zosilňovač s bipolárnym tranzistorom


- zrealizované meranie frekvenčnej charakteristiky, výstupnej

charakteristiky, zosilnenia


emitorový sledovač


- zrealizované meranie frekvenčnej charakteristiky, prevodovej

charakteristiky, zosilnenia


predchádzajúce merania a simulácie nf zosilňovačov a emitorového sledovača sú

tiež súčasťou návrhov VI meraní.

54

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 9 Záver

V mojej diplomovej práci som sa zaoberal problematikou merania a simulácie

charakteristík nf zosilňovačov, v zapojení so spoločným emitorom a v zapojení

emitorového sledovača, pomocou vývojového prostredia LabVIEW a systému NI ELVIS.

V úvode tejto práce som zhrnul základné vlastnosti vývojového prostredia LabVIEW

a systému NI ELVIS, so zameraním sa na ich najdôležitejšie hardvérové a softvérové

časti. Jadro práce tvorí všeobecný návrh a popis jednotlivých zapojení. Jadro ďalej tvoria

merania charakteristík navrhnutých nf zosilňovačov, pomocou vývojového prostredia

LabVIEW a systému NI ELVIS a navrhnuté simulácie s implementovanou tolerančnou

analýzou obvodových prvkov a napájacích napätí. Uskutočnené merania a simulácie

jednotlivých zapojení nf zosilňovačov je možné vhodne uplatniť pri dištančnom

vzdelávaní predmetu ELEKTRONIKA. Diplomová práca má slúžiť ako výukový podklad

predmetu ELEKTRONIKA. Preto som prácu zostavil tak, aby študenti mohli čo najlepšie

vniknúť do danej problematiky a plne využiť možnosti skúšobného systému nielen pre

merania charakteristík nf zosilňovačov.

Za hlavné prínosy a výsledky tejto diplomovej práce možno považovať:

základný úvod do programu LabVIEW, jeho činnosti a využitia

popis systému NI ELVIS, jeho základných vlastností a obmedzení so zameraním

na analógovú oblasť meraní

uskutočnené reálne merania charakteristík zapojení nf zosilňovačov pomocou

systému NI ELVIS

uskutočnené simulácie merania charakteristík zapojení nf zosilňovačov pomocou

vývojového prostredia LabVIEW

uskutočnené tolerančné analýzy obvodových prvkov a napájacích napätí, ktoré sú

súčasťou simulácií

všetky VI merania a simulácie môžu slúžiť pre potreby dištančného vzdelávania

predmetu ELEKTRONIKA.

55

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 10 Zoznam použitej literatúry [1] Radek Votrubec: LabVIEW for Windows. Technická univerzita v Liberci. únor 2000,

Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií

[2]

http://digital.ni.com/worldwide/czech.nsf/sb/Download?OpenDocument&node=201494_

cs

[3] Žídek, J.: Grafické programování ve vývojovém prostředí LabVIEW, Ostrava, říjen

2002

[4] http://www.ni.com/pdf/manuals/373363b.pdf

[5] http://www.ni.com/pdf/manuals/371290d.pdf

[6] http://fel.utc.sk/kee/documents/skripta_E_1.pdf

[7] http://www.drp.fmph.uniba.sk/PZE/przelek.pdf

[8] http://www.dnp.fmph.uniba.sk

[9] http://ns.spsknm.sk/~padysak/eln/zosilnovace/zosilnovace.htm

[10] http://alzat.szm.sk/Zosil/Klud_bod/Klud_bod.htm

[11] http://www.stepfun.szm.sk/proj6.html

[12] Kenneth L. Ashley: Analog Electronics with LabVIEW. Pearson Education, Inc.

Publishing as Prentice HALL PTR Upper Saddle River

[13] http://fel.utc.sk/kee/documents/

[14] http://www.datasheetcatalog.com

[15] http://user.unob.cz/biolek/vyukaVUT/prednasky/BMPS/pro_studenty9.pdf

56

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Čestné vyhlásenie:

Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod odborným

vedením vedúcej diplomovej práce, Ing. Anny Kondelovej, a používal som len literatúru

uvedenú v práci.

Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.

V Žiline, dňa 19. 05. 2006 Miroslav Stančík

57


Poďakovanie

Touto cestou ďakujem vedúcej diplomovej práce, Ing. Anne Kondelovej, za

odborné vedenie, cenné rady, usmernenia a pripomienky pri tvorbe diplomovej práce.

58


Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta

Katedra telekomunikácií

Meranie charakteristík nf zosilňovačov pomocou

LabVIEW

Prílohová časť

Bc. Miroslav Stančík

2006

59

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Zoznam príloh

Príloha č. 1 Meranie na nf zosilňovači s unipolárnym tranzistorom KF 521 – grafické

priebehy na osciloskope, frekvenčné charakteristiky

Príloha č. 2 Meranie na nf zosilňovači s unipolárnym tranzistorom KF 521 –

prevodová charakteristika

Príloha č. 3 Pracovný bod zosilňovača s tranzistorom KF 521

Príloha č. 4 Meranie na zosilňovači s bipolárnym tranzistorom KC 507 - meranie V – A charakteristiky, grafické priebehy na osciloskope, frekvenčné

charakteristiky

Príloha č. 5 Emitorový sledovač s unipolárnym tranzistorom KF 521 – grafické

priebehy na osciloskope, frekvenčné charakteristiky

Príloha č. 6 Emitorový sledovač s unipolárnym tranzistorom KF 521 – prevodová

charakteristika

Príloha č. 7 Emitorový sledovač s bipolárnym tranzistorom KC 507

60


Príloha č. 1 Meranie na nf zosilňovači s unipolárnym tranzistorom KF 521 – grafické priebehy

na osciloskope, frekvenčné charakteristiky

61


Obr. 1 priebeh signálu na osciloskope, f = 1 kHz, Uin = 317,66 mV šš, Uout = 1,012 V šš


62

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Obr. 3 priebeh signálu na osciloskope, f = 1 kHz, Uin = 1,650 V šš, Uout = 5,062 V šš

Obr. 4 priebeh signálu na osciloskope, f = 1 kHz, Uin = 3,243 V šš, Uout = 9,195 V šš

Obr. 5 priebeh signálu na osciloskope s Rz = 750 Ω, f = 1 kHz, Uin = 1,692 V šš, Uout = 2,023 V šš

Obr. 6 priebeh signálu na osciloskope s Rz = 1,06 kΩ, f = 1 kHz, Uin = 866 mV šš, Uout = 1,255 V šš

63


Obr. 7 priebeh signálu na osciloskope s Rz = 1,3 kΩ, f = 1 kHz, Uin = 853 mV šš, Uout = 1,383 V šš

Obr. 8 priebeh signálu na osciloskope s Rz = 3 kΩ, f = 1 kHz, Uin = 837,18 mV šš, Uout = 1,889 V šš

64


Obr. 9 frekvenčná odozva naprázdno, Uin = 0,2 V, zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 3,83



65


Obr. 12 frekvenčná odozva naprázdno, Uin = 2 V, zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 3

Obr. 13 frekvenčná odozva s Rz = 750 Ω, Uin = 0,5 V, zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 1,24

Obr. 14 frekvenčná odozva s Rz = 750 Ω, Uin = 1,5 V, zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 1,2

66


Obr. 15 frekvenčná odozva s Rz = 1,06 kΩ, Uin = 0,5 V, zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 1,5

Obr. 16 frekvenčná odozva s Rz = 1,06 kΩ, Uin = 1,5V, zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 1,46

67

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Obr. 17 frekvenčná odozva s Rz = 1,3 kΩ, Uin = 0,5 V, zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 1,69

Obr. 18 frekvenčná odozva s Rz = 1,3 kΩ, Uin = 1,5 V, zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 1,64

Obr. 19 frekvenčná odozva s Rz = 3 kΩ, Uin = 0,5 V, zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 2,31

68


Obr. 20 frekvenčná odozva s Rz = 3 kΩ, Uin = 1,5 V, zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 2,25

69


Príloha č. 2 Meranie na nf zosilňovači s unipolárnym tranzistorom KF 521 – prevodová

charakteristika

70

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Prevodová charakteristika nf zosilňovača s tranzistorom KF 521: Tab. 1 Tab. 2

Rz = 750 Ohm Uin [V] Uout [V] zosilnenie A

0,33869 0,40436 1,193894120,6824 0,8247 1,20852872

1,019 1,224 1,201177631,363 1,637 1,201027151,722 2,024 1,175377472,026 2,404 1,186574532,387 2,791 1,16925012,705 3,147 1,16340111

3,11 3,501 1,125723473,386 3,813 1,1261075

Bez Rz Uin [V] Uout [V] zosilnenie A

0,16789 0,53089 3,162129970,3234 1,027 3,17563389

0,50159 1,586 3,161945010,66298 2,066 3,116232770,8105 2,565 3,16471314

0,96803 3,063 3,164158141,137 3,547 3,119613021,311 4,09 3,119755911,461 4,576 3,13210131,619 5,055 3,12229771

1,81 5,522 3,050828731,975 5,983 3,02936709

2,15 6,487 3,01720932,313 6,925 2,993947252,471 7,351 2,974908942,635 7,755 2,943074

2,75 8,15 2,963636362,942 8,552 2,906866083,103 8,661 2,791169843,258 8,961 2,75046041

Tab. 3 Rz = 1 kOhm Uin [V] Uout [V] zosilnenie A

0,16611 0,24617 1,481969780,3383 0,4919 1,454034880,5166 0,7626 1,476190480,8506 1,252 1,47190219

1,202 1,738 1,445923461,532 2,24 1,462140991,867 2,711 1,452062132,213 3,197 1,444645282,549 3,639 1,42761867

2,88 4,066 1,411805563,283 4,486 1,366433143,394 4,677 1,37802004

Tab. 4 Tab. 5

Rz = 3 kOhm Uin [V] Uout [V] zosilnenie A

0,33012 0,739 2,238579910,68013 1,513 2,22457471

1,016 2,247 2,211614171,344 3,008 2,238095241,693 3,721 2,19787362,028 4,413 2,17603552,343 5,12 2,185232612,666 5,763 2,16166542

3,02 6,397 2,118211923,391 6,948 2,04895311

Tab. 6

Rz = 1,3 kOhm Uin [V] Uout [V] zosilnenie A

0,33513 0,54782 1,634649240,6773 1,119 1,65214824

1,003 1,66 1,65503491,353 2,222 1,642276421,706 2,748 1,610785462,041 3,26 1,597256252,353 3,78 1,606459842,687 4,26 1,585411243,078 4,738 1,539311243,357 5,16 1,53708668

Uin [V] Rz [kOhm] zosilnenie A 0,6824 0,75 1,2090,8506 1 1,4720,6773 1,3 1,652

0,68013 3 2,225

71


0,66298 82 3,116

Prevodová charakteristika bez Rz

0

2

4

6

8

100,

17

0,32 0,5

0,66

0,81

0,97

1,14

1,31

1,46

1,62

1,81

1,98

2,15

2,31

2,47

2,64

2,75

2,94 3,1

3,26

Uin [V]

Uou

t [V]

Prevodová charakteristika s Rz = 750 Ohm

0

1

2

3

4

5

0,3387 0,6824 1,019 1,363 1,722 2,026 2,387 2,705 3,11 3,386

Uin [V]

Uout

[V]

Prevodová charakteristika s Rz = 1 kOhm

0

1

2

3

4

5

0,166 0,338 0,517 0,851 1,202 1,532 1,867 2,213 2,549 2,88 3,283 3,394

Uin [V]

Uou

t [V

]

72


Prevodová charakteristika s Rz = 1,3 kOhm

0

1

2

3

4

5

6

0,3351 0,6773 1,003 1,353 1,706 2,041 2,353 2,687 3,078 3,357

Uin [V]

Uou

t [V

]

Prevodová charakteristika s Rz = 3 kOhm

012345678

0,3301 0,6801 1,016 1,344 1,693 2,028 2,343 2,666 3,02 3,391

Uin [V]

Uout

[V]

Závislosť zosilnenia A od zaťažovacieho odporu Rz

00,5

11,5

22,5

33,5

0,75 1 1,3 3 82

Rz [kOhm]

zosi

lnen

ie A

73


Príloha č. 3 Pracovný bod zosilňovača s tranzistorom KF 521

74

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Meranie som realizoval prostredníctvom digitálneho multimetra NI DMM:

Obr. 1 Napätie medzi kolektorom a emitorom tranzistora UDS

Obr. 2 Napätie na rezistore RE , URE

Obr. 3 Napätie na rezistore RD , URD

75


Obr. 4 Napätie na rezistore R2, UR2

Obr. 5 Napätie na rezistore R1, UR1

Obr. 6 Kolektorový prúd IDMeranie kolektorového prúdu ID sa bolo odlišné na digitálnom meracom prístroji a pri použití systému NI ELVIS. Systém NI ELVIS nameral hodnotu 5,673 mA a pri zmene polarity ampérmetra -3,996 mA Digitálny multimeter nameral hodnotu 3,99 mA, čo je zhodná hodnota s teoretickým výpočtom. Táto nezrovnalosť pri meraní prúdu je spôsobená vlastnosťami systému NI ELVIS. Pri meraní napätia sa takáto nezrovnalosť nevyskytla.

76


Príloha č. 4 Meranie na zosilňovači s bipolárnym tranzistorom KC 507 - meranie

V – A charakteristiky, grafické priebehy na osciloskope, frekvenčné charakteristiky

77


Obr. 1 V – A charakteristika 1

Obr. 2 V – A charakteristika 2

Obr. 3 priebeh signálu na osciloskope, f = 100 Hz, Uin = 20,09 mV šš, Uout = 1,418 V šš Z grafického priebehu vidíme že pri frekvencii 100 Hz je signál ešte značne zašumený. Zosilňovač pri tejto frekvencii nepracuje správne.

78




Obr. 6 priebeh skresleného signálu na osciloskope, f = 1 kHz, Uin = 53,17 mV šš, Uout = 9,165 V šš

79


Obr. 7 frekvenčná odozva naprázdno, Uin = 0,01 V, Zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 175,2

Obr. 8 frekvenčná odozva naprázdno, Uin = 0,02 V, Zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 175,4

Obr. 9 frekvenčná odozva s Rz = 750 Ω, Uin = 0,02 V, Zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 33,54

80


Obr. 10 frekvenčná odozva s Rz = 750 Ω, Uin = 0,03 V, Zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 32,58

Obr. 11 frekvenčná odozva s Rz = 1,06 kΩ, Uin = 0,02 V, Zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 44,18

81

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Obr. 12 frekvenčná odozva s Rz = 1,06 kΩ, Uin = 0,03 V, Zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 42,53

Obr. 13 frekvenčná odozva s Rz = 1,3 kΩ, Uin = 0,02 V, Zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 51,23

Obr. 14 frekvenčná odozva s Rz = 3 kΩ, Uin = 0,02 V, Zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 84,3

82


Príloha č. 5 Emitorový sledovač s unipolárnym tranzistorom KF 521 – grafické priebehy na

osciloskope, frekvenčné charakteristiky

83


Obr. 1 priebeh signálu na osciloskope, f = 1 kHz, Uin = 963,5 mV šš, Uout = 929,88mVšš



84


Obr. 4 frekvenčná odozva, Uin = 0,2 V, Zosilnenie pri f = 1 kHz: A = 0,94



85


Príloha č. 6

Emitorový sledovač s unipolárnym tranzistorom KF 521 – prevodová charakteristika

86

Žilinská univerzita v Žiline Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Tab. 1 f = 1 kHz Uin [V] Uout [V] Zosilnenie Zosilnenie [dB]

0,1973 0,1907 0,966548 -0,2955278440,38182 0,3674 0,962234 -0,3343904270,5871 0,5572 0,949072 -0,454019453

0,957 0,9138 0,954859 -0,4012156811,331 1,277 0,959429 -0,3597431641,717 1,657 0,965055 -0,3089557351,886 1,824 0,967126 -0,2903370882,272 2,19 0,963908 -0,319284244

2,61 2,571 0,985057 -0,1307686143,032 2,923 0,96405 -0,3180076323,424 3,311 0,966998 -0,2914915053,728 3,659 0,981491 -0,162269884

4,16 4,004 0,9625 -0,3319852364,756 4,563 0,95942 -0,359827543

Prevodová charakteristika

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0,2 0,38 0,59 0,96 1,33 1,72 1,89 2,27 2,61 3,03 3,42 3,73 4,16 4,76

Uin [V]

Uou

t [V

]

87


Príloha č. 7 Emitorový sledovač s bipolárnym tranzistorom KC 507

88


Obr. 1 priebeh signálu na osciloskope, f = 1kHz, Uin = 399,67mV šš, Uout =396,60mV šš

Obr. 2 priebeh signálu na osciloskope, f =1 kHz, Uin =618,18 mV šš, Uout =616,41mV šš


89



90

Documents

Meranie charakteristík nf zosilňovačov pomocou LabVIEWdiplom.utc.sk/wan/725.pdf · VI – (Virtual Instrument) virtuálny prístroj Symboly AU – napäťové zosilnenie C1, C2