IF1330 Ellära F/Ö1 F/Ö2 F/Ö4 F/Ö5 F/Ö3 Strömkretslära Mätinstrument Batterier Likströmsnät Tvåpolsatsen KK1 LAB1 Mätning av U och I F/Ö6 F/Ö8 F/Ö9 F/Ö10 F/Ö11 F/Ö13 F/Ö14 F/Ö15 Magnetkrets Kondensator Transienter F/Ö7 F/Ö12 KK2 LAB2 Tvåpol mät och sim KK3 LAB3 Växelström Effekt Oscilloskopet Växelströmskretsar jω-räkning Enkla filter KK4 LAB4 tentamen Filter resonanskrets Trafo Ömsinduktans Föreläsningar och övningar bygger på varandra! Ta alltid igen det Du missat! Läs på i förväg – delta i undervisningen – arbeta igenom materialet efteråt! William Sandqvist [email protected] En verklig signal … Verkliga signaler är svårtolkade. De är ofta störda av brus och brum. Brum är vårt 50 Hz nät som inducerats in i signalledningarna. Brus är slumpmässiga störningar från förstärkare (eller t.o.m. resistorer). William Sandqvist [email protected] Kanske likspänning … Kanske är signalen en långsamt ökande likspänning från tex. en temperaturgivare? Ett LP-filter (=LågPass) filtrerar bort störningarna och lyfter fram signalen I så fall kan störningarna bestå av 50 Hz brum och högfrekvent brus. William Sandqvist [email protected] Kanske sinuston … Kanske är signalen en sinuston? I så fall kan störningarna bestå av att likspänningsnivån långsamt ändrar sig, drift, och att brus tillkommit. Ett BP-filter (BandPass) blockerar driften och filtrerar bort bruset. William Sandqvist [email protected] Kanske snabba variationer … Kanske är signalen de snabba variationerna? I så fall kan störningarna bestå av att likspänningsnivån långsamt ändrar sig, drift, och att brum tillkommit. Ett HP-filter (HögPass) filtrerar bort störningarna och lyfter fram signalen. William Sandqvist [email protected] Filter Med R L och C kan man bygga effektiva filter. Induktanser är mer komplicerade att tillverka än kondensatorer och resistorer, därför används oftast bara kombinationen R och C. Snabba datorer kan filtrera signaler digitalt. Att beräkna en signals löpande medelvärde kan tex. motsvara LP-filtrering. Numera dominerar den digitala filtrertekniken över den analoga. Enkla RC-filter ingår naturligt i de flesta mätinstrument, eller t.o.m. uppkommer av ”sig självt” när man kopplar samman utrustningar. Detta är anledningen till att man måste känna till och kunna räkna på enkla RC-länkar, trots att de som filter betraktat är mycket ofullständiga. William Sandqvist [email protected] LP HP BP BS BP eller BS filtren kan ses som olika kombinationer av LP och HP filter. William Sandqvist [email protected] William Sandqvist [email protected] Spänningsdelarens överföringsfunktion Enkla filter är ofta utformade som spänningsdelare. Ett filters överföringsfunktion, H(ω) eller H(f), är kvoten mellan utspänning och inspänning. Den kvoten får man direkt från spänningsdelningsformeln! U 2 =U1 Z2 Z1 + Z 2 ⇒ H (ω ) = U2 Z2 = U1 Z1 + Z 2 William Sandqvist [email protected] William Sandqvist [email protected] RC LP-filtret, visare Visardiagram: R och C har strömmen I gemensamt. Spänningen över resistorn och spänningen över kondensatorn blir därför vinkelräta. Pythagoras sats kan användas: U12 = U 32 + U 22 William Sandqvist [email protected] RC LP-filtret, jω 1 U2 jω C 1 jω C = ⋅ = U1 R + 1 jω C 1 + jω RC jω C U2 1 = U1 1 + (ω RC ) 2 U 2 ω RC ϕ = arg = arg(1) − arg(1 + jω RC ) = 0 − arctan = − arctan(ω RC ) U 1 1 William Sandqvist [email protected] RC LP-filtret, H(ω) H= 1 1 + jω RC abs(H ) = H = 1 1 + (ω RC ) 2 arg(H ) = − arctan(ω RC ) Vid den vinkelfrekvens då ωRC = 1 , blir nämnarens realdel och imaginärdel lika. Detta är filtrets gränsfrekvens. William Sandqvist [email protected] LP-Beloppsfunktionen R = 1 kΩ C = 1 µF 1 2π ⋅1 ⋅103 ⋅1⋅10 −6 ≈ 160 Hz fG = H= 1 1 + (ω RC ) 2 ωG = 1 RC fG = William Sandqvist [email protected] 1 2πRC LP-Fasfunktionen ϕ = arg(H ) = − arctan(ωRC ) William Sandqvist [email protected] Grafik med Mathematica Mathematica har kommandon för komplexa tals belopp (abs[ ]) och argument (arg[ ], i radianer). <<Graphics r=1*10^3; c=1*10^-6; w=2*Pi*f; u2u1[f_]=1/(1+I*w*r*c); LogLinearPlot[Abs[u2u1[f]],{f,1,10000},PlotRange->All,PlotPoints->100]; LogLinearPlot[Arg[u2u1[f]],{f,1,10000},PlotRange->All,PlotPoints->100]; Tryck SHIFT + ENTER för att utföra beräkningen. Beloppskurvan Faskurvan [rad] William Sandqvist [email protected] RC Två sidor av samma mynt 1 ωG = RC τ = RC Låg gränsfrekvens ωG undertrycker störningar bra, men det innebär en lång tidkonstant τ som gör att det tar lång tid innan UUt når slutvärdet och kan avläsas. William Sandqvist [email protected] William Sandqvist [email protected] RC HP-filtret, jω jω C jω RC U2 R = ⋅ = jω C 1 + jω RC U1 R + 1 jω C ω RC U2 = U1 1 + (ω RC ) 2 U 1 ω RC arg 2 = arg( jω RC ) − arg(1 + jω RC ) = 90° − arctan arctan = 1 ω RC U1 William Sandqvist [email protected] RC HP-filtret, H(ω) H= jω RC 1 + jω RC abs(H ) = ω RC 1 + (ω RC ) 2 1 arg(H ) = arctan ω RC Vid den vinkelfrekvens då ωRC = 1 , blir nämnarens realdel och imaginärdel lika. Detta är filtrets gränsfrekvens. William Sandqvist [email protected] HP-Beloppsfunktionen R = 1 kΩ C = 1 µF 1 2π ⋅1 ⋅103 ⋅1 ⋅10 −6 ≈ 160 Hz fG = abs(H ) = ω RC 1 + (ω RC ) 2 William Sandqvist [email protected] HP-Fasfunktionen 1 ω RC ϕ = arg(H ) = arctan William Sandqvist [email protected] William Sandqvist [email protected] 16.4 Wienbryggan Undersöktes av Max Wien 1891 För en viss frekvens är U1 och U2 i fas. Vilken? William Sandqvist [email protected] Wienbryggan 1 jω C 1 R⋅ R jω C jω C Z2 = ⋅ = 1 jω C 1 + jω RC R+ jω C Z1 = R + U1 och U2 är i fas om överföringsfunktionens imaginärdel är 0! R (1 + jω RC ) U2 1 1 1 + jω RC R = ⋅ = = R (1 + jω RC ) 1 U1 R + 1 + 1 3 + jω RC + ω 3 + j ( RC − ) jω C 1 + jω RC R jω RC ω RC =0 William Sandqvist [email protected] Wienbryggan U2 = U1 1 3 + j (ω RC − ⇒ 1 ) ω RC 1 =0 ⇒ ω = 1 0 ω RC − RC ω RC William Sandqvist [email protected] Wienbryggan ω0 = 1 RC f0 = Beloppskurva 1 2πRC Faskurva Wienbryggan är ett bandpassfilter. William Sandqvist [email protected] William Hewletts examensarbete Masteruppsats 1930. Wienbrygga med glödlampa! William Sandqvist [email protected] William Hewletts examensarbete Hewlett konstruerade en tongenerator. Wienbryggan dämpar signalen till 1/3 så han behövde en stabil förstärkare med exakt tre gångers förstärkning. Glödlampan stabiliserar signalen. Om amplituden blir för stor värms glödlampan upp och då dämpas signalen i spänningsdelaren på förstärkarens ingång. William Sandqvist [email protected] The Palo Alto garage the birthplace of Silicon Valley Vilket världsföretag kommer Du att grunda med ditt exjobb? William Sandqvist [email protected] William Sandqvist [email protected] DMM Fluke 45 Likspänningsmätning. UDC Likkomponent medelvärde LP-filter Växelspänningsmätning. UAC Växelkomponent effektivvärde HP-filter Sant effektivvärde Samtidigt! 2 U RMS = U DC + U A2 C William Sandqvist [email protected] William Sandqvist [email protected] Decibel 10 dB = 1 B 10⋅10 log U 22 U 22 R2 = {R2 = R1} = 2 2 U1 U1 R1 P2 [dB] P1 U 22 U ⇒ 10⋅ log 2 = 20⋅10 log 2 U1 U1 10 Ursprungligen ett mått på ljudintensitet, men ofta använt som ett logaritmiskt mått på spänningsförhållanden vid förstärkning eller dämpning. William Sandqvist [email protected] Exempel. Decibel. Omvandla från [ggr] → [dB] : 2 ggr → 20⋅10log2 = 6 dB ( fördubbling ) 5 ggr → 20⋅10log5 = 14 dB 10 ggr → 20⋅10log10 = 20 dB (2⋅5 = 10 ggr 6+14=20 dB) 0,1 ggr → 20⋅10log0,1 = -20 dB William Sandqvist [email protected] Exempel. Decibel. Omvandla från [dB] → [ggr] : 3 20 3 dB → 10 = 1,414 ( 2 ) 30 20 30 dB → 10 = 31,62 − 6 dB → 10 6 − 20 = 0,5 William Sandqvist [email protected] ( dB med Fluke 45 ) Man kan ställa in vid vilket värde R som U utvecklar effekten i – men det struntar man ofta i … William Sandqvist [email protected] William Sandqvist [email protected] Bode-diagram Hendrik Wade Bode log U2/U1 [dB] log ω [rad/s] arg U2 [°] U1 log ω [rad/s] William Sandqvist [email protected] Bode-diagrammet är det vanligaste sättet att grafiskt beskriva filter eller förstärkare. William Sandqvist [email protected] Oscilloskopets Wave-generator Waveform Sine Square Ramp Pulse DC Noise Frequency Amplitude Offset BNC-kontakt Man kan använda oscilloskopets inbyggda Wavegenerator! William Sandqvist [email protected] Output Load High-Z 50 Ω Wave-Gen eller PM3159 Välj själv! PM3159 Wave-Gen Nackdel: Alla oscilloskopets funktioner använder samma Entry-ratt! Lite som ett kombinationsverktyg. Fördel: Man kan välja Trigger Menu, Source, WaveGen så har man alltid stabil triggning på signaler som använder Wave-generatorsignalerna! William Sandqvist [email protected] Mätning av fas t Oscilloskopet mäter fas som tids-fördröjning. En positiv tidsfördröjning ses som en positiv fasvinkel. I elläran ser vi en positiv tids-fördröjning som att signalen ”släpar efter” och har en negativ fasvinkel. 2 1 Byt från Phase(1→ →2) till Phase(2→ →1) ! • Ställ in … Meas, Phase, Settings, Source1 2, Source2 1, så blir det rätt! William Sandqvist [email protected] 2 Mätning av överföringsfunktion DSO2014B PM5139 U P-P = 4 V U 2 U CH 2 = U1 U CH 1 U 2 = Phase(2 → 1) U 1 ger vinkeln det rätta tecknet! ϕ = arg William Sandqvist [email protected] Mätning av impedans Z 45° PM5139 DSO2014B U P-P = 4 V + U - Z= U I mätmotstånd 10 Ω • Mätning av Z när fasvinkelns belopp är 45°° ger speciellt enkla uttryck för att beräkna r och L. Z 452 ° = r 2 + (2π f 45° L) 2 r= Z 45° 2 r = 2π f 45° L ⇒ r L= 2π f 45° William Sandqvist [email protected] Z≈ U CH 2 R U CH 1 ϕ = Phase( 2→1 ) Noggrann mätning DMM Medan oscilloskopet är till för översiktliga mätningar, har en DMM som Fluke 45 betydligt högre mätnoggrannhet. Dessutom har en DMM inte gemensam jord med signalgeneratorn, så man kan därför välja mätkopplingen friare. f ≈30° f ≈60° U P-P = 4 V (1) Z 302 ° = (2π f30° ) 2 ⋅ L2 + r 2 1 (2) − (1) L = 2π Z 602 ° − Z 302 ° f 602 ° − f302 ° (2) Z 602 ° = (2π f 60° ) 2 ⋅ L2 + r 2 ⇒ • Mätning av Z (U, I) vid två olika frekvenser ( f ) kan ge L med en högre noggrannhet än oscilloskopmätningen. William Sandqvist [email protected] William Sandqvist [email protected] Oscilloskopkabeln (16.5) Vanlig skärmkabel Mätobjektet har den inre resistansen RI = 10 kΩ. Oscilloskopkabeln har kapacitansen CK = 60 pF. Oscilloskopet har in-impedansen 1 MΩ||40 pF ( RM och CM ). Hur stort blir felet när den uppmätta signalen har frekvensen 100 KHz? ( Oscilloskopet uppges ha bandbredden 100 MHz. ) William Sandqvist [email protected] Oscilloskopkabeln (16.5) Signalkällan tillsammans med kabeln och oscilloskopets impedans bildar ett lågpassfilter. Kretsen kan förenklas genom att CK slås ihop med CM. CM+K = 40 + 60 =100 pF. RI = 10 kΩ. RM = 1 MΩ. 1 RM jω C M + K jω C M + K = ⋅ = 1 jω CM + K 1 + jω RM CM + K RM + jω C M + K RM ⋅ Z R ||C William Sandqvist [email protected] Oscilloskopkabeln (16.5) RM U 1 + jω RM CM + K RM 1 + jω RM CM + K = ⋅ = RM 1 + jω RM CM + K jω RI RM CM + K + RI + RM E R + I 1 + jω RM CM + K U RM 106 = = 2 2 E (ω RI RM CM + K ) + ( RI + RM ) (2π ⋅100 ⋅103 ⋅10 ⋅103 ⋅106 ⋅100 ⋅10 −12 ) 2 + (10 ⋅103 + 106 ) 2 ⇒ U ( f = 100 kHz) = 0,84 ⇒ 16% fel! E Falsk marknadsföring? På oscilloskopet står det stämplat BW 100 MHz! Men felet är större än 15% redan vid 100 kHz? William Sandqvist [email protected] Oscilloskop-proben (16.6) Signalkällans inre resistans bildar alltid ett lågpassfilter med mätkabeln. Lösningen ”kort kabel” är inte alltid användbar eller praktisk! • I stället kan man skaffa sig en speciell kabel, en dämp-prob. William Sandqvist [email protected] Oscilloskop-proben (16.6) Siffervärden: C2 = CK + CM = 60 + 40 = 100 pF R2 = RM = 1 MΩ Kan man välja R1 och C1 så att U2 och U1 är i fas? Det är viktigt att oscilloskopet gör en fasriktig avbildning av U1 ? William Sandqvist [email protected] Oscilloskop-proben (16.6) Z1 Z2 Impedanserna Z1 och Z2. 1 R1 jω C1 jω C1 ⋅ = Z1 = 1 jω C1 1 + jω R1C1 R1 + jω C1 R1 ⋅ 1 R2 jω C 2 jω C 2 ⋅ = Z2 = 1 jω C2 1 + jω R2C2 R2 + jω C 2 R2 ⋅ William Sandqvist [email protected] Oscilloskop-proben (16.6) U2 = U1 R2 1 + jω R2C2 R1 R2 + 1 + jω R1C1 1 + jω R2C2 U2 och U1 ska vara i fas för alla frekvenser. Det innebär att uttrycket måste vara oberoende av ”jω”. Om R1C1 = R2C2 ( = RC ) så kan alla ”jω” brytas ut och förkortas bort! William Sandqvist [email protected] Oscilloskop-proben (16.6) R1C1 = R2C2 = RC ⇒ U2 = U1 R2 1 + jω RC R1 R2 + 1 + jω RC 1 + jω RC = R2 R1 + R2 Det är bekvämt för användaren om dämp-proben dämpar 10 ggr. 1 R2 = 10 R1 + R2 ⇒ R1 = 9 ⋅ R2 = 9 MΩ R1C1 = R2C2 ⇒ C1 = 11 pF R1 och C1 monteras i mätspetsen. C1 kan ”trimmas” att passa olika oscilloskop och olika kabellängder. William Sandqvist [email protected] Kalibrering av oscilloskop-prob Channel-1 (yellow) = Over compensated Channel-2 (green) = Under compensated Proper Compensation Oscilloskop har i allmänhet ett uttag för en kalibreringssignal, en fyrkantvåg (Demo2 kontakten när inte träningssignalerna är på). Kalibreringssignalen kan användas för att kontrollera om en prob är rätt justerad. Probens kapacitans kan ”trimmas” genom att man ”vrider” på en skruv på probskaftet. William Sandqvist [email protected] Probens impedans? Hur går strömmen mellan resistorerna och kondensatorerna? Det kan inte gå någon sådan ström! Vi vet att U1 och U2 är i fas, en ström mellan kondensatorerna och resistorerna skulle leda till att U2 fasvrids. Probens kapacitans och resistans kan därför beräknas utan att ta med anslutningen mellan R och C (mycket enklare beräkning). R = R1 + R2 = 9 + 1 = 10 MΩ C= C1 ⋅ C2 11 ⋅100 = ⋅10 −12 = 9,9 pF C1 + C2 11 + 100 William Sandqvist [email protected] Mätning med dämp-proben Mätobjektet belastas nu med en 10 pF kapacitans i stället för som tidigare med 100 pF. 10 ggr högre mätfrekvens kan nu återges. Dämpningen av signalen 10 ggr kan kompenseras med att man väljer 10 ggr högre förstärkning – utom på oscilloskopets känsligaste mätområde, då finns ju inget ”ändå känsligare” område att ta till! • Ställ alltid in probens dämpningsfaktor på oscilloskopet så att dina mätvärden blir korrekta! William Sandqvist [email protected] Aktiv prob En aktiv prob innehåller en miniatyrförstärkare som byggts in i probspetsen. Med en sådan har man möjlighet att utnyttja oscilloskopets bandbredd ”fullt ut” utan att behöva ”offra” oscilloskopets känsligaste område. William Sandqvist [email protected] William Sandqvist [email protected] ( Mätning av oscilloskopets stigtid ) RiseTime Ställ in oscilloskopet på det snabbaste svepet och studera en fyrkantvåg med hög frekvens från en signalgenerator ( signalgeneratorn måste ha bättre stigtid än oscillskopet ). Stigtiden definieras som tiden mellan 10% - 90% av pulsamplituden. Speciell mätfunktion RiseTime finns för detta. William Sandqvist [email protected] Oscilloskopets bandbredd och stigtid Ett DC-kopplat Oscilloskop är ett • LP-filter med en övre gränsfrekvens. ωG = 1 RC BW [Hz] ≈ 1 2πRC • Lågpassfiltret har en ”tillslagstransient”. William Sandqvist [email protected] Två sidor av samma mynt Ett oscilloskops stigtid och bandbredd hör ihop som sidorna på ett mynt. Produkten av stigtid och bandbredd är = 0,35 Varför blir det så? William Sandqvist [email protected] Stigtid och bandbredd " hela" = " resten" 100 − 10 = τ ⋅ ln = 100 − 90 = τ ⋅ ln 9 t r = τ ⋅ ln BW = 1 τ = RC 2πRC ⇒ t r ⋅ BW = ln 9 ≈ 0,35 2π William Sandqvist [email protected] William Sandqvist [email protected]
© Copyright 2024